Экспериментальные исследования сверхзвуковых течений газа с интенсивным тепловыделением

Глушнева, Александра Владимировна

Экспериментальные исследования сверхзвуковых течений газа с интенсивным тепловыделением тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Глушнева, Александра Владимировна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Экспериментальные исследования сверхзвуковых течений газа с интенсивным тепловыделением»

Автореферат диссертации на тему "Экспериментальные исследования сверхзвуковых течений газа с интенсивным тепловыделением"

ГЛУШНЕВА Александра Владимировна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

СВЕРХЗВУКОВЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА С ИНТЕНСИВНЫМ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕМ

Специальность 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

5 и;он 2014

005549635

Москва - 2014

005549635

Работа выполнена в Московском физико-технический институте (государственном университете).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита состоится

Сон Э.Е.,

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, зам. директора,

Объединенный институт высоких температур РАН, Москва.

Шиплюк А.Н., член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, зам. директора,

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича РАН, Новосибирск; Знаменска И.А.,

доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва.

Институт проблем механики

им. А.Ю. Ишлинского РАН, Москва.

2014 г. в ч. && мин. на

заседании диссертационного совета Д 002.110.03 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединенного института высоких температур РАН по адресу: 125412, Москва, Ижорская ул. 13, стр. 2, экспозал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.

Автореферат разослан « » ¿¿¿Зе^Р 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.110.03,

Д- т- н- Л.Б. Директор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Нестационарные газодинамические течения в каналах и соплах, несмотря на длительную историю их развития, до сих остаются недостаточно изученными. Новые средства измерений и программные инструментарии позволяют провести детальное изучение ранее не известных особенностей. В настоящей диссертации предметом исследования являются два типа нестационарных газодинамических течений - сверхзвуковое истечение из канала в результате энерговыделения и взаимодействие скачка уплотнения с турбулентным пограничным слоем при сверхзвуковом обтекании нагреваемой поверхности. Экспериментальные исследования нестационарных ударных волн, проведенные в ОИВТ РАН Т.В. Баженовой, Л.Г. Гвоздевой и В.В. Голубом [1], дают ответы на многие вопросы, но ряд задач, связанных с интенсивным энергоподводом, остается пока нерешенным ввиду чрезвычайной сложности вопроса. Экспериментальные и теоретические исследования нестационарных течений газа с омическим энерговыделением в разрядных камерах были инициированы прикладными задачами, связанными с разработкой и созданием молниезащитных устройств и ограничителей перенапряжений (ОПН) на основе искровых разрядных камер [2], которые являются одним из перспективных направлений высоковольтной электроэнергетики. Принцип действия ОПН на основе искровых разрядников заключается в пробое последовательно соединенных разрядных промежутков, образующих мультикамерную систему (МКС), при возникновении перенапряжения на высоковольтной линии, которое сопровождается истечением сверхзвуковой струи плазмы из канала камеры в атмосферу [2]. В искровых камерах молниезащитных устройств выделяется значительное количество энергии, что приводит к большим температурам струи и сверхзвуковому истечению из камеры. Другая особенность заключается в том, что характерное время протекания разряда сравнимо со временем истечения струи из камеры. Это отличает истечение из разрядной камеры от импульсных струй, моделируемых при помощи ударной трубы. В настоящей работе изучаются особенности формирования высокотемпературной импульсной струи в результате искрового разряда.

Фундаментальные исследования теплообмена в сверхзвуковом потоке газа с охлаждаемыми и нагреваемыми стенками, выполненные в работах С.С. Кутателадзе, А.И. Леонтьева [3] и других исследователей, привели к значительной завершенности проблемы, однако, в последнее время, появились методы снижения аэродинамического сопротивления с использованием тел или устройств, помещаемых перед головной частью летательного аппарата (ЛА).

Основная идея состоит в замене прямого скачка уплотнения на систему косых скачков, на которых потери полного давления меньше. Для этого перед затупленным телом помещают иглу, на острие которой образуется слабая ударная волна. Исследования показывают, что нагрев иглы выгодно сказывается на уменьшении сопротивления благодаря изменению зоны отрыва пограничного слоя. Для решения этой задачи необходимо исследовать влияние нагрева поверхности на отрыв турбулентного пограничного слоя. В настоящей работе экспериментально моделировалось двумерное течение на геометрии, содержащей нагреваемую плоскость с присоединенным к ней клином. Эта конструкция ниже называется рампой.

Цель диссертационной работы

Цель данной работы — исследование нестационарной сверхзвуковой высокотемпературной струи, истекающей из канала в затопленное пространство при интенсивном энерговыделении в канале, и исследование влияния нагрева поверхности на турбулентный пограничный слой при обтекании сверхзвуковым потоком плоскости с присоединенным клином.

Задача исследования импульсного истечения из канала разрядной камеры заключалась в определении влияния профиля выходного канала и энергии, выделившейся в искровом разряде, на динамику распространения ударной волны и высокотемпературной струи. Измеряемыми параметрами являлись: скорость распространения контактной поверхности струи, скорость газа в центре струи, размер вихревого кольца, диаметр ядра вихря и значение циркуляции в области вихревого кольца. Задача исследования рампы сверхзвуковым потоком заключалась в изучении влияния нагрева поверхности на протяженность зоны отрыва турбулентного пограничного слоя и на колебательные движения границ зоны отрыва.

Научная новизна

С помощью современных методов диагностики с высоким пространственным разрешением проведено исследование распространения вихревой структуры в процессе импульсного истечения высокотемпературной струи из канала разрядной камеры. Экспериментально обнаружено вторичное вихревое кольцо, формирующееся перед основным вихревым кольцом в импульсной струе и закрученное в том же направлении, что и основное вихревое кольцо. Изучено формирование и распространение вихревой структуры в результате нагрева газа электрическим разрядом в канале. Обнаружено убывание значения циркуляции в области вихревого кольца или системы вихревых колец (в случае двух вихревых колец) до момента отрыва

вихревого кольца. Обнаружено, что расширяющаяся геометрия канала способствует более раннему отрыву вихревой структуры от спутной струи, что позволяет сделать вывод о том, что в данном случае процесс аккумуляции энергии вихревой структурой происходит быстрее, чем в случае цилиндрического канала.

С помощью качественных и количественных методов диагностики исследовано взаимодействие скачков уплотнения с турбулентным пограничным слоем на нагретой поверхности. Определено, что увеличение зоны отрыва имеет линейную зависимость от отношения температуры поверхности к температуре набегающего потока. Показано, эффект увеличения зоны отрыва нельзя полностью объяснить с помощью теории свободного взаимодействия. Также показано, что при увеличении нагрева поверхности происходит перераспределение энергии между основными динамическими модами потока в сторону мод, отвечающих за колебательное движение отрывной зоны и скачка уплотнения. Показано, что нагрев поверхности способствует усилению колебания границ зоны отрыва.

Практическая значимость

Экспериментальное изучение структуры импульсной струи и эволюции параметров вихревой структуры в зависимости от энергии, вложенной в газ и геометрических параметров выходного канала представляют значительный научный интерес, позволяя проверить теоретические модели, описывающие процессы распространения ударных волн и формирования нестационарных струй в результате локализованного энерговыделения. Данные исследования также имеют практическую ценность для изучения влияния геометрии выходного канала на распространение струи и оптимизации конструкций мультикамерных разрядников, использующихся в нелинейных ограничителях перенапряжения (ОПН) на высоковольтных линиях.

Экспериментальное изучение отрыва турбулентного пограничного слоя на нагреваемой поверхности имеет научную значимость, так как полученные результаты позволяют скорректировать законы подобия для протяженности отрыва пограничного слоя в условиях неадиабатической поверхности и изучить влияние теплообмена на нестационарное взаимодействие скачка уплотнения с пограничным слоем.

Основные результаты, представляемые к защите

1. Результаты скоростной шлирен-визуализации распространения ударной волны и головной поверхности высокотемпературной импульсной струи, на основании которых получена зависимость распространения ударной волны и

головной поверхности струи от величины энергии, выделенной в разрядном промежутке.

2. Экспериментальная зависимость пространственно-временных характеристик вихревой структуры для различных типов каналов разрядной камеры (цилиндрического и расширяющегося канала).

3. Зависимость длины отрыва турбулентного пограничного слоя от отношения температуры стенки к температуре набегающего сверхзвукового потока при М=2.

4. Экспериментальные результаты визуализации методом PIV возвратного течения в зоне отрыва и в зоне присоединения турбулентного пограничного слоя.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях, в том числе: на международной конференции «Equation of State for Matter» (Эльбрус, 2012); на IX Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (Алушта, 2012); на международной конференции «Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter» (Эльбрус, 2013), на XVIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (Алушта, 2013), на 54 (Москва, 2011), 55 (Москва, 2012), 56 (Москва, 2013) Всероссийских конференциях МФТИ «Актуальные проблемы фундаментальных и прикладных наук», на 2-й Всероссийской научной конференция «Механика наноструктурированных материалов и систем». (Москва, 2013).

Личный вклад автора

Создание экспериментальной установки для изучения процесса импульсного истечения из канала разрядной камеры. Создание экспериментальной установки для исследования процесса взаимодействия скачка уплотнения с турбулентным пограничным слоем. Разработка и создание модели рампы с подогревающейся поверхностью и изменяемым углом наклона рампы к потоку. Отладка методик диагностики импульсного истечения и методик диагностики отрыва турбулентного пограничного слоя. Обработка и анализ полученных экспериментальных данных. Выступление на конференциях с результатами работы по теме диссертации, в том числе и на международных конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и списка цитируемой литературы (54 ссылки). Объем диссертации составляет 114 страниц. Работа содержит 62 рисунка.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах, включая 3 статьи (из перечня ВАК), 8 тезисов на тематических конференциях.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении отражена актуальность работы, обозначены основные цели работы, отмечена новизна исследования и практическая значимость, приведены основные положения диссертации, выносимые на защиту, и описана структура диссертации.

В главе 1 приводится анализ нестационарных задач высокотемпературной газовой динамики с импульсным мгновенным и распределенным во времени энерговыделенями. Рассмотрена постановка задач, методы решения в общем случае интенсивного энерговыделения. В качестве прикладной задачи в области электроэнергетики рассмотрена проблема разработки новых типов ограничителей перенапряжений на основе разрядников с мультикамерной системой.

Импульсная струя состоит из тороидальной вихревой структуры (вихревого кольца) и спутной струи за ней. Вихревое кольцо характеризуют следующие параметры: радиус кольца Я, радиус поперечного сечения ядра вихря а, циркуляция вихревого кольца Г, поступательная скорость IV, величина импульса Р и энергия Е [4]. Исследования высокотемпературных струй [1] показывают, что температурный фактор влияет на структуру импульсной струи. Для импульсных струй, формирующихся в результате нагрева дуговым разрядом, время энерговклада сравнимо по порядку величины со временем истечения струи из канала, что влияет на характер распространения струи и ударной волны. Сложности теоретического описания распространения струи связаны с тем, что доля энергии, выделяемая в кинетическую энергию струи в канале не определена. Энергия затрачивается на испарение электродов, на излучение, на диссоциацию и ионизацию, а также на кинетическую энергию потока и образование ударной волны.

Распространение ударной волны внутри канала можно рассчитать с помощью модифицированного метода х-1 диаграмм [5]. Связь плотности с давлением в общем случае можно определить через уравнение неразрывности и

уравнение энергии, которое в данном случае записывается в виде уравнения для энтропии:

& <Э.у 2

Т(--ьи—) = аЕ ,

5/ дх

здесь 5 — удельная энтальпия, а — электропроводность плазмы в зоне разряда, Е — электрическое поле в области разряда. Используя приближение локального химического и термодинамического равновесия, плотность можно определить через давление и энтропию: р = р(р^). С помощью термодинамического выражения уравнение неразрывности преобразуется к следующему виду:

раДЗ/ дх) 1 дх у р 1,5/ дх) ( '

Комбинируя полученное уравнение неразрывности (1) с уравнением движения Эйлера, получаем новые инварианты, зависящие в каждой точке пространства от энерговыделения аЕ1 в области разряда. Это приближение при известной зависимости электропроводности плазмы от плотности и распределения электрического поля в пространстве замыкает решение задачи в области энерговыделения. Задача сводится к задаче распада разрыва в ударной трубе, если считать, что:

1) энерговклад происходит мгновенно и идет только на возбуждение поступательной степени свободы частиц газа (нагрев газа);

2) объем области энерговыделения не зависит от значения энергии, не учитывается радиационный перенос энергии.

В этом случае зависимость числа Маха ударной волны от отношения температуры в области разряда к температуре в невозмущенной области аппроксимируется линейной функцией: М, = 0,6т + 0,4, где х = ^Т4/Т1 ~ л[Е. При учете процессов дополнительного расхода энергии на диссоциацию, разрушение электродов, электромагнитное излучение, зависимость скорости ударной волны от энергии, выделившейся в разрядном промежутке, будет более слабой. Приближенную зависимость скорости ударной волны от времени и расстояния от точки разряда можно оценить используя задачу о сильном взрыве в одномерном случае. Расстояние, которое проходит ударная волна зависит от времени, плотности невозмущенного воздуха и энергии, выделившейся в разряде х = /(/, Е, р). Зависимость положения ударной волны и скорости ее распространения от времени определяется следующими выражениями [7]:

(Е Л 1р )

Е_ р<)

Также в главе 1 приведен анализ работ по изучению взаимодействия пограничного слоя с ударной волной. Критерий отрыва пограничного слоя в случае продольного градиента давлений выводится из теории свободного взаимодействия, полагающей, что на параметры отрыва влияют только параметры натекающего пограничного слоя в точке отрыва и. Критерием отрыва является отношение давления за точкой отрыва к давлению внешнего потока. Зависимость длины отрыва турбулентного пограничного слоя от числа Рейнольдса экспериментально выведена в [8]. Влияние теплообмена на критерий отрыва турбулентного пограничного слоя получено в [7, 8]. В [9] выведена и экспериментально подтверждена зависимость критерия отрыва от числа Маха и температурного фактора. Взаимодействие турбулентного пограничного слоя со скачком уплотнения носит нестационарный характер. Известно, что имеют место низкочастотные колебания положения скачка уплотнения и зоны отрыва [10]. Одна из гипотез, объясняющих низкочастотные колебания зоны отрыва относится к когерентным структурам, возникающим в натекающем пограничном слое. Нагрев пограничного слоя способен усилить пульсации в пограничном слое, что приведет к соответствующему увеличению колебания зоны отрыва и скачка уплотнения. В данной работе было экспериментально исследовано влияние теплообмена на отрыв и колебания турбулентного пограничного слоя.

В главе 2 описано экспериментальное оборудование для изучения импульсного истечения высокотемпературной струи. Установка состоит из разрядной камеры, соединенной каналом с атмосферой. На дне канала располагаются электроды. Электроды подсоединены к конденсаторной батарее емкостью 25 мкФ, которая заряжается высоковольтным источником. Пробой инициируется с помощью третьего электрода расположенного между силовыми электродами ближе к катоду. Энергия, запасенная в конденсаторах, варьировалась в диапазоне от 40 до 450 Дж. Для изучения влияния геометрии канала на параметры струи были выбраны два типа разрядных камер: камера с цилиндрическим каналом и разрядная камера с расширяющимся каналом.

Также в главе 2 описана установка для изучения обтекания нагретой поверхности сверхзвуковым потоком, которая состояла из аэродинамической сверхзвуковой трубы СТ-4 и рампы, помещенной на выходе из сопла в рабочей камере (рис. 1). Геометрия сопла трубы рассчитана на сверхзвуковой поток с числом Маха М=2, что соответствует скорости потока 520 м/с и статистическому давлению струи р = 0,15 атм. Рампа состоит из двух стальных пластин, которые крепятся под углом друг к другу, так, что первая пластина располагается параллельно потоку, а вторая - под углом к нему. Крепление позволяет менять угол между ними. Нагрев осуществляется с помощью

электронагревателей, расположенных внутри пластин. Для измерения температуры поверхности применяются термопары, измеряющие концы которых подведены снизу через отверстия в пластинах.

Рис. 1. Схема вакуумной сверхзвуковой аэродинамической трубы СТ-4: 1 - пневмозадвижка; 2 - ресивер; 3 - сопло Лаваля; 4 - рабочая камера; 5 - рампа; 6 - окно для оптической реги-страции; 7 - вход в диффузор; 8 - диффузор; 9 ~ вакуумный затвор; 10 - привод вакуумного затвора; 11 - газгольдеры; 12 - лабораторные автотрансформаторы

Также в главе 2 приводится описание диагностической аппаратуры и методики проведения экспериментов. Визуализация осуществлялась теневым методом диагностики. Для визуализации распространения струи и ударной волны применялись два режима съемки: с разрешением 1024x16 пикселей, скоростью съемки 200000 кадров в секунду без задержки относительно разряда с разрешением 1024x720 пикселей, скоростью съемки 5400 кадров в секунду и вариацией задержкой относительно разряда в диапазоне 0,000-180,000 мкс. Для количественного исследования структуры струи применялся метод Particle Image Velocimetry (PIV), позволяющий получить мгновенную картину полей векторов скоростей потока.

В главе 3 описаны основные результаты исследования импульсного истечения высокотемпературной струи из разрядной камеры. Диаграммы скорости распространения ударной волны из разрядной камеры, полученные с помощью теневого метода, показали, что скорость распространения ударной волны на выходе из камеры меняется в диапазоне 800-1600 м/с в зависимости от энергии, выделившейся в разрядном промежутке (рис. 2). Если энергия, выделившаяся в разрядном промежутке, не превышает 40 Дж, распространение ударной волны по каналу камеры можно приближенно, без учета конечности диаметра канала, описать формулами сильного взрыва (2). При больших энергиях это приближение дает заниженный результат скорости по сравнению с экспериментом. Аналитическая зависимость получена с помощью формул для сильного взрыва и экспериментальных данных о положении ударной волны на выходе из канала в момент времени / = 24,5 мкс от начала разряда. Положение ударной волны отсчитывается от дна канала. Расхождение может быть

объяснено тем, что приближение мгновенного взрыва не учитывает взаимодействие ударной волны и распространяющейся за ней струи газа. Взаимодействие струи и ударной волны является следствием того, что время разряда (-100 мкс) сравнимо со временем истечения струи. Таким образом, струя в процессе истечения продолжает получать энергию от разряда. Для больших значений энергии это приводит к распространению слабых ударных волн от струи, которые догоняют первичную ударную волну. Такое взаимодействие выражается в локальных максимумах значения скорости распространения ударной волны для больших значений энергии. Сравнение диаграмм скорости распространения головной части струи из цилиндрического и расширяющегося каналов (рис. 3) показывает, что на стадии до -50 мкс распространение головной части струи происходит быстрее в случае истечения из расширяющегося канала. Этот эффект объясняется тем, что расширяющийся канал представляет сверхзвуковое сопло, поэтому на выходе из расширяющегося канала скорость газа выше в начальный момент времени.

1200 юоо 800

¿ 600

ü р

g 400

200 0

.1 Г1т 1

■"Wti

i s}! |i i .

%ПИП ! 1

20 40

100

200 300 Время, мкс

100 120 140 160 180 200 Энергия, Дж

Рис. 2. Скорость ударной волны на выходе из канала от энергии, вложенной в разрядный промежуток

Рис. 3. Временная зависимость скорости головной части струи: 1 - для цилиндрического канала; 2 - для расширяющегося канала

Анализ полей векторов скоростей позволил определить эволюцию параметров вихревой структуры (рис. 4). Скорость струи в центре вихревого кольца на момент 200 мкс от начала разряда в 3 раза превышает скорость распространения вихревого кольца, поэтому струя газа проходит через середину кольца и образует вихревые структуры перед ним. Взаимодействие спутной струи и вихревого кольца приводит к росту диаметра вихревого кольца D и ядра d. Отношение d/D не меняется на наблюдаемом промежутке времени и составляет для цилиндрического и расширяющегося каналов -0,5 и ~0.4 соответственно. Значение циркуляции в области вихревого кольца Г падает до завершения отрыва вихревого кольца. Отрыв вихревого кольца от спутной

струи происходит, когда скорость газа в струе за вихревым кольцом становится меньше скорости вихревого кольца. Согласно мгновенным полям завихренности процесс отрыва завершается к моменту 400 мкс и 500 мкс для случая расширяющегося канала и цилиндрического канала соответственно. После отрыва диаметр и циркуляция вихревого кольца в случае расширяющегося канала не изменяются. Скорость распространения вихревого кольца после отрыва составляет ~50 м/с.

11 10 . 9 5 8 1 7 6 5

200 300 400 500 600 700 t, мкс

200 300 400 500 600 700 t мкс

- // i —'—

- А* / 2 —«—

■ i i i i i

200 300 400 500 600 700 t, мкс

Рис. 4. Эволюция параметров в области вихревого кольца: 1 - цилиндрический канал; 2 - расширяющийся канал

При истечении из расширяющегося канала вихри, образующиеся перед основным вихревым кольцом, могут сформировать новое вихревое кольцо, которое находится перед ним и закручено в том же направлении, что и основное кольцо. В этом случае суммарное значение циркуляций обоих колец близко к значению циркуляции в случае единичного кольца. Профиль завихренности в плоскости вихревого кольца показывает, что распределение завихренности в ядре вихря имеет вид распределения Гаусса. На основывании характера распределения завихренности и предположения об адиабатическом движении вихревого кольца после отрыва, получено распределение плотности в ядре вихревого кольца и определено значение энергии вихревого кольца после отрыва. Среднее значение плотность в центре ядра составляет 1,086 кг/м3 (0,905 роо) для цилиндрического канала и 0,932 кг/м3 (0,776 р„) для расширяющегося канала. Следовательно, при истечении из расширяющегося канала в центре ядра вихря после отрыва газ более разреженный. Значение

энергии для расширяющегося канала составляет 0,442 Дж, для цилиндрического - 0,269 Дж.

В главе 4 приведены результаты исследования движения сверхзвукового потока газа у нагретых тел.

В экспериментах с помощью Шлирен метода были получены теневые картины течения для клина с углом наклона а 15, 20, 23, 30° на нагретой поверхности. Получена зависимость длины зоны отрыва турбулентного пограничного слоя Ь5 - кратчайшего расстояния от точки отрыва пограничного слоя до точки присоединения пограничного слоя, - от отношения температуры стенки к температуре набегающего потока воздуха Ти/Тт (температурного фактора). Длина зоны отрыва Д, определялась по шлирен-фотографиям. В экспериментах с нагретой поверхностью рампы отношение температуры стенки к температуре набегающего потока воздуха менялось в диапазоне Тч/Т„=2-3. Для эксперимента без нагрева 7,и/7"«,=1,8. Зависимость длины нормированной на толщину невозмущенного натекающего пограничного слоя 5, от температурного фактора при различных углах наклона клина

представлена на рис. 5. Исходя из закона подобия, выведенного в [8] и значения числа Рейнольдса для пограничного слоя на рампе Ые5 = 104, длина отрыва равна:

где р2 ~ давление в зоне отрыва, рз — давление за точкой присоединения отрывной зоны к поверхности клина. Давление р2 определяется исходя из критерия отрыва, определенного в [9].

где \ - параметр, определяющий близость пограничного слоя к отрыву. На рис. 5 приведена зависимость длины отрыва для углов 15 и 20°, вычисленная исходя из выражений (3) и (4). При увеличении температурного фактора теоретическая зависимость дает заниженное значение длины отрыва по сравнению с экспериментальной зависимостью. Расхождение теории и эксперимента можно объяснить тем, что на длину отрыва влияют также параметры пограничного слоя в точке присоединения, которые в теории свободного взаимодействия не учитываются. Влияние температурного фактора на присоединяющийся пограничный слой подтверждаются увеличением длины восстановления пограничного слоя, измеренной с помощью Р1У. При увеличении с 1,8 до 3,11 длина восстановления присоединенного

пограничного слоя возрастает от 5 до 9,5 мм. Если ввести в соотношение (3)

(3)

коэффициент К=0,6 TJTX, то соотношение лучше удовлетворяет экспериментальным данным для неадиабатической поверхности.

С помощью метода PIV были получены усредненные поля векторов скоростей обтекания рампы с углом 30°. Для поверхностей с Г„/Г»=2,77 и 3,11 в зоне отрыва присутствует область возвратного течения с максимальной скоростью ~0,1 Uoo- Мгновенные поля скоростей в некоторые моменты времени показывают наличие зоны возвратного течения для ТУТ«,=1,8, но при усреднении в зоне отрыва нет возвратного течения. Поля среднеквадратичного отклонения скорости показывают увеличение амплитуды колебаний границ отрывной зоны при возрастании TJ1

Был проведен анализ серий из 300 мгновенных полей векторов скоростей с помощью метода POD (Proper Orthogonal Decomposition). Согласно полученным результатам около 60 % «энергии» сосредоточено в первых 5-и пространственных модах (рис. 6). Первая и вторая пространственные моды относятся к колебательным движениям зоны отрыва. Для нагретой поверхности с 7,„/Г<0=2,77 и 3,11 на первую моду приходится энергия порядка -40 %. Нагрев поверхности увеличивает значение «энергии» для мод, отвечающих за колебание отрывной зоны. Таким образом, нагрев приводит к увеличению колебаний границ зоны отрыва.

2 3 4 номер моды

Рис. 5. Зависимость безразмерной длины отрыва от температурного фактора:

I, 2 - экспериментальные значение для углов 15' и 20' соответственно; 3, 4 - теоретические

значения для углов 15° и 20° соответственно

Рис. 6. Распределение энергии по динамическим модам: 1 - 7УГ«=1.8; 2 - ТЛт=2,П\ 3 - ГУГ„=3,11

В Заключении приведены следующие основные выводы диссертационной работы.

1. Получены экспериментальные данные по скоростной шлирен-визуализации распространения ударной волны и головной поверхности высокотемпературной импульсной струи, построена зависимость скорости

ударной волны на выходе из канала от величины энергии, выделенной в разрядном промежутке. Диаграммы, полученные на основе шлирен-визуализации, показывают, что распространение контактной поверхности происходит быстрее в случае истечения из расширяющегося канала.

2. Методом PIV получены динамические картины процесса эволюции вихревой структуры в головной части импульсной струи и количественные данные по возникновению завихренности в сверхзвуковой затопленной струе. Обнаружено образование второго вихревого кольца в случае истечения из расширяющегося канала. Показано, что завихренность в ядре вихревого кольца распределена по закону Гаусса. Исходя из экспериментальных данных, получено распределение плотности и рассчитана энергия вихревого кольца после отрыва.

3. Экспериментально найдены временные зависимости пространственных характеристик вихревых структур для цилиндрического и расширяющегося каналов разрядной камеры. Обнаружено, что циркуляция в области вихревого кольца уменьшается до момента отрыва.

4. Получены результаты шлирен-визуализации процесса взаимодействия турбулентного пограничного слоя со скачком уплотнения. Найдена зависимость длины отрыва турбулентного пограничного слоя от отношения температуры стенки к температуре набегающего потока. Показано, что влияние нагрева поверхности нельзя описать теорией свободного взаимодействия.

5. Методом PIV получена картина течения в зоне отрыва и присоединения турбулентного пограничного слоя. Показано влияние нагрева поверхности на профиль скорости в присоединенном пограничном слое. Проведен анализ полей скоростей, в результате которого определено, что увеличение температурного фактора приводит к усилению колебания границ зоны отрыва.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Глушиева A.B., Савельев A.C., Сон Э.Е. Экспериментальное исследование импульсного истечения высокотемпературного газа из разрядной камеры с цилиндрическим и расширяющимся каналом // ТВТ. 2013. Т. 51. № 3. С. 381391.

2. Глушнева A.B., Савельев A.C., Сон Э.Е. Взаимодействие скачка уплотнения с турбулентным пограничным слоем на нагретой поверхности // ТВТ. 2013. Т. 51. №6. С. 891-896.

3. Glushniova A.K, Saveliev A.S., Son E.E., Tereshonok D.V. ShockWave-Boundary Layer Interaction on the Non-adiabatic Ramp Surface // High Temperature. 2014. Vol. 2. P. 221-225.

4. Глушнева A.B., Сои Э.Е. Исследование истечения нагретого газа из канала цилиндрического профиля // Труды 54-й научной конференции МФТИ, г. Долгопрудный, 2011. С. 70-71.

5. Glushniova А. V., Saveliev A.S. Experimental study of gas outflow from discharge chambers//Equations of State for Matter. Elbrus, 2012. P. 156-157.

6. Glushniova A. V., Saveliev A. S., Son E.E., Tereshonok D.V. Investigation of Gas Outflow from Discharge Chambers with Different Channel Geometry // Тезисы на IX Международную конференцию по неравновесным процессам в соплах и струях. Алушта, 2012. С. 158-160.

7. Глушнева А.В., Сон Э.Е. Исследование взаимодействия нагретого пограничного слоя и ударной волны образованной при обтекании клина сверхзвуковым потоком // Труды 55-й научной конференции МФТИ, г. Долгопрудный, 2012. С. 85-86.

8. Glushniova A.V., Saveliev A.S., Son Е.Е. Experimental investigation of shock wave/boundary layer interaction in heated ramp surface // Interaction of Intense Fluxes with Matter. Elbrus, 2013. P. 91.

9. Глушнева A.B., СавельевA.C., Сон Э.Е. Исследование взаимодействия ударной волны с пограничным слоем при обтекании сверхзвуковым потоком нагретой рампы // Тезисы на XVIII Международную конференцию по вычислительной механике и современным прикладным программным системам. Алушта, 2013. С. 545-546.

10.Глушнева А.В., Савельев А.С., Сон Э.Е, ТерешонокД.В. Исследование взаимодействия турбулентного пограничного слоя с ударной волной в условиях интенсивного теплообмена // Труды 56-й научной конференции МФТИ, г. Долгопрудный, 2013. С. 51-52.

1\.Глушнева А. В., Савельев А.С., Сон Э.Е., ТерешонокД.В. Исследование взаимодействия турбулентного пограничного слоя с ударной волной в условиях интенсивного теплообмена // Тезисы на 2-й всероссийской научной конференции Механика наноструктурированных материалов и систем. Москва, 2013. С. 110.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Голуб В.В., Баженова Т.В. Импульсные сверхзвуковые струйные течения. -М: Наука, 2008. 279 с.

2. Подпоркин Г.В., Енькин Е.Ю., Калакутский Е.С., Пильщиков В.Е., Сиваев А.Д. Грозозащита BJI 10-35 кВ и выше при помощи мультикамерных

разрядников и изоляторов-разрядников // Электричество. 2010. Т. 10. С. 11-

3. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. - М.: Энергоатомиздат, 1985. 320 с.

4. Gharib M., RambodE., ShariffK. A universal time scale for vortex ring formation //J. Fluid Mech. 1998. Vol. 360. P. 121-140.

5. SonE.E. Application of Riemann invariants to non-adiabatic ID flows // Equations of State for Matter. Elbrus, 2014. P. 92-92.

6. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. - М: Наука, 1966. 688 с.

7. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. - М.: Наука, 1977. 440 с.

8. Zheltovodov А.А., Shilein Е.К., Horstman С.С. Development of Sepatation in the Region Where a Shock Interacts With a Turbulent Boundary Layer Perturbed by Rarefaction Waves //Appl. Mech. Tech. Phys. 1993. Vol. 5. № 3. P. 346-354.

9. Захаров H.H. Влияние теплообмена на отрыв турбулентного пограничного слоя // труды ЦИАМ. 1971. Т. 507. С. 70-84.

10.Поливанов П.А., Сидоренко А.А., Маслов А.А. Корреляционные исследования пульсаций при взаимодействии ударной волны с турбулентным пограничным слоем // МЖГ. 2010. Т. 36. № 3. С. 23-30.

18.

ГЛУШНЕВА Александра Владимировна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

СВЕРХЗВУКОВЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА С ИНТЕНСИВНЫМ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕМ

Автореферат

Подписано в печать 15.05.2014

Печать офсетная

Тираж 100 экз._

Уч. — изд. л. 1.0

Заказ № 133

Формат 60x84/16 Усл.-печ.л. 0,93 Бесплатно

ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., 13, стр. 2

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата физико-математических наук, Глушнева, Александра Владимировна, Москва

Московский физико-технический институт (государственный

университет)

04201459227 ГЛУШНБВА Александра Владимировна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

СВЕРХЗВУКОВЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА С ИНТЕНСИВНЫМ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕМ

Специальность 01.02.05 - «Механика жидкости, газа и плазмы» Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Научный руководитель: Член-корр. РАН д.ф.-м. н.,

Э.Е. Сон

Москва-2014

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................14

1.1. Нестационарное истечение из канала разрядной камеры.....................................................14

1.2. Взаимодействие пограничного слоя с ударной волной..........................................................24

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ........................................41

2.1. Устройства для получения искрового канала внутри разрядных камер............................41

2.2. Синхронизация...........................................................................................................................43

2.3. Модели разрядных камер..........................................................................................................46

2.4. Модель нагревающейся рампы................................................................................................48

2.5. Сверхзвуковая аэродинамическая труба СТ-4.......................................................................50

2.6. Шлирен-визуализация течения................................................................................................53

2.7. Particle Image Velocimetry..........................................................................................................58

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА ПРИ НАЛИЧИИ ЭНЕРГОПОДВОДА....................................................................75

3.1. Исследование распространения ударной волны из канала разрядной камеры..................75

3.2. Исследования истечения нагретого воздуха из канала разрядной камеры.........................79

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТРЫВА ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ПРИ НАЛИЧИИ ТЕПЛОПОДВОДА.........................................................94

4.1. Исследования методом Шлирен...............................................................................................94

4.2. Исследование методом PIV......................................................................................................100

ВВЕДЕНИЕ

Изучение процессов с интенсивным теплообменом представляет огромный интерес, так как большинство процессов происходят не в теплоизолированной среде. Интенсивный теплообмен оказывает существенное влияние на протекание газодинамических процессов, таких как формирование струй и обтекание тел. Особый интерес представляет теплообмен в сверхзвуковых потоках, так как количество энергии, которое может существенно повлиять на сверхзвуковой поток должно быть сравнимо с энергией данного потока.

Явления можно разделить на процессы с мгновенным энергоподводом и на процессы с постепенным энергоподводом. Процессы с мгновенным энергоподводом характеризуются быстрым выделением большого количества энергии за короткий промежуток времени, то есть время выделения энергии как минимум на порядок меньше характерного времени процесса. Процессами с мгновенным энергоподводом являются взрывы и искровые разряды. В ходе взрывов огромное количество энергии (порядка 1000 Дж) выделяется в небольшом объеме за короткий промежуток времени -10" с. Полученная средой энергия тратится на излучение, химические процессы, нагрев и распространение газа. Аналогичные процессы происходят в результате искровых разрядов. Энергия, накопленная в результате разделения разрядов, высвобождается в небольшом объеме за характерное время

10"5 с. В результате

возникает ударная волна, которая увлекает за собой нагретый и ионизированный газ. Если взрыв является, как правило, техногенным, то искровые пробои - молнии происходят в природе Ударная волна, распространяющаяся от грозовой молнии, быстро затухает и превращается в акустическую, однако на близких расстояниях скорость ударной волны достигает нескольких километров в секунду, и она может причинить существенные повреждения. Если молния попадет в высоковольтную линию, она может вызвать перенапряжение, которое приведет к порче оборудования и

к перебою в электроснабжении. Для защиты от перенапряжения используют нелинейные ограничители перенапряжения (ОПН). Один из принципов работы ОПН состоит в использовании нескольких искровых каналов для рассеивания энергии молнии. Таким образом, изучение теплообмена и газодинамики во время искрового разряда представляет некоторый интерес. Процессы, происходящие в искровом канале, были описаны в работах С.И. Брагинского и С.И. Драбкиной [1,2]. Формирование стримерного канала между двумя электродами в свободном пространстве также подробно изложено Ю.П. Райзером [3]. Разряд в замкнутом пространстве представляет более сложную систему, так как геометрия стенок влияет на газодинамику и изменяет параметры среды разряда. Таким образом геометрия канала, в котором происходит разряд влияет на его протекание. Исследования газодинамики разряда в канале важны с точки зрения практического применения, так как могут быть использованы в усовершенствовании ОПН.

Процессы с постоянным энерговыделением характеризуются тем, что время энерговыделения сравнимо с характерным временем процесса. Например, нагревающаяся из-за трения поверхность летательного аппарата влияет на процесс обтекания поверхности этого аппараты. Подобный процесс можно охарактеризовать, как процесс с постоянным энерговыделением. Влияние постоянного энерговыделения на обтекание крыла летательного аппарата сверхзвуковым потоком может привести к появлению отрыва пограничного слоя или к усилению уже существующего отрыва [4]. Влияние теплообмена на процесс отрыва потока изучается в течение длительного времени. Выявлены основные механизмы влияния теплопередачи на возникновение отрыва пограничного слоя. Нагрев поверхности дестабилизирует пограничный слоя и приводит к более раннему отрыву. Существуют два объяснения этого эффекта. С одной стороны нагрев поверхности приводит к утолщению дозвукового подслоя пограничного слоя, С другой стороны нагрев уменьшает коэффициент трения и увеличивает толщину

вытеснения пограничного слоя. Обратные процессы происходят в случае охлаждения пограничного слоя и приводят к сжатию зоны отрыва. Явление отрыва, возникающее на поверхности крыльев и фюзеляжа сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов может привести к возрастанию сопротивления конструкции и к потере управления. Основное направление исследований связанно с уменьшением зоны отрыва и с изучением колебаний границ отрыва. Особенное внимание уделяется в настоящее время природе низкочастотных колебаний границ зоны отрыва. Существуют две теории объясняющие наличие низкочастотных мод. Одна связана с взаимодействием скачка уплотнения в точке отрыва и течением в зоне отрыва, другая теория связана с когерентными структурами, присутствующими в натекающем пограничном слое. В связи с последней теорией изучение турбулентного пограничного слоя на нагретой поверхности может прояснить влияние когерентных структур на колебания зоны отрыва, так как нагрев поверхности усиливает пульсации в турбулентном пограничном слое.

Актуальность работы

Нестационарные газодинамические истечения в каналах и соплах, несмотря на длительную историю исследований, до сих пор являются не изученными. В последние годы появились новые методы и диагностики, позволяющие произвести детальное изучение ранее неизвестных особенностей. К этим методам диагностики относятся оптические и лазерные методы, развитые в последние годы, такие как PIV (Particle Image Velocimetry -лазерный метод определения поля векторов скоростей по изображениям частиц) в комбинации с высокоточными теневыми методами, основанные на измерениях градиентов плотности. В настоящей диссертации предметом исследования были два типа нестационарных газодинамических течений -сверхзвуковое истечение из канала с энерговыделением и сверхзвуковое обтекание нагретого тела, формирующего скачки уплотнения в сверхзвуковом

потоке. Экспериментальные исследования нестационарных ударных волн, проведенные в ОИВТ РАН Т.В. Баженовой, Л.Г. Гвоздевой и В.В. Голубом [5], дают ответы на многие проблемы, но ряд задач, связанных с интенсивным энергоподводом, остаются пока нерешенными ввиду чрезвычайной сложности проблемы. Экспериментальные и теоретические исследования нестационарных течений газа с омическим энерговыделением в разрядных камерах были инициированы прикладными задачами, связанными с разработкой и созданием молниезащитных устройств и ограничителей перенапряжений (ОПН) на основе искровых разрядных камер [6], которые являются одним из перспективных направлений высоковольтной электроэнергетики. Принцип действия ОПН на основе искровых разрядников заключается в пробое последовательно соединенных разрядных промежутков, образующих мультикамерную систему (МКС), при возникновении перенапряжения на высоковольтной линии, которое сопровождается истечением сверхзвуковой струи плазмы из канала камеры в атмосферу [6]. В искровых камерах молниезащитных устройств выделяется значительное количество энергии, что приводит к большим температурам струи и сверхзвуковому истечению из камеры. Другая особенность истечения из разрядной камеры заключается в том, что характерное время протекания разряда сравнимо со временем истечения струи из камеры. Это отличает истечение из разрядной камеры от импульсных струй, моделируемых при помощи ударной трубы. В настоящей работе изучаются особенности формирования высокотемпературной импульсной струи в результате искрового разряда.

Фундаментальные исследования трения, массо- и теплообмена в сверхзвуковом потоке газа с охлаждаемыми и нагреваемыми стенками, выполненные в работах С.С. Кутателадзе, А.И. Леонтьева, и других исследователей [7], привели к значительной завершенности проблемы, однако, в последнее время, появились методы снижения аэродинамического сопротивления с использованием тел или устройств, помещаемых перед

головной частью летательного аппарата (ЛА). К ним относятся применение иглы в ракетах Трайдент (США), неоднородному, «пятнистому» и другим типам нагрева поверхности для управления летательными аппаратами. Развитие конструкций сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов привело к необходимости создания методов расчета и проектирования аппаратов с управлением сверхзвуковыми потоками. Перспективным направлением является также управление сверхзвуковыми течениями при помощи энерговыделения [8] или изменения температуры обтекаемой поверхности. Одним из примеров является применение энерговыделения для снижение сопротивления головной части летательного аппарата. Основная идея состоит в замене прямого скачка уплотнения на систему косых скачков, на которых потери полного давления меньше. Для этого перед затупленным телом помещают иглу, на острие которой образуется слабая ударная. Обтекание нагретых препятствий численно моделировалось в работах П.Ю. Георгиевского и В.А. Левина [9], где изучалось образование зоны возвратного течения при энерговыделении в ограниченной зоне перед закругленным телом. В настоящей работе экспериментально моделировалось двумерное течение на аналогичной геометрии, содержащей нагревающуюся плоскость и присоединенный к ней клин. Во многих случаях управление турбулентным потоком основано на перемещении точки отрыва и обратного присоединения пограничного слоя. Известно, что для сверхзвукового потока охлаждение поверхности приводит к стабилизации турбулентного пограничного слоя и задержке отрыва [7], влияние нагрева поверхности на отрыв турбулентного пограничного слоя изучено в меньшей степени. В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований протяженности зоны отрыва турбулентного пограничного слоя при нагреве поверхности.

Цель работы

Цель данной работы — исследование нестационарного импульсного сверхзвукового вихревого течения высокотемпературной струи, истекающей из канала в затопленное пространство при интенсивном энерговыделении в канале, и влияния нагрева поверхности на турбулентный пограничный слой при обтекании сверхзвуковым потоком двумерного течения у плоскости с присоединенным клином.

Задача исследования импульсного истечения из канала разрядной камеры заключалась в определении влияния профиля выходного канала и энергии, выделившейся в искровом разряде, на динамику распространения ударной волны и высокотемпературной струи. Измеряемыми параметрами являлись: скорость распространения контактной поверхности струи, скорость газа внутри струи, размер вихревого кольца, диаметр ядра вихря и значение циркуляции вихревого кольца. Задача исследования обтекания плоскости с присоединенным клином (рампы) сверхзвуковым потоком заключалась в изучении влияния нагрева поверхности на протяженность зоны отрыва турбулентного пограничного слоя и на колебательные движения скачка уплотнения и зоны отрыва.

Научная новизна

С помощью современных методов диагностики с высоким пространственным разрешением проведено исследование распространения вихревой структуры в процессе импульсного истечения высокотемпературной струи из канала разрядной камеры. Экспериментально обнаружено вторичное вихревое кольцо, формирующееся перед основным вихревым кольцом в импульсной струе и закрученное в том же направлении, что и основное вихревое кольцо. Изучено формирование и распространение вихревой структуры при истечении нагретого газа из канала разрядной камеры. Обнаружено убывание значения циркуляции в области вихревого кольца или

системы вихревых колец (в случае двух вихревых колец) до момента отрыва вихревого кольца. Обнаружено, что расширяющаяся геометрия канала способствует более раннему отрыву вихревой структуры от спутной струи, что позволяет сделать вывод о том, что в данном случае процесс аккумуляции энергии вихревой структурой происходит быстрее, чем в случае цилиндрического канала.

С помощью качественных и количественных методов диагностики исследовано взаимодействие скачков уплотнения, образующихся при обтекании рампы, с турбулентным пограничным слоем на нагретой поверхности рампы.

Определено, что увеличение зоны отрыва имеет линейную зависимость от отношения температуры поверхности к температуре набегающего потока. Показано, эффект увеличения зоны отрыва нельзя полностью объяснить с помощью теории свободного взаимодействия. Также показано, что нагрев поверхности влияет на профиль течения в присоединенном пограничном слое и усиливает колебания границ зоны отрыва.

Практическая значимость

Основные результаты, представляемые к защите

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях, в том числе: 1. Тезисы на международной конференции «Equation of State for Matter»

(Эльбрус, 2012);

2. Тезисы на 54-й научной конференции МФТИ. (Долгопрудный, 2011);

3. Тезисы на 55-й научной