Развитие методов весовых, тепловых и пульсационных измерений в гиперзвуковых потоках Шиплюк, Александр Николаевич

Введение к работе

Актуальность темы

Одной из современных задач конструкторов летательных аппаратов является создание летательных аппаратов (ЛА) для гиперзвуковых скоростей полета, что стимулирует развитие экспериментальной гиперзвуковой аэрогазодинамики. Для проектирования гиперзвуковых ЛА необходимо не только изучение интегральных характеристик обтекания ЛА (аэродинамические характеристики, тепловые потоки), но также и более глубокое понимание физики процессов, что ставит задачи изучения структуры течения (особенно в пристенной области) и нестационарных процессов в таких потоках. Для выполнения этих задач необходимо развивать имеющиеся методы экспериментальных исследований и создавать новые. Экспериментальные исследования гиперзвуковых течений более сложны и их методы менее разработаны, чем методы измерений для сверхзвуковых потоков из-за трудностей, связанных с высокой энтальпией и низкой плотностью исследуемых течений. В последнее время идет быстрое развитие вычислительной техники, компьютерных систем сбора данных и автоматизации управления, появляется новая элементная база, что ставит задачи развития методов, основанных на новых подходах.

В ИТПМ СО РАН имеются гиперзвуковые аэродинамические трубы Т-327, Т-326, на которых выполняется большой объем бюджетных, хоздоговорных и контрактных исследований. В данной работе ставилась задача развития методов экспериментальных исследований на этих установках, которые позволили бы проводить надежные весовые измерения, повысить точность тепловизионных измерений тепловых потоков, исследовать параметры гиперзвуковых сдвиговых слоев в течениях низкой плотности, исследовать нестационарные процессы в гиперзвуковых пограничных слоях. Выбор этих методик определялся необходимостью выполнения исследований по грантам РФФИ, хоздоговорных работ с предприятиями России и зарубежных контрактов.

Цель работы

1. Отработка методики весовых измерений в двух гиперзвуковых аэродинамических трубах Т-327 и Т-326 ИТПМ СО РАН и исследование аэродинамических характеристик тестовых моделей;

2. Повышение точности тепловизионных измерений тепловых потоков на моделях из теплоизолятора и проведение измерений тепловых потоков;

3. Развитие метода измерений плотности и пульсаций плотности в гиперзвуковых потоках низкой плотности с помощью электронно-пучковой флюоресценции азота и исследование устойчивости гиперзвукового ударного слоя на плоской пластине;

4. Развитие методики термоанемомегрических измерений для гиперзвуковых скоростей с использованием современных методов измерений и исследование развития естественных возмущений в пограничном слое плоской пластины.

Научная новизна

1. Уточнены аэродинамические характеристики тестовых моделей.

2. Предложена методика расчета тепловых потоков по измеренным значениям температуры поверхности в зависимости от времени для моделей из теплоизолятора, которая учитывает кривизну поверхности и продольное перетекание тепла. Метод основан на расчете конечно-разностным методом одномерных нестационарных дифференциальных уравнений теплопроводности в системе координат, связанной с поверхностью модели.

3. Развит метод измерений плотности и пульсаций плотности в гиперзвуковых потоках низкой плотности с помощью электронно-пучковой флюоресценции азота, позволяющий получать спектры, фазовые скорости, пространственную корреляцию, углы распространения волн, коэффициенты нарастания естественных возмущений. Впервые экспериментально подробно изучены характеристики пульсаций плотности в гиперзвуковом ударном слое на плоской пластине.

4. Измеренные характеристики естественных возмущений в пограничном слое плоской пластины подтвердили данные, полученные в DLR (Германия) для низких частот возмущений и позволили найти ошибку в их измерениях высокочастотных возмущений.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается подробным анализом погрешности измерений, многократной повторяемостью результатов, удовлетворительным согласованием с известными экспериментальными данными и расчетами других авторов.

Научная и практическая ценность

Разработана мобильная система автоматизации и отработана методика весовых измерений в гиперзвуковых потоках, позволяющая проводить эксперименты на различных аэродинамических установках. Получены аэродинамические характеристики эталонных моделей.

Развита методика определения теплового потока с учетом кривизны поверхности модели и продольного перетекания тепла, которая позволяет повысить точность измерения тепловых потоков к малоразмерным моделям при испытаниях в гиперзвуковых аэродинамических трубах. Отработан теп-ловизионный метод измерения тепловых потоков на моделях из теплоизоля-тора в гиперзвуковой аэродинамической трубе.

Развит метод электронно-пучковой диагностики гиперзвуковых потоков низкой плотности применительно к измерениям плотности, пульсаций плотности и пространственной корреляции пульсаций плотности. Получена подробная информация о характеристиках устойчивости гиперзвукового ударного слоя на плоской пластине, позволяющая глубже понять физику развития возмущений в ударных слоях.

Развита термоанемометрическая методика измерения характеристик возмущений для гиперзвуковых скоростей. Получены характеристики естественных возмущений гиперзвукового пограничного слоя. Результаты позволили найти ошибку в измерениях высокочастотных возмущений, выполненных в DLR в трубе Людвига.

Развитые в работе методы могут быть использованы при изучении аэродинамических, тепловых и пульсационных характеристик в гиперзвуковых потоках. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для верификации теоретических моделей.

На защиту выносятся

5. Результаты экспериментальных исследований аэродинамических характеристик тестовых моделей.

6. Методика определения теплового потока по известной зависимости температуры поверхности от времени, основанная на расчете одномерных нестационарных уравнений теплопроводности.

7. Метод электронно-пучковой диагностики гиперзвуковых потоков низкой плотности применительно к измерениям плотности, пульсаций плотности и пространственной корреляции пульсаций плотности. Результаты экспериментальных исследований распределений плотности и характеристики естественных пульсаций плотности в гиперзвуковом ударном слое на плоской пластине.

8. Результаты экспериментальных исследований характеристик естественных возмущений в гиперзвуковом пограничном слое на плоской пластине

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международных конференциях по методам аэрофизических ис-

следований (Новосибирск 1992, 1994, 1996 гг.), на Сибирских и Международных семинарах по устойчивости гомогенных и гетерогенных жидкостей (Новосибирск 1995, 1996, 1997 гг.), на съезде GAMM'97 (Регенбург, Германия 1997 г.), на семинарах DLR (Геттинген, Германия 1991, 1993 гг.) и CARDC (Миньян, Китай 1993, 1995 гг.), на семинарах ИТПМ СО РАН по динамике вязкой жидкости и турбулентности.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 работах, список которых приведен в конце реферата.

Структура и объем диссертации. Текст диссертации объемом 161 страниц включает введение, 4 главы и заключение. К тексту прилагается список литературы из 125 наименований и 67 рисунков. Содержание диссертации