Экспериментальное исследование структуры течения в слое смешения сверхзвуковой струи при наличии продольных вихрей

Киселев, Николай Петрович

Экспериментальное исследование структуры течения в слое смешения сверхзвуковой струи при наличии продольных вихрей тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Киселев, Николай Петрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2007 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Экспериментальное исследование структуры течения в слое смешения сверхзвуковой струи при наличии продольных вихрей»

Автореферат диссертации на тему "Экспериментальное исследование структуры течения в слое смешения сверхзвуковой струи при наличии продольных вихрей"

На правах рукописи

Киселев Николай Петрович 003052 154

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ТЕЧЕНИЯ В СЛОЕ СМЕШЕНИЯ СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУИ I ПРИ НАЛИЧИИ ПРОДОЛЬНЫХ ВИХРЕЙ

01.02.05- Механика жидкости, газа и плазмвд

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск — 2007

003052154

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Запрягаев Валерий Иванович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, проф. Козлов Виктор Владимирович

доктор физико-математических наук, проф. Новопашин Сергей Андреевич

Ведущая организация:

Центральный аэрогидродинамический институт им. Н.Е. Жуковского (филиал ЦАГИ Акустическое отделение), г. Москва.

диссертационного совета Д003.035.02 по присуждению ученой степени доктора наук в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН по адресу: 630090, Новосибирск 90, ул. Институтская 4/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТПМ СО РАН.

Ваш отзыв на автореферат в 2х экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим высылать по адресу: 630090, г. Новосибирск, Институтская 4/1, ИТПМ СО РАН, ученому секретарю диссертационного совета Д003.035.02.

Автореферат разослан » ¡М^ТЩ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Защита состоится

часов на заседании

д.т.н.

Засыпкин И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Актуальность исследования высокоскоростного струйного слоя смешения обусловлена широким практическим применением струй в системах подачи газообразного топлива, эжекгорных системах восстановления давления и других технических устройствах, где определяющую роль играют процессы массообмена. Исследование структуры слоя смешения и определение эффективных способов управления процессами массообмена и звукообразования являются актуальными научными задачами. Особенно следует отметить стремление к улучшению процесса смешения в высокоскоростных потоках. Это связано с тем, что с увеличением скорости потока смешение потоков ухудшается. Второй важной проблемой, которая также связана со структурой слоя смешения, является механизм шумообразования. Известно, что интенсивность акустического излучения увеличивается пропорционально восьмой степени от скорости потока.

В слое смешения сверхзвуковой недорасширенной струи возникают и развиваются продольные вихревые структуры, играющие важную роль в процессах массопереноса. Отмечено существенное влияние продольных вихревых структур в слое смешения на процессы вовлечения внешнего (по отношению к струе) вещества в процесс турбулентного перемешивания. Наличие продольных вихревых структур на начальном участке сверхзвуковой недорасширенной струи выявлено как с помощью шлирен - фотографий, на которых видны продольные полосы, так и посредством измерений азимутального распределения полного давления или азимутальных неоднородностей в потоке.

В настоящее время ведется поиск эффективных методов управления процессами массообмена путем воздействия на начальный участок слоя смешения, проводятся исследования по генерации продольных вихревых структур в сверхзвуковых струях различной конфигурации с помощью устройств формирования вихрей- гофров, шевронов, табов, дольчатых смесителей и струй, вдуваемых в основной поток.

Цель работы заключается в:

1) экспериментальном исследовании структуры сверхзвуковой струи при наличии искусственных возмущений - микротабов, микрогофров и микроструй;

2) изучении закономерностей топологии развития продольных вихревых структур в начальном участке сверхзвуковой струи;

3) разработке методов генерации стационарных продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковой струи;

4) исследовании способов управления процессами смешения в струе.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1) исследована структура сверхзвуковой струи при наличии контролируемых искусственных возмущений и показано, что наиболее перспективным способом воздействия являются микроструи;

2) отработаны различные способы генерации продольных вихревых структур в слое смешения струи с помощью искусственных возмущений различного типа, таких как микротабы, микрогофры и микроструи;

3) проведены параметрические исследования влияния числа одинаковых микротабов на генерацию и развитие продольных вихрей в слое смешения струи. Выполнен спектральный анализ стационарных искусственных возмущений контролируемой величины, вводимых в поток.

Достоверность полученных результатов обеспечена использованием в работе автоматизированной системы сбора исходной информации и высокоточной измерительной аппаратуры, повторяемостью экспериментальных данных, а также согласованием результатов экспериментальных исследований с полученными ранее данными по исследованию структуры сверхзвуковой струи.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

1) создана автоматизированная система сбора и обработки экспериментальных данных Изготовлен и введен в действие азимуталыю-радиальный координат-ник, позволяющий с высокой точностью перемещать пневмоприемник в автоматическом режиме,

2) отработана методика генерации стационарных продольных вихрей в слое смещения сверхзвуковой струи В начальном участке сверхзвуковой струи созданы стационарные искусственные возмущения при помощи микротабов, микрогофров и микроструй

На защиту выносятся:

- методика экспериментального исследования структуры сверхзвуковых неизобарических струй,

- результаты экспериментальною исследования влияния искусственных возмущений на формирование продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковой струи.

Личный вклад автора в работу по теме диссертации заключается в:

а) тестировании нового координатника, автоматизированной системы сбора данных и сопутствующего ей программного обеспечения;

б) проведении экспериментальных исследований, обработке и анализе пол>-ченных данных, подготовке публикаций по результатам исследований, участии в обсуждении пол\чснных результатов

Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов согласовано с соавторами

Апробация работы. Основные результаты диссертации представлялись на следующих конференциях «Устойчивость течений гомогенных и гетерогеннных жидкостей» (2001. 2004, г Новосибирск), молодежная конференция «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогеннных жидкостей» (Новосибирск. 2004, 2005), IUTAM Symposium on Turbulent Mixing and Combustion (Kingston, Canada. 2001), Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (Пермь -2001, Нижний Новгород - 2006), West East High Speed Flow Field Conference (Marseille, France - 2002, Beijing, China - 2005), IV Международная Конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2002), Международный семинар по струйным, отрывным и нестационарным

ечениям (Санкт-Петербург, Россия, 2002, 2004), International Conference on the Methods of Aerophisica! Research (ICMAR) (Novosibirsk - 2002, 2004,), International Couette-Taylor Workshop Nonlinear Dynamics in Fluids (Barcelona - 2003), Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики' теория эксперимент и новые технологии» (Новосибирск - 2003), Международная школа-семинар (Евпатория - 2004), European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles - ESA (Cologne, Germany - 2005)

Диссертант участвовал в работе по грантам РФФИ № 02-01-00515, 05-08-01215

Публикации. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 20 работах, список которых приведен в конце автореферата. Из них 3 статьи выпущены в рецензируемых журналах

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 95 наименований и приложения с рисунками Работа изложена на 176 страницах м.п. текста и содержит 105 рисунков

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении формулируется цель работы, описывается структура диссертации. В первой главе описана актуальность изучения процессов смешения и генерации продольных вихревых структур в сдвиговом слое струи. Приведен обзор результатов исследований по улучшению характеристик смешения и уменьшению уровня шума, генерируемого струей при помощи искусственных возмущений, формируемых гофрами, шевронами, табами и струями (п. 1.1). Пространственная картина продольных вихрей и особенностей их развития в слое смешения сверхзвуковой недорасишренной струи описана в п 12. Схема продольных вихревых структур в начальном участке недорасишренной струи представлена на рис 1 В п 1 3 сформулирована постановка задачи

Вторая глава посвящена описанию экспериментального оборудования, автоматизированной системы сбора и обработки экспериментальных данных

В главе дано описание двух аэродинамических установок, на которых проводились экспериментальные исследования по изучению структуры сверхзвуковой струи и генерации продольных вихрей В п.2.1 описан принцип работы на вертикальной струйной установке (ВСУ) Описание струйного модуля на основе гиперзвуковой аэродинамической трубы непрерывного действия Т-326 с азимутально-радиальным координатником, работающим в полностью автоматическом режиме и предложенными профилированными соплами представлено в п 2.2 Применяемые в исследованиях сопла изготовлены с высоким качеством внутренней поверхности Для ранее применяемого сопла, шероховатость (по стандарту 112(180)) составляла 2 мкм, а для новых сопел характерное значение шероховатости, определяемое как средняя высота неровностей на профиле равнялась 0.25 мкм. Это позволите уменьшить уровень естественных возмущений в 4 5 раза Описана автоматизированная система сбора и обработки данных, позволяющая поддерживать газодинамический режим с точностью 0 1% (п 2 3) Методика проведения экспериментов и обработки полученных данных представлена в п 2 4.

В третьей главе описана структура сверхзвуковых струй при числах Маха на срезе сопла Ма= 1 и 2 в начальном участке в пределах первой ячейки струи (п. 3 1) В различных продольных сечениях струи х/Яа проведены измерения азимутальных и радиальных распределений полного давления Р,(г,<р), где г,<р- радиальная и азимутальная координаты Схемы течения и шлирен-фотографии сверхзвуковой недо-расширенной струи Ма= 1, степенью нерасчетности пр= 2 64 и числом Рейнольдса, вычисленным по параметрам потока и диаметру на срезе сопла Ле(/=2.21-106 и сверхзвуковой перерасширенной струи Ма= 2, пр= 0.64, Яе/= 1.95-106 на начальном участке представлены на рис. 2 и 3

В п. 3.2 описано влияние нарастания пограничного слоя в конвергентном сопле с цилиндрической вставкой В процессе проведенных экспериментальных исследований выявлено, что при наличии вставки происходит сброс пограничного

слоя и смещение критического сечения вверх по потоку от среза сопла, в результате чего появляется так называемое эффективное критическое сечение. На участке течения между критическим и выходным сечениями поток газа разгоняется до сверхзвуковой скорости, а газодинамические параметры на срезе короткого и длинного сопел составляют Мг=1 (пр= 2.65) и М2=1.3 (ир= 1.84).

В п. 3.3 описана экспериментальная методика вычисления кривизны линий тока в слое смешения сверхзвуковой струи. На рис. 4,а показана кривизна для сверхзвуковой недорасширенной струи Ма= 1, на рис. 4,6 - для перерасширенной струи Ма= 2. Для недорасширенной струи 1фивизна в первой ячейке отрицательна. Согласно критерию Рэлея возмущения в искривленном сдвиговом течении неустойчивы и нарастают. Для перерасширенной струи на начальном участке слоя смешения кривизна очень мала и ее значение положительно, что ведёт к затуханию возмущений для гёртлеровского типа неустойчивости. Следовательно, кривизна в недорасширенной струе способствует усилению возмущений Тейлора-Гертлера и существенно влияет на формирование и развитие продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковой струи.

В четвертой главе описаны экспериментальные методы по генерации стационарных продольных вихревых структур в слое смешения сверхзвуковой струи с помощью контролируемых искусственных возмущений различного типа. Приводятся результаты экспериментального исследования влияния трёх типов искусственных возмущений, таких как микротабы, микрогофры и микроструи.

В п. 4.1 проводится экспериментальное исследование влияния величины искусственного единичного возмущения в виде микронеровности сопла. На рис. 5 представлено сопло с микротабом на внутренней поверхности. В экспериментах варьировалась толщина микротаба к. Значение среднеквадратичного отклонения измеренного давления Р,(ср) в слое смешения пропорционально толщине микротаба (рис. 6.). Фурье-спектры, полученные путем преобразования Р,(<р) в ряд Фурье представлены на рис. 7. Максимальное значение Фурье-амплитуды регистрируется при волновом числе п= 1 для микротаба к/Ка~ 5.3-10"3 (к = 80 мкм), где радиус сопла = 15 мм.

В п. 4.2 изучено влияние различного количества п0 одинаковых микротабов толщиной к/Ка= 2.7-10"3 (к = 40 мкм) на структуру сверхзвуковых струй при Ма= 1 (и„= 2.64, Лс^=2,2М06) (п. 4.2.1) и Ма= 2 (пр= 0.64, Ле/=1,95 106) (п. 4.2.2). Микротаб имел форму и размеры, как в гл. 4.1. Эксперимент с п0= 5, 8, 10, 11 и 13 описан в п. 4.2.1. Азимутальные профили полного давления в середине слоя смешения г/Яа- 1.27, где распределения полного давления в радиальном направлении максимальны, представлены на рис. 8. Видна упорядоченная структура в азимутальном направлении, обусловленная наличием микронеровностей на внутренней поверхности сопла. Количество минимумов на азимутальных профилях соответствует количеству микротабов п0. Все минимумы давления регистрируются при углах, соответствующих азимутальному положению микротаба. На рис. 8,6 экспериментальные данные для сопла с микротабами сравниваются с данными, полученными для сопла без микротабов.

В слое смешения сверхзвуковой струи возникают искусственно созданные крупномасштабные вихревые структуры, которые можно идентифицировать как минимумы давления на азимутальном профиле и образуются дополнительные максимумы давления, соответствующие наличию вторичных продольных вихрей

малого масштаба. Интерпретация распределения основных и вторичных вихрей на примере пяти микротабов представлена на рис. 9. На рисунке показана схема продольных вихрей, два радиальных сечения струи и соответствующие им азимутальные распределения давления. Из рисунка видно, что на периферии струи происходит трансформация основных крупномасштабных продольных вихрей в вихри меньшего масштаба. Интенсивность основных и вторичных вихрей на внешней границе струи становится соизмеримой.

На рис. 10 показаны Фурье-спектры, соответствующие максимальным вариациям азимутального распределения давления в слое смешения струи при п0= 5, 10, 11 и 13. Для различных п0 на спектрах наблюдается различный характер распределения максимумов Фурье-амплитуды: при п0= 5 видно 5 пиков, при по= 10 и 11 - 2 пика, а для п0= 13 всего один. Для сопла с микротабами п0= 10, 11, 13 максимумы Ал на спектрах наблюдаются при соответствующих волновых числах п= 10,11,13. Для пяти микротабов максимум Фурье-амплитуды регистрируется при азимутальном волновом числе п= 10. В этом параграфе выполнена оценка влияния формы микротаба на азимутальные неоднородности в слое смешения струи. Показано, что даже незначительное отличие формы микротаба дает существенное влияние на генерацию Продольных вихрей.

Выявлено влияние восьми микротабов сопла на формирования продольных вихрей в сверхзвуковой перерасширенной струе Ма= 2 (п. 4.2.2). Характерные зависимости распределения полного давления от азимутального угла для сопла с микротабами и для «чистого» сопла в продольном сечении струи х/Яа= 2,0 в середине слоя смешения струи представлены на рис. 11. Минимумы давления на азимутальном профиле соответствуют положению микротабов сопла. В перерасширенной струе микротабы могут генерировать продольные вихри, интенсивность которых достаточно слаба.

Гофрированная цилиндрическая вставка использовалась для генерации продольных вихрей микронеровностями с плавным изменением прогиба поверхности сопла вблизи выходного сечения (п. 4.3). Экспериментальные измерения проводились при тех же параметрах струи и пространственном положении трубки Пито, как в экспериментах С микротабами. На рис. 12 показана схема цилиндрической вставки,

являющейся продолжением сопла. Цифрами 1,2.....8 обозначены регулировочные

микрометрические винты, стрелками показаны места их воздействия. С помощью винтов производилось поджатие цилиндрической поверхности. Гофрированная поверхность обозначена пунктирной линией. С целью получения равных пиков давления, величина прогибов регулировалась в диапазоне 40 - 90 мкм. Азимутальное распределение давления показано на рис. 13. Обозначениями «гофрированное» сопло и «чистое» сопло представлены результаты при наличии гофров и без них. Цифрами 1, 2....8 обозначены местоположения максимального прогиба цилиндрической вставки. Под цифрами в рамке указана величина прогиба вставки в микронах и его азимутальное положение. На графике видно 8 чередующихся пиков и впадин одинаковой амплитуды, соответствующих продольным вихрям. Амплитудные спектры Фурье для «чистого» сопла и гофрированной поверхности показаны на рис. 14. Для гофрированной поверхности - максимум амплитуды спектра Ап= 0.045 (п0= 8), обертоны отсутствуют. На «чистом» сопле спектр без каких-либо выраженных азимутальных мод, максимум амплитуды равен Ап= 0.017 при По= 7. Амплитуда вынужденного возмущения превосходит уровень возмущений на дру-

гих волновых числах примерно в 5 раз. 11о сравнению с «чистым» соплом уровень возмущений для сопла с гофрами больше в 2.6 раз при По= 8.

В п. 4.4 проведено экспериментальное исследование продольных вихревых структур с помощью поперечной микроструи, вдуваемой в слой смешения основной струи. Микроструя подводилась через сужающееся сопло с внешним диаметром d= 5 мм и диаметром выходного сечения dj= 1.5 мм. Вдув производился по нормали к недорасширенной струе вблизи среза сопла. На рис. 15,а показана фотография основного сопла и устройства с микросоплом. Схематичное изображение микроструйной установки и основного сопла представлено на рис. 15,6. Давление в форкамере микроструйной установки P0j варьировалось и принимало значения P0j= 1.2, 2 и 4 ата. В экспериментах реализовывался вдув микроструй в основное течение с параметрами - Nprj= 1.33, 2.22 и 4.44 (Nprj= Pc/Рс, где Рс- давление в рабочей камере струйного модуля). При Nprj= 1.33 формировалась высокоскоростная дозвуковая микроструя, а при Nprj= 2.22 и 4.44 наблюдалось истечение сверхзвуковых микроструй со следующими газодинамическими параметрами: числом Маха на срезе Ма= 1 и нерасчетностью пр= 1.17 (P0j= 2 ата) и 2.35 (P0j= 4 ата).

Шлирен-фотография основной недорасширенной струи (пр= 2.64, Ма= 1, Red=2 21-Ю6) при наличии сверхзвуковой микроструи Nprj— 4.44 представлена на рис. 16. На шлирен-фотографии видны две волны, ассоциируемые со слабыми возмущениями в виде волн Маха, направленные от микроструи. Характерный радиальный профиль относительного давления представлен на рис. 17. Из рисунка видно, что с увеличением Nprj положение внутренней границы струи (точка максимума давления на рйсунке) смещается к оси, внешняя граница струи {P/P(f* 0.2) отодвигается. Толщина слоя смешения с>, определяемая как r2-ri (г,, г2 - внутренняя и внешняя границы слоя смешения струи) возрастает с ростом Nprj (рис. 18), и процесс смешения в месте воздействия микроструи происходит более интенсивно. Азимутальные распределения давления показаны на рис. 19. При <р=0° виден минимум давления, обусловленный воздействием микроструи, который соответствует угловому положению микросопла. Кроме того, реализуются два дополнительных минимума меньшей величины (рис. 19,а), соответствующие волнам Маха, распространяющимся в сверхзвуковой области слоя смешения струи. Найден угол, при котором распространяются волны Маха, составляющий а= 32°, которому соответствует число Маха М= 1.9. В результате взаимодействия микроструи и основной струи обнаружено 2 типа возмущений: основной след от микроструи, приводящий к деформации висячего скачка и смещению его к оси, и слабые возмущения в виде волн Маха. Интенсивность воздействия микроструи на недорасширенную струю возрастает пропорционально росту давления в форкамере микросгруйной установки.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы:

1. Экспериментально определена кривизна линий тока в слое смешения сверхзвуковой струи и показано ее существенное влияние на формирование и развитие продольных вихрей в слое смешения.

2. Отработана методика искусственной генерации стационарных продольных вихрей в слое смешения начального участка сверхзвуковых струй с помощью мик-ротабов, микрогофров и микроструй в контролируемых условиях при минимальной естественной шероховатости сопла. Выявлено, что в слое смешения сверхзвуковой струи наблюдаются искусственно созданные крупномасштабные вихри, обусловленные искусственными возмущениями.

3. Впервые проведены параметрические исследования влияния числа одинаковых микротабов на генерацию и развитие продольных вихрей в слое смешения струи. Исследован спектральный состав возмущений в слое смешения сверхзвуковой недорасширенной струи. Получено, что увеличение толщины микротаба ведет к пропорциональному увеличению амплитуды возмущений в слое смешения.

4. На основании детальных измерений распределения полного давления в поперечных сечениях сверхзвуковой недорасширенной струи выявлено, что на периферии наблюдается трансформация крупномасштабных искусственно созданных вихрей в вихри меньшего масштаба, в результате чего интенсивность основных и вторичных вихрей на внешней границе струи становится сопоставимой.

5. Исследована структура течения в сверхзвуковой струе при наличии искусственных возмущений в виде микроструи. В результате взаимодействия высоконапорной микроструи с основной сверхзвуковой струей может происходить деформация висячего скачка уплотнения в сверхзвуковой области слоя смешения струи и возникают слабые возмущения в виде волн Маха. Наиболее перспективным способом воздействия на струю с целью генерации продольных вихрей в начальном участке струи могут быть микроструи, вследствие полной контролируемости параметров создаваемого возмущения в струе.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Запрягаев В.И., Киселев Н.П., Солотчин A.B. Влияние пограничного слоя сопла

на характер развития продольных вихревых структур в слое смешения сверхзвуковой струи // Устойчивость течений гомогенных и гетерогеннных жидкостей' Тез. докл. междунар. конф. Новосибирск, 2001. С. 72-73.

2. Запрягаев В.И., Киселев Н.П., Солотчин A.B. Экспериментальное изучение структуры течения в начальном участке сверхзвуковой слабо недорасширенной струи // Устойчивость течений гомогенных и гетерогеннных жидкостей Тез. докл. междунар. конф. Новосибирск, 2001. С. 74-75.

3. Zapryagaev V I., Kiselev N.P., Solotchin A.V. Experimental investigation of the streamwise vortices in the mixing layer of the supersonic underexpanded jet // IUTAM Symposium on Turbulent Mixing and Combustion: Book of Abstracts Queen's University at Kingston, Canada, 2001. P. 187-189.

4. Запрягаев В.И., Киселев Н.П., Солотчин A.B. Продольные вихревые структуры на границе сверхзвуковой неизобарической струи // VIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике: Аннот. докл. Пермь, 2001 С 269- 270

5. Zapryagaev V I., Solotchin A.V., Kiselev N.P. Streamwise vortex structures in a supersonic jet shear layer // West East High Speed Flow Field Conference: Book of Abstracts. Marseille, 2002. P. 90-91.

6. Запрягаев В.И., Киселев Н.П., Солотчин A.B. Исследование структуры сверхзву-

ковой струи при изменении входного участка сопла // ПМТФ. 2002. №4 С. 58-64.

7. Запрягаев В.И., Киселев Н.П., Солотчин A.B. Продольные вихревые структуры в

слое смешения сверхзвуковой струи II Тез. докл. IV Междунар. конф. по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2002) / XIX Междунар. семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям. Санкт-Петербург, 2002. С. 31-33.

8. Zapryagaev V.I., Solotchin A.V., Kiselev N.P. Streamwise vortex structures in a shear

layer // Intern. Conf. Methods Aerophis. Research: Proc. Pt. II. Novosibirsk, 2002. P. 192-196.

9. Zapryagaev V.I., Pikalov V.V., Kiselev N.P., Nepomnyashchiy A.V. Combination in-

teraction of Taylor-Goertler vortices in curved shear layer of supersonic jet // I3lh Intern. Couette-Taylor Workshop "Nonlinear Dynamics in Fluids". Barcelona, 2003. P. 213-216.

10. Запрягаев В.И., Киселев Н.П. Генерация продольных вихревых структур в слое смешения сверхзвуковой струи // Проблемы механики: теория эксперимент и новые технологии: Тез. докл. III Всерос. конф. молодых ученых. Новосибирск, 2003. С. 25-26.

11. Запрягаев В.И., Киселев Н.П. Комбинационное взаимодействие азимутальных мод в слое смешения сверхзвуковой струи // Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогеннных жидкостей: Тез. докл. Междунар. конф. Новосибирск, 2004. С. 73-74.

12 Запрягаев В.И., Киселев Н.П., Павлов А.А. Влияние кривизны линий тока на интенсивность продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковых струй // ПМТФ. 2004. Т. 45, №3. С. 32-43.

13. Zapryagaev V. I., Kiselev N. P., Pickalov V.V., and Nepomnyashchiy A.V. Peculi-

arities Generation Streamwise Vortices in Supersonic Jet Shear Layer // Intern.

Conf. Methods of Aerophisical Research: Proc. Pt. IV. Novosibirsk, 2004. P. 324-329.

14. Zapryagaev V., Pickalov V., Kiselev N., Nepomnyashchiy A. Combination interaction of Taylor-Goertler vortices in a curved shear layer of a supersonic jet // Theoret. Comput. Fluid Dynamics. 2004. Vol. 18, № 2-4. P. 301-308.

15. Запрягаев В.И., Косинов А.Д., Киселев НП., Кавун И.Н. Экспериментальное исследование пространственно-временных возмущений в начальном участке сверхзвуковой недорасширенной струи // Матер. IV Междунар. школы-семинара Евпатория, 2004. С. 54-55.

16. Запрягаев В.И., Кавун И.Н., Касенбаев В.Ж., Киселев Н.П., Локотко А.В , Павлов А.А. Экспериментальные исследования пространственно-временной структуры сверхзвуковых струйных течений // Тез. докл. XX Междунар. семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям. Санкт-Петербург, 2004. С. 126-127.

17. Запрягаев В.И., Киселев Н.П. Влияние спектрального состава стационарных микронеровностей сопла на продольные вихри в слое смешения сверхзвуковой струи // Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогеннных жидкостей: Тез. докл. Молодежной конф. Новосибирск, 2005, С. 67-70.

18 Zapryagaev V., Pickalov V., Kiselev N., Nepomnyashchiy A. Origin of streamwise vortices in shear layer of supersonic jets // Proc. of the Fifth European Symp. on Aerothermodynamics for Space Vehicles. Cologne, 2005. P. 365-369.

19. Zapryagaev V., Kiselev N., Sobolev A. Mixing enhancement via generation of streamwise vortices in shear layer of supersonic jet // Papers from the East West High Speed Flow Field Conference. Beijing, 2005. P. 211-214.

20. Запрягаев В.И., Киселев Н.П., Пальчиков В.В., Соболев А.В., Солотчин А.В. Генерация продольных вихрей в сверхзвуковых струях и повышение эффективности эжекторов // IX Всерос.съезд по теоретической и прикладной механике: Аннот. докл. Т.2. Нижний Новгород, 2006. С. 289.

Рис, 1. Схематичное изображение продольных вихревых структур к начальном участке струи. 1 - сопло, 2 - диск Маха, 3 висячий скачок уплотнения, 4 - отраженный скачок, 5 - граница струи, 6 - продольные вихри.

Рис. 2. Схема течения (а) и шлирсн-фотография (б) в начальном участке сверхзвуковой недорасширенной струи при числе Маха на срезе сопла Ms= !. Степень нсрасчетности струи пр= 2.64, 1 - сопло, 2 - слой смешения толщиной &, I, II - внешняя и внутренняя границы слоя смешения, III - середина слоя смешения. IV - условная граница струи {число Маха вдоль этой линии постоянно, и равно М = I), 3 - диск Маха, 4, 5 - висячий и отраженный скачки уплотнения, 6 - слой сдвига, формирующийся за тройной точкой пересечения скачков уплотнения 3, 4, 5; 7 - веер волн разряжения; X//R„= 3,75 - длина первой ячейку! сгруи.

Рис. 3, Схема течения (а) и щлирен-фотографкя (б) в начальном участке сверхзвуковой перерасширенной струи при числе Маха па срезе сопла Ма= 2. Степень нерасчетное™ струи пр~ 0.64. \ - сопло, 2 - скачок сжатия; 3 - диск Маха; 4 - отраженный скачок; 5 - слой сдвига, формирующийся за тройной точкой пересечения скачков уплотнения 2,3,4; 6 - веер волн рачряжения; ! и II - внешняя и внутренняя граница слоя смешения, Ш - середина слоя смешения, д - толщина слоя смешения. IV - условная граница струи, x,/R„ = 1.84 длина первой «бочки» перерасширенной струн.

:i ij-x: ttoooo--U (XMJ7 -*0.U004 ' -0 0006.

Рис. 4. Кривизна линий тока для двух радиальных расстояний: а - М,= 1, нр= 2.64; б - Ма= 2, пр= 0.64. г, г} - радиусы, соответствующие положениям внутренней границы слоя смешения и середины слоя смешения.

2,7*10Л(А=-М мкм) 4Ме"(*-«0икм) S.3 4 Ш'( А-80 нкм)

Рис, 5. Схема сопла с мпкротабом, расположенным tía внутренней поверхности.

<ЛР>/Р

Ап

0 035 0 030 О 023 , 0 020 0015 0 010 0 005 0 000 -О 005

«Л?-20

»«-. 1 23

1- 40 мкм

2- * ■ 60 мкм

1 .. 3......... 3- 80 мкм

1 -

Рис. 6. Среднеквадратическое отклонение полного давления при наличии единичного искусственного возмущения.

Рис. 7. Фурье-спектр азимутальных распределений полного давления для сопла с одним микротабом.

р /р __

I о 2 °> гт.= 127■ у

Рис. 8. Азимутальные распределения относительного давления в середине слоя смешения струи при различном количестве микротабов по= 5, 10, 11 и 13.

Внутренняя граница струи

г/Па= 1.2

Рис. 9. Схема искусственно созданных продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковой недорасширеной струи на примере сопла с пятью микротабами.

Рис. 10. Зависимости Фурье-амплитуды Ап от азимутального волнового числа п для сопла с микротабами п0= 5,10, 11 и 13.

Рис. И, Распределение относительного полного давления но азимуту и слое смешения перерасширенной струи М,= 2 для сопла с микротабами 8 и для «чистого» сопла при r/Ra- 0.87.

гофрированная вставка

сопло М,= 1.0

Рис. 12. Схема сопла н гофрированной цилиндрической вставки.

" А

Ч>

Г'ии. ! 3. Азимутальное распределение относительною давления для «чистого»» сопла и гофрированной поверхности,

(1(11- I = 2 я, г Я' ! 21 {г ■ |Ччщ) \

0 04 - 1 [^"гофрированное" сопло

0 03-

оо:- 1 1 Чистое" сопло|

001-

ооо ■

« к) го №

1'пс. 14. Фурье-спектр, соответствующий «чистому» соплу и гофрированной поверхности в середине слоя смешения мс.траспшрсшюи струи

II -I :п<1

Микросоило

а 5

Рис. 15 Фотография (а) и схема (6) основного сопла и устройства с микросоплом.

Сопло Ма= 1

1Г>

Рис 16. Шлирен-фотографии основной недорасширснной струи при наличии микроструи Ырг= 4,44 (Р0р 4 ата).

Рис 17. Радиальный профиль давления в Рис 18. Толщина слоя смешения, сечении струи х/Лп = 1.5.

Рис. 19. Азимутальные распределения давления при наличии микроструи.

Ответственный за выпуск Н.П. Киселев

Подписано к печати 21.02.2007

Формат бумаги 60x84/16 Усл. печ. л. 1.0, Уч.-изд. л. 1.0 Заказ № 3, Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе ЗАО «ДОКСЕРВИС» 630090, Новосибирск-90, Институтская 4/1

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Киселев, Николай Петрович

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ

СМЕШЕНИЯ В СДВИГОВЫХ ТЕЧЕНИЯХ.;.

1.1 Методы интенсификации процессов смешения в сверхзвуковых струях.

1.2 Пространственная структура течения в слое смешения сверхзвуковой струи.

1.3 Постановка задачи.

Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ.

2.1 Вертикальная струйная установка ИТПМ СО РАН.

2.2 Струйный модуль гиперзвуковой аэродинамической трубы Т-326 ИТПМ СО РАН.

2.3 Автоматизированная система сбора и обработки экспериментальных данных.

2.4 Методика сбора и обработки экспериментальных данных.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3 СТАЦИОНАРНАЯ СТРУКТУРА СВЕРХЗВУКОВЫХ

СТРУЙ.

3.1 Структура течения в начальном участке сверхзвуковой неизобарической струи.

3.2 Экспериментальное исследование структуры сверхзвуковой струи при изменении геометрии входного участка сопла.

3.3 Влияние кривизны линий тока на интенсивность продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковых струй.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4 ГЕНЕРАЦИЯ ПРОДОЛЬНЫХ ВИХРЕЙ В СЛОЕ СМЕШЕНИЯ

СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУИ.

4.1 Экспериментальное исследование генерации продольных вихрей с помощью стационарного искусственного единичного возмущения.

4.2 Влияние различного количества искусственных микронеровностей на структуру сверхзвуковой струи.

4.2.1 Экспериментальные данные для сверхзвуковой недорасширенной струи Ма= 1.

4.2.2 Экспериментальные данные для сверхзвуковой перерасширенной струи Ма= 2.

4.3 Эксперимент с микрогофрированной поверхностью сопла.

4.4 Эксперимент с микроструей на начальном участке сверхзвуковой струи.

Выводы к главе 4.

Введение диссертация по механике, на тему "Экспериментальное исследование структуры течения в слое смешения сверхзвуковой струи при наличии продольных вихрей"

Изучение развития продольных вихревых структур было начато с того, что на шлирен-фотографиях сверхзвуковых недорасширенных струй видны чередующиеся продольные полосы. Причина их возникновения не была ясна.

Впервые возникновение продольных вихрей в области присоединения струи к внутренней поверхности канала было замечено при исследовании процесса истечения осесимметричной сверхзвуковой струи в соосный цилиндрический канал с внезапным расширением [1]. При трактовке результатов наблюдений высказана гипотеза о том, что «основной причиной образования продольных вихрей является потеря устойчивости пограничного слоя при резком его повороте, когда нарушается равновесие между центробежными силами и силами давления». Продольные вихревые структуры наблюдались также в зоне взаимодействия сверхзвуковой струи с жидкой поверхностью [2].

После чего с помощью приемника полного давления (трубки Пито) проведены измерения азимутального распределения давления в области, заключенной между висячим скачком и границей струи [3]. Эту область принято называть слоем смешения струи. В этой области сверхзвуковой струи происходит основной массообмен газа, истекающего из сопла и окружающим воздухом. В результате проведенных исследований выявлена существенная неоднородность в распределении давления в виде чередующихся пиков и впадин и выдвинута гипотеза о том, что эти полосы ассоциируются с вихрями типа Тейлора-Гертлера [4]. Вихревое движение усиливает массообмен струи с внешней средой, существенно изменяет азимутальные и радиальные распределения полного давления и числа Маха, а также оказывает влияние на конфигурацию границы струи. Недостаточная изученность обсуждаемых вопросов приводит к необходимости дальнейших исследований условий возникновения и трансформации трехмерных возмущений в слое смешения сверхзвуковой недорасширенной струи.

Азимутальные неоднородности проявляются в струях, истекающих из сопел разных размеров при различных газодинамических параметрах, что свидетельствует о достаточно широкой распространенности этого явления в струйных течениях. Изучение спектрального состава естественных возмущений, проведенное впервые [33] показало, что азимутальные неоднородности представляют собой суперпозицию разномодовых спектральных составляющих. Наблюдается затухание спектральных составляющих с большими волновыми числами, что связывается как с процессами укрупнения вихрей, так и с возможной диссипацией, физический механизм которой пока не изучен. Течение в области слоя смешения струи неустойчивое [79]. Эту неустойчивость принято называть неустойчивостью Тейлора - Гёртлера.

В работе дальнейшем подтверждена гипотеза о существовании продольных вихрей Тейлора - Гёртлера в слое смешения сверхзвуковой недорасширенной струи [5]. Особенность развития продольных вихрей в пространственном слое смешения струи заключается в том, что при увеличении расстояния от среза сопла происходит их укрупнение.

Необходимо отметить, что в это время работ по данной тематике практически не было. В работах [3,5,7] впервые были обнаружены продольные вихри Тейлора - Гёртлера в слое смешения начального участка сверхзвуковой недорасширенной струи, истекающей в затопленное пространство (воздух) при больших числах Рейнольдса.

Позднее продольные вихревые структуры также были обнаружены при помощи визуализации лазерным ножом в поперечных сечениях струи [5,6]. Для разреженных струй явление образования трехмерных особенностей на границе струи было подтверждено в работе [9] при визуализации течения с использованием явления флюоресценции.

Сверхзвуковая недорасширенная струя на начальном участке имеет максимальную кривизну линий тока, способствующую формированию продольных вихрей Тейлора-Гёртлера и если внести некоторое начальное контролируемое возмущение в струю, то оно будет способствовать усилению возмущений данного типа. На выходе в развитом слое смешения струи возникнут продольные вихри с заданной амплитудой и определенным спектральным составом. Начальное возмущение будет играть существенную роль в формировании продольных вихревых структур в слое смешения струи. Это позволило бы управлять процессами смешения в струе.

Данные факты позволили провести ряд работ по изучению структуры продольных вихрей с помощью искусственных микронеровностей, расположенных на внутренней поверхности сопла. Работы выполнены на вертикальной струйной установке в ИТПМ им. С.А. Христиановича СО РАН на сопле с микронеровностями в виде крупинок сферической формы диаметром 150 мкм, нанесённых на внутреннюю поверхность вблизи среза сопла на расстоянии 0,6-1 мм от его среза [10]. Проведены подробные измерения азимутальных распределений давления в продольных сечениях струи при различных степенях нерасчетности струи Р</Ри= 1-3, 1.71, 1.95, Ра -давление на срезе сопла, Ph- давление в окружающей среде и числа Рейнольдса, соответствующие этим нерасчетностям, вычисленные по диаметру среза сопла Red 10"6= 1.3, 1.71, 1.95. Получена зависимость относительной толщины слоя смешения 8' на границе струи от продольного расстояния х'. На срезе сопла пограничный слой можно считать ламинарным. Это основано на анализе данных по измерению числа Рейнольдса перехода от ламинарного режима течения к турбулентному равное (2-5)-106 [11]. Следовательно, переход происходит в слое смешения сверхзвуковой струи за счет развития стационарных возмущений в виде продольных вихрей Тейлора - Гёртлера, в котором и происходит дальнейший переход к турбулентному течению. В работе было подтверждено утверждение о существенной роли влияния начальных возмущений в виде шероховатости сопла на формирование и развитие продольных вихрей в начальном участке сверхзвуковой неизобарической струи на основе анализа спектральных характеристик. Но проблема заключалась в том, что продольные вихревые структуры, генерируемые микронеровностями, имели малую величину по размеру и не были явно выражены. Причина заключалась в большом уровне возмущений, вносимых инструментальной шероховатостью сопла и кривизной линий тока струи, которые должны при определенных обстоятельствах формировать интенсивные продольные вихри Тейлора-Гёртлера.

Исследование дозвукового слоя смешения при наличии существенных начальных трансверсальных возмущений, вводимых в поток с помощью дольчатого смесителя, выполнено в работе [12], где дан подробный анализ формирования и развития продольных вихрей в дозвуковом слое смешения. В [11] показано, что интенсивность продольных вихрей быстро уменьшается с удалением от источника генерации продольных структур.

Неустойчивость вихрей гертлеровкого типа существует и в дозвуковых течениях [95]. Причиной возникновения неустойчивости Тейлора-Гертлера в таких течениях является невязкий локальный механизм, обусловленный перегибами в мгновенных профилях средней скорости как в нормальном (варикозная мода) так и трансверсальном (синусоидальная мода) направлении.

В последнее время в работе [13] было показано чёткое влияние контролируемых стационарных возмущений на структуру струи. В этой работе была сделана попытка ответа на вопрос, что является определяющим фактором в процессе возникновения продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковой струи - шероховатость на срезе сопла или кривизна линий тока. Была выполнена оценка роли несовершенства изготовления сопла и сделано утверждение о том, что хотя кривизна может привести к пространственному усилению трехмерных возмущений в слое смешения струи, но это условие не может повлиять существенным образом на динамику их развития. Однако спектрального анализа формирования этих возмущений не было.

-10В работах [14-16] установлено, что шероховатости и локальные микронеровности внутренней поверхности сопла существенно влияют на процесс формирования азимутальных неоднородностей в слое смешения высокоскоростной струи. Физический механизм развития продольных вихрей в слое смешения определяется процессами, описываемыми в рамках теории гидродинамической устойчивости сдвигового течения, а также дополнительными факторами, обусловленными наличием кривизны линий тока на границе сверхзвуковой недорасширенной струи.

Таким образом, попытки ввести искусственные возмущения в виде шероховатости контролируемой величины, предпринимаемые ранее, указывали на существенное влияние естественной шероховатости сопла при формировании продольных вихревых структур в слое смешения сверхзвуковой струи.

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию структуры течения в слое смешения сверхзвуковой струи и поиску наиболее приемлемых способов воздействия на струю с целью генерации продольных вихревых структур.

Были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработаны методики измерения радиальных и азимутальных распределений давления. Создана система автоматизированного сбора данных на основе многофункциональной платы Advantech, включающая в себя азимутально-радиальный координатник, с блоком управления, позволяющий проводить измерения в струе по трем координатам продольной х, радиальной г и азимутальной <р, сопряженным с персональным компьютером. Изготовлены новые сопла с высоким качеством внутренней поверхности и числом Маха на срезе Ма= 1 и 2.

2. Уточнена стационарная структура сверхзвуковых струй Ма= 1 и 2. Определена толщина слоя смешения и создана методика экспериментального определения кривизны линий тока.

-113. Проведены экспериментальные исследования структуры сверхзвуковой недорасширенной струи Ма= 1.0 при изменении входного участка сопла и показано влияние нарастания толщины слоя.

4. Формирование продольных вихревых структур в слое смешения сверхзвуковой недорасширенной струи при наличии следующих типов стационарных контролируемых искусственных возмущений: микротабов, микрогофров и микроструй.

5. Проведено сопоставление полученных экспериментальных данных для сопла с микротабами, микрогофрами и микроструями с целью нахождения оптимальных способов воздействия на слой смешения сверхзвуковой струи. Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1. Исследована структура сверхзвуковой струи при наличии контролируемых искусственных возмущений и показано, что наиболее перспективным способом воздействия являются микроструи.

2. Отработаны различные способы генерации продольных вихревых структур в слое смешения струи с помощью искусственных возмущений различного типа, таких как микротабы, микрогофры и микроструи.

3. Проведены параметрические исследования влияния числа одинаковых микротабов на генерацию и развитие продольных вихрей в слое смешения струи. Выполнен спектральный анализ стационарных искусственных возмущений контролируемой величины, вводимых в поток.

На защиту выносятся:

- методика экспериментального исследования структуры сверхзвуковых неизобарических струй;

- результаты экспериментального исследования влияния искусственных возмущений на формирование продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковой струи.

Диссертация состоит из четырёх глав.

-12В первой главе описана актуальность изучения образования продольных вихревых структур в струе. Проведен обзор результатов исследований по улучшению процессов смешения и уменьшению уровня шума, генерируемого струй в результате формирования продольных вихревых структур при помощи искусственных возмущений, таких как гофры, шевроны, табы и струи. Описаны продольные вихревые структуры и особенности их пространственного развития.

Вторая глава посвящена описанию экспериментального оборудования, автоматизированной системы сбора и обработки экспериментальных данных, анализа погрешности измерений. В главе описаны две аэродинамические установки - вертикальная струйная установка ВСУ и гиперзвуковая аэродинамическая труба периодического действия Т-326, азимутально-радиальный координатник и новые сопла с высоким качеством внутренней поверхности (полированными). Описана технология проведения эксперимента и обработки полученных данных.

В третьей главе определяется структура сверхзвуковых струй Ма= 1 и 2 на начальном участке в пределах первой ячейки струи. Определено влияние толщины пограничного слоя в конвергентном сопле с цилиндрической вставкой. В главе описана методика вычисления кривизны линий тока и её влияние на развитие продольных вихревых структур в слое смешения сверхзвуковых струй Ма= 1 и 2.

В четвертой главе описаны экспериментальные методы генерации стационарных продольных вихревых структур с помощью контролируемых искусственных возмущений различного типа. Приводятся результаты экспериментального исследования влияние трёх типов искусственных возмущений - микротабов, микрогофров и микроструй. Проведен сравнительный анализ наиболее приемлемых и перспективных способов формирования продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковой струи.

-13В диссертации использованы экспериментальные данные, полученные помимо автора сотрудниками ИТПМ им. С.А. Христиановича СО РАН В.И. Запрягаевым, А.В. Солотчиным.

Основные результаты, содержащиеся в диссертации, опубликованы в работах [23,55-62,64-74,92], докладывались на следующих конференциях: «Устойчивость течений гомогенных и гетерогеннных жидкостей» (2001, 2004, г Новосибирск), молодежная конференция «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогеннных жидкостей» (Новосибирск, 2004, 2005), IUTAM Symposium on Turbulent Mixing and Combustion (Kingston, Canada, 2001), Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001, Нижний Новгород - 2006)), West East High Speed Flow Field Conference (2002 Marseille, France; 2005 Beijing, China), IV Международная Конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2002), Международный семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Санкт-Петербург, Россия, 2002, 2004), International Conference Methods Aerophisical Research - ICMAR (2002, 2004, Novosibirsk), International Couette-Taylor Workshop Nonlinear Dynamics in Fluids (Barcelona, 2003), Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики: теория эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, 2003), Международная школа-семинар (Евпатория, 2004), European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles - ESA (2005, Cologne, Germany).

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 00-01-00847 и 0201-00515.

Автор выражает благодарность научному руководителю, доктору технических наук Запрягаеву В.И. Автор признателен соавтору к.т.н. Сол отчину А.В. и коллективу лаборатории «Экспериментальной аэрогазодинамики» ИТПМ СО РАН за помощь в подготовке и проведении экспериментов.

Заключение диссертации по теме "Механика жидкости, газа и плазмы"

-117-Выводы к главе 4

1. Выявлено, что при проведении экспериментальных исследований по формированию продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковой недорасширенной струи единичным микротабом сопла полученные искусственные возмущения пропорциональны толщине микротаба.

2. Проведены экспериментальные исследования в слое смешения сверхзвуковой струи для сопла с различным количеством одинаковых микротабов на внутренней поверхности сопла. Выявлено, что для разных азимутальных волновых чисел п реализуется различный спектральный состав стационарных возмущений.

3. Найдено, что в слое смешения сверхзвуковой струи наблюдаются искусственно созданные крупномасштабные вихри, обусловленные дополнительным внешним воздействием. На периферии регистрируется трансформация крупномасштабных вихрей в вихри меньшего масштаба, интенсивность основных и вторичных вихрей на внешней границе струи становится сопоставимой.

4. Получены контролируемые стационарные продольные вихри малой амплитуды при проведении экспериментов в слое смешения сверхзвуковой перерасширенной струи Ма= 2. Микротабы позволяют формировать искусственные возмущения в сверхзвуковой перераширенной струе.

5. Показана возможность управления спектральным составом продольных вихревых структур. При сравнении двух серий экспериментов при наличии восьми микротабов показано, что в более позднем эксперименте получены более интенсивные продольные вихри, что связывается с большей неравномерностью начальных возмущений, формируемых микротабами.

6. В результате проведенных измерений с гофрированной цилиндрической вставкой с плавным изменением прогиба, использованной для генерации продольных вихрей в сверхзвуковой недорасширенной струе получен почти гармонический сигнал азимутальных распределений давления, соответствующих продольным вихревым структурам.

7. Проведены экспериментальные исследования в сверхзвуковой недорасширенной струе при наличии на срезе сопла искусственного возмущения в виде микроструи. В результате взаимодействия микроструи и основной струи обнаружено два типа возмущений: основной след от микроструи, который может приводить к деформации висячего скачка к оси струи, и слабые возмущения в виде волн Маха. Воздействие микроструи на основное течение возрастает с увеличением нерасчетности микроструи. Смешение происходит более интенсивно при наличии микроструи.

8. В результате проведенных экспериментальных исследований с искусственными возмущениями наиболее перспективным способом воздействия на струю с целью генерации продольных вихрей в начальном участке струи могут являться микроструи, вследствие удобства воздействия, простоты изготовления и полной контролируемости параметров.

-119-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

2. Отработана методика искусственной генерации стационарных продольных вихрей в слое смешения начального участка сверхзвуковых струй с помощью микротабов, микрогофров и микроструй в контролируемых условиях при минимальной естественной шероховатости сопла. Выявлено, что в слое смешения сверхзвуковой струи наблюдаются искусственно созданные крупномасштабные вихри, обусловленные искусственными возмущениями.

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата физико-математических наук, Киселев, Николай Петрович, Новосибирск

1. Глотов Г.В., Мороз Э.К. Продольные вихри в сверхзвуковых течениях с отрывными зонами. - Учёные записки, ЦАГИ, 1977, Т.8, N4.

2. Глотов Г.В. Модель брызгообразования при взаимодействии струи газа с жидкой ванной. Гидромеханика и теория упругости: Межвуз. науч. сб. -Днепропетровск, 1983 - Вып.ЗО.

3. Запрягаев В.И., Солотчин А.В. Пространственная структура течения в начальном участке сверхзвуковой недорасширенной струи. Новосибирск, 1988. (Препр./ Ин-т теорет. и прикл. механики СО РАН СССР; № 23-88).

4. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. Москва, изд-во «Наука» , 1969.

5. Запрягаев В.И., Солотчин А.В. Трёхмерная особенность структуры течения в сверхзвуковой недорасширенной струе // ПМТФ 1991. №4. С.42-47.

6. Novopashin S.A., Perepelkin A.L. Axial symmetry loss of a supersonic preturbulent jet // Phys. Lett. 1989. V. 135, N4/5. P.290-293.

7. Krothapalli A., Buzyna G., and Lourenco L., Streamwise vortices in an underexpanded axisymmetric jet. //Phisics of Fluids A, Vol.3, No. 8, 1991, P.1848-1851.

8. Arnette S.A., Samimy M., Elliott G.S. On streamwise vortices in high Reynolds number supersonic axisymmetric jets. // Phisics of Fluids A, Vol.5, No. 1,1993,P.187-202

9. Teshima K., Three-Dimensional Characteristics of Supersonic Jets. -Proceedings of 17-th Conf. on Rarefied Gas Dynamics, Aahen, BRD, 1990, P. 1042-1048.

10. MacCormic D.C., Bennett Jr J.C. Vortical and Turbulent Structure of a Lobed Mixer Free Shear Layer // AIAA J. 1994. V.32, N.9. P.1852-1859

11. Krothapalli A., Strykowski P.J., King C.J. Origin of in supersonic jets // AIAA J. 1999. V. 36, No. 5. P.869-872.

12. Запрягаев В.И., Солотчин A.B. Экспериментальное исследование влияния шероховатости сопла на продольные вихревые образования в сверхзвуковой струе // ПМТФ. 1997. № 5. С.86-96.

13. Запрягаев В.И., Солотчин А.В. Развитие продольных вихрей в начальном участке сверхзвуковой неизобарической струи при наличии микронеровностей внутренней поверхности сопла // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 1997. № 3. С.180-185

14. Глазнев В.Н., Запрягаев В.И., Усков В.Н. и др. Струйные и нестационарные течения в газовой динамике // Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 194с.

15. Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю. и др. Теория турбулентных струй // М.: Наука. 1984. 716с.

16. Шец Дж. Турбулентное течение. Процессы вдува и перемешивания // М.: Мир, 1984.

17. Gutmark E.J., Schadow K.S., Yu К.А. Mixing enhancement in supersonic free shear flows // Annu. Rev. Fluid Mech. 1995. V.27. P.375-417.

18. Liepman D., Gharib M. The role of streamwise vortices in near-field entrainment of round jets // J.Fluid Mech. 1992. V.245. P.643-667.

19. Waitz I.A., Greitzer E.M., and Tan C.S. Vortices in Aero-Propulsion Systems, in book S.E.Green (ed.) Fluid Vortices, 1995, P.471-532.

20. Sobolev A.V., Zapryagaev V. I., & Mal'kov4 V.M. Single-stage ejector with high compression ratio // Thermophysics and Aeromechanics. 2005. Vol. 12, No.l, P.141-150.

21. Zapryagaev V., Kiselev N., Sobolev A. Mixing enhancement via generation of streamwise vortices in shear layer of supersonic jet // Papers from the East West High Speed Flow Field Conference, Oct. 19-22, 2005 Beijing, China, P.211-214.

22. Hui Hu, Tetsuo Saga, Toshio Kobayashi and Nobuyuki Taniguchi. A study on a lobed jet mixing flow by using stereoscopic particle image velocimetry technique // Physics of fluids. 2001. Vol. 13, No. 11, P.3425-3441.

23. S.C.M. Yu, P.G. Koh. Experimental investigation of two-stream mixing flow with multiple tabs // AIAA J., Vol.39, No.6, June 2001, P.996-1005.

24. Collin E., Barre S. and Bonnet J.P. Supersonic mixing enhancement by radial fluid injection // Proc. of Euromech colloquium 403, Poitiers Futuroscope, France, 2-4 Nov. 1999, P.55-64.

25. Zaman К. В. M. Q., Reeder M.F. and Samimy M. Supersonic jet mixing enhancement by 'delta tabs' // AIAA paper 92-3548, July 1992.

26. Alkislar M.B., Krothapalli A., Choutapalli I., and Lourenco L. Structure of supersonic twin jets // AIAA Journal November 2005, Vol.43, No.l 1, P.2309-2318.

27. Huadong Lou, Farrukh S. Alvi, and Chang Shih. Active and passive control of supersonic impinging jets // AIAA Journal January 2006, Vol.44, No.l, P.58-66.

28. Sayed N., Mikkelsen K., Bridges J. Acoustics and thrust of quiet separate-flow high-bypass-ratio nozzles // AIAA Journal March 2003, Vol.41, No.3, P.372-378.

29. Новопашин С.А., Перепёлкин A.JI. Самоорганизация течения в сверхзвуковой предтурбулентной струе // Новосибирск, 1988, (Препр./ АН СССР, Сиб.отд.-е, ИТПМ; №175).

30. Liou W.W. Linear instability of curved free shear layers // Phys. Fluids A, Vol. 6, No. 2, February 1994, P.541-549.

31. Терехова Н.М. Продольные вихри в сверхзвуковой струе //ПМТФ.-1996.- №3, С.45-57.

32. Запрягаев В.И., Миронов С.Г., Солотчин А.В. Спектральный состав волновых чисел продольных вихрей и особенности структуры течения в сверхзвуковой струе // ПМТФ.-1993.-No.5, С.41-47.

33. Авдуевский B.C., Ашратов Э.А., Иванов А.В., Пирумов У.Г. Газодинамика сверхзвуковых неизобарических струй // М.: Машиностроение. 1989. 320 с.

34. Кутателадзе С.С, Новопашин С.А., Перепелкин А.Л., Ярыгин В.Н. Тонкая структура течения сверхзвуковой недорасширенной турбулентной струи // Докл. АН СССР. 1987 - Т. 295, №3. С.556-558.

35. Adamson T.G., Nichols J.S. On the structure of jet issuing from highunderexpanded nozzles into still air // J. of the Aero/Space Sciences. -1959. Vol. 26, No. 2.

36. Romeo D., Sterret J. Flow field for sonic jet exhausting counter to a hypersonic mainstream // AHA J. 1965. - P.544-546.

37. Боровой В.Я., Иванов B.B., Орлов А.А., Харченко В.Н. Визуализация пространственного обтекания моделей с помощью лазерного ножа // Уч. Зап. ЦАГИ. 1973. Т. 4, №5. С.42-49.

38. Авдуевский B.C., Ашратов Э.А., Иванов А.В., Пирумов У.Г. Сверхзвуковые неизобарические струи // М.: Машиностроение, 1985. -248 с.

39. Floryan J.M., Saric W.S. Wavelength selection and Gortler vortices // AIAA J.-1984. Vol. 22, No. 11.

40. Saric W.S. Gortler vortices // Annu. Rev. Fluid Mech. 1994. Vol. 26. -P.379-409.

41. Запрягаев В.И., Петров А.В., Солотчин А.В. Исследование неравномерности распределения скорости в слое смешения недорасширенной струи методом электроразрядного трассирования потока // ПМТФ. 2004. Т. 45, № 6. С.58-64.

42. Zheltukhin N.A., Terekhova N.M. Modelling of stationary longitudinal vorticity in initial section supersonic jet // Proc. Of the Int. Conf. on the Methods of Aerophysical Research. Pt. 2. Novosibirsk, Russia, 1992.

43. Zapryagaev V.I., Solotchin A.V. Experimental investigation of the nozzle roughness influence on streamwise vortices in supersonic jet // Proc. of Intern. Conf. Methods Aerophisical Research. Pt. 2. Novosibirsk, RUSSIA, 1994. P.242-247.

44. Зыков П.Г., Филатов A.M., Суетин П.Е. Измерение скорости газового потока методом многократного искрового пробоя // Приборы и техника эксперимента. 1976. №2. С. 195-197.

45. Рынков. В.Н., Топчиян М.Е. Прямые измерения скорости гиперзвукового потока методом электроразрядного транспортирования // Теплофизика и аэромеханика. 1999. Т. 6, № 2., С. 173-180.

46. Афонин Ю.Ф., Петров А.П., Наливайченко Д.Г. Применение многоканального генератора высоковольтных импульсов для визуализации и измерения скорости течения // Теплофизика и аэромеханика. 2002. Т. 9, № 1., С. 143-149.

47. Запрягаев В.И., Киселев Н.П., Солотчин А.В. Исследование структуры сверхзвуковой струи при изменении входного участка сопла // ПМТФ, 2002, №4., С.58-64.

48. Запрягаев В.И., Киселев Н.П., Солотчин А.В. Продольные вихревые структуры на границе сверхзвуковой неизобарической струи. Восьмой Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике // Аннотации докладов. Пермь. 2001г. 269-270с. 2 стр.

49. Zapryagaev V.I., Solotchin A.V., Kiselev N.P. Streamwise vortex structures in a supersonic jet shear layer // Book of Abstracts. West East High Speed Flow Field 2002 Conference. Marseille, France, April 22-26,2002. P.90-91.

50. Zapryagaev V.I., Solotchin A.V., Kiselev N.P. Streamwise vortex structures in a shear layer // Proc. of XI Intern. Conf. Methods Aerophisical Research, Pt. II, 3-7 July, 2002, Novosibirsk, RUSSIA, P. 192-196.

51. Дейч M.E. Техническая газодинамика // M.: Энергия, 1974.

52. Запрягаев В.И., Киселев Н.П. Комбинационное взаимодействие азимутальных мод в слое смешения сверхзвуковой струи // Тез. докл. межд. конф. «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогеннных жидкостей», Новосибирск, 2004г., 2 стр.

53. Запрягаев В.И., Киселев Н.П., Павлов А.А. Влияние кривизны линий тока на интенсивность продольных вихрей в слое смешения сверхзвуковых струй // ПМТФ, 2004, Т. 45, №3, стр. 32-43.

54. Zapryagaev, V.I. A method of mixing process control in a shear layer of a supersonic nonisobaric jet. Proceed. // Mechanics of Passive and Active Flow Control: Proc. of IUTAM Symp. / Eds. G.E.A. Meier and P.R.Viswanath), Kluwer, 1999. P.101-108.

55. Обзор ЦАГИ. Исследование течений с газовыми струями за 1953-1968 гг. Бюро науч.-техн. информ. Жуковский, 1969. №290.

56. Дулов В.Г., Лукьянов Г.А. Газодинамика процессов истечения // Новосибирск: Наука, Сиб отд-ние, 1984.

57. Глотов Г.Ф., Фейман М.И. Исследование параметров осесимметричных недорасширенных струй газа, истекающих в затопленное пространство // Учен. зап. ЦАГИ, 1971, Т.2, №4, С.69-75.

58. Глазнев В.Н., Сулейманов Ш. Газодинамические параметрыслабонедорасширенных свободных струй // Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1980.

59. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. Москва, «Наука», 1984.

60. Репик Е.У. Экспериментальное исследование структуры турбулентного пограничного слоя при наличии продольного градиента давления// Тр. ЦАГИ. 1970. Вып.1218. С.19-38.

61. Moretti P.M., Kays W.M. Heat transfer to a turbulent boundary layer with varying free-stream velocity and varying surface-an experimental study// Intern. J. Heat Mass Transfer. 1965. V.8, N9. P.l 187-1202.

62. Сергиенко А.Д., Грецов В.К. Переход турбулентного пограничного слоя в ламинарный// Докл.АН СССР. 1959. Т.125, №4. С.746,747.

63. Blackwelder F., Kovasznay S.G. Large-scale motion of a turbulent boundary layer during relaminarization // J. Fluid Mech. 1972. V.53, N 1. P.61-83.

64. Narasimha R., Sreenivasan K.R. Relaminarization in highly accelerated turbulent boundary layers// J.Fluid Mech. 1973. V.61, N3. P.417-447.

65. Репик Е.У. Экспериментальное исследование структуры турбулентного пограничного слоя при наличии продольного градиента давления // Тр. ЦАГИ. 1970. Вып.1218. С.19-38.

66. Войтович Л.Н. Влияние поджатая сопла на затухание турбулентных пульсаций // Изв. СО АН СССР, Сер. техн. наук. 1969. Вып.З, №13. С.24-31.

67. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1973.

68. Бетчов Р., Криминале В. Вопросы гидродинамической устойчивости, изд. «Мир», Москва, 1971г.

69. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика. Ч 2., изд. Физ.-мат. лит-ры, Москва, 1963г.

70. Бойко, А.В. Грек Г.Р., Довгаль А.В., Козлов В.В. Возникновение турбулентности в пристенных течениях. Новосибирск, изд. «Наука». Сиб. Предприятие РАН, 1999г. 328 с.х/А

71. Рис. 1.1. Зависимости параметра смешения Ы от продольной координаты х.1. 6.3Dкупим: scale 2:1

72. Рис. 1.3. Схема течения на выходе из дольчатого смесителя I2J.

73. Рис. 1.2. Схема установки эжектора с шевронами (а) и табами (б) 23.fluid vorticesк- * ч0.37Douter penetration angle1.be trough1. H-15mm

74. Рис. 1.4. Схема гофрированного осесимметричного сопла 24.301. Я 251 20 I15 105

75. О SO 100 150 200 230 300 350в

76. Рис. 1.5 Азимутальное распределение давления при наличии искусственныхвозмущений 13.

77. Рис. 1.6. Зависимость уровня звукового давления от частоты 28.

78. Рис. 1.7. Фотографии сверхзвуковых струй, натекающих на преграду 29.

79. Рис. 1.8. Фотографии сопел с табами и шевронами 30.а

80. Рис. 1.10. Схематичное изображение продольных вихревых структур в начальном участке струи, где цифрами обозначены: 1 сопло, 2 -диск Маха, 3 висячий скачок уплотнения, 4 - отраженный скачок, 5 - граница струи, 6 - продольные вихри.

81. Рис. 1.12. Зависимость распределения давления по азимуту (а) и радиусу (б).

82. Рис. 1.13. Визуализация течения с помощью метода искровых разрядов в начальном участке сверхзвуковой недорасширенной струи 47.

83. Рис. 1.14. Схемы течения в слое сдвига при наличии продольных вихрей 16.