Газодинамические и спектральные характеристики неравновесных газовых потоков тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

1 <"• '.ПО •1ПП1

/ О л!!| ¡^

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. а ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

ХМЕЛЕВСКИЙ Александр Николаевич

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ И СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕРАВНОВЕСНЫХ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Институте механики Московского государственного университета им. Ы. К Ломоносова.

доктор физико-математических наук, профессор К А. Левин

доктор физико-математических наук, профессор А. И. Осипов; кандидат физико-математических наук, ст. н. сотр. О.П.Шаталов

Центральный институт авиационного моторостроения им. П. И. Баранова

Защита состоится " Ш" .НОк у 1993 г. в 'Ус. час в аудитории 16-24 Главного здания МГУ на заседании специализированного Совета Д. 053. 05.02 при Московском государственном университете им. М. К Ломоносова по адресу: 119899 Москва, В-234, Ленинские горы, МГУ, механико-математический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться- в библиотеке механико-математического факультета МГУ.

Автореферат разослан " Ц " ОЛУ^ММУ 1993 г.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь Специализированного Совета, профессор .

_Я В. П. Карликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время газодинамические лазеры (ГДЛ) рассматриваются как одни из основных претендентов в качестве мощного источника инфракрасного (ИК) излучения. Улучшение удельных характеристик существующих ГДЛ и расширение спектрального диапазона их генерации - актуальные проблемы, решение которых позволяет значительно расширить области применения ГДЛ в научных исследованиях и народном хозяйстве.

Для формирования инверсной среды в современных ГДЛ широко используются профилированные сопла и сопловые решетки. Структура течения за-их срезом отличается от идеальной, а конечные составы продуктов сгорания в ГДЛ на горении углеводородов далеки от оптимальных. Это может приводить к заметным релаксационным потерям и ухудшению удельных характеристик соответствующего ГДЛ. Исследования в данном направлении, проведенные в потоке за одиночным соплом, а тем более для течений за сопловыми блоками, крайне ограничены. Поэтому экспериментальное определение влияния реальной структуры потока, а также содержания отдельных компонентов лазерной смеси на инверсные характеристики среды актуально.

При решении ряда прикладных и исследовательских задач важную роль играет длина волны генерируемого излучения. В дальнем ИК-диа-пазоне основным источником излучения служат электроразрядные и химические лазеры на парах воды. Рассматриваются также перспективы создания соответствующего ГДЛ с максимальной мощностью излучения на длине волны Л- = 27,971 мкм на колебательно-вращательном переходе 001(633) —— 020(. Экспериментальное изучение поглощения молекулами воды резонансного лазерного излучения на указанном переходе в потоке водяного пара до сих пор не проводилось и является важным направлением исследования, актуальность которого определяется возможностью получения надежных сведений об основных спектроскопических константах перехода и вероятностях колебательного энергообмена. Указанные данные необходимы для построения математических моделей физических процессов в лазерах на парах воды.

Цель работы. Проведение комплексного исследования влияния реальной структуры течения, состава смеси и параметров торможения на инверсные характеристики потока в СО^-ГДЛ на горении ацетилена в импульсной аэродинамической установке; исследование инверсных

свойств ^О-М*-Не потока в ударной трубе в условиях истечения в профилированном сопле с равномерным выходом; исследование поглощения лазерного излучения ( «Я"» 27,971 мкм) в потоках водяного пара в ударной трубе с соплом на переходе 020(§50)—— 001(6 33) молекулы воды и определение спектроскопических констант указанного перехода.

Основные положения, выносимые на задиту, их новизна, научная и практическая ценность. В диссертации автор защищает следующие положения, представляющие научную новизну работы:

- анализ влияния газодинамических возмущений в потоке продуктов сгорания ацетиленовоздушных смесей и значительного (до 40% по объему) содержания кислорода в конечных составах на инверсные свойства среды в условиях высокотемпературного СО^-ГДЛ на горении;

- анализ инверсных свойств потока за блоком плоских сопел с эллиптическим профилем сверхзвуковой части и неравномерным выходом при поперечных смещениях сопловых лопаток;

- результаты измерения коэффициента усиления в потоке за сопловыми блоками малоразмерных осесимметричных сопел с различной компоновкой моносопел в блок в условиях гомогенного СО^-ГДЛ на горении ацетилена;

- анализ особенностей изменения давления за ударными волнами в СО)-Не потоках в ударной трубе при использовании водорода в

качестве толкающего газа;

- экспериментальные данные по измерению усиления излучения с длиной волны Л - 10,9 мкм (переход 00"1——10*0 в N¿0) при расширении Ыг0-Иг-Не смеси в плоском профилированном сопле;

- результаты измерений поглощения излучения с длиной волны X - 27,971 мкм молекулами воды на переходе 020(5^)—— 001 (653) и определения коэффициентов Эйнштейна и ударного уширения указанного перехода;

- анализ условий формирования неравновесного распределения энергии по колебательным степеням свободы молекулы воды при расширении водяного пара в сверхзвуковых соплах.

Практическая и научная ценность работы заключается в том, что, с одной стороны, полученные экспериментальные результаты представляют практический интерес при проектировании и создании высокотемпературных ГДЛ, а с другой, имеют общенаучный характер и могут быть использованы для построения и проверки расчетных моделей течения колебательно-неравновесных газовых потоков.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались:

- на VIII Международном коллоквиуме по газодинамике взрыва и реагирующих систем (Минск, 1980);

- на 1 Всесоюзном симпозиуме по макроскопической кинетике и химической газодинамике (Алма-Ата, 1984);

- на Ш Всесоюзном совепрнии по детонации (Таллинн,1985);

- на 4-м Всесоюзном симпозиуме по лазерной химии (Звенигород, 1985);

- на Всесоюзной школе-семинаре "фундаментальные проблемы физики ударных волн" (Азау, 1987);

- на Всесоюзной школе-конференции "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Иркутск, 1988);

- на Всесоюзной конференции "Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах" (Красновидово, 1988);

- на Всесоюзной школе-семинаре "Проблемы физико-химических взаимодействий в механике сплошных сред" (Ужгород, 1989);

- на Ломоносовских чтениях (МГУ, 1990).

Содержание и результаты работы отражены в 23 публикациях, спи-_ сок которых приведен в конце автореферата.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 256 наименований и содержит 61 рисунок и 8 таблиц. Полный объем диссертации составляет 164 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы основные цели и методы исследования, изложено краткое содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализировано влияние газодинамических возмущений на инверсные характеристики среды в ГДЛ на продуктах сгорания ацетилена.

В разделе 1.1 приводится описание импульсной аэродинамической установки и измерительных методик. Установка (рис.1) была модернизирована и оснащена методиками резонансного зондирования потока лазерным источником, теневого фотографирования, газохроматографичес-

кого анализа и системой измерений давления с . помощью пьезокерамических и тензометрических датчиков. Конструкция установки обеспечивала возможность получения высоких параметров торможения С 200 атм, 3000 К ) при временах работы 10-15 мс. Это позволило исследовать инверсные характеристики потоков продуктов сгорания при их расширении через сопло или решетку сопел в широком диапазоне изменения параметров торможения. Сигналы первичных средств измерений через согласующие каскады подавались на цифровые электронные осциллографы типа С9-8 (С8-17, DL-905, DL-2000) и обрабатывались с использованием специальных программ на персональном компьютере типа IBM PC/XT.

В разделе.1. 2. рассмотрены особенности газодинамической структуры потока за срезом сопловой решетки из плоских сопел, профилированных на равномерное безударное течение на выходе. Решетка, используемая в дальнейшем для исследования влияния газодинамических возмущений и добавок молекулярного кислорода на коэффициент усиление в потоке, состояла из 10 сопловых лопаток. Ширина лопатки - 50 мм, длина сверхзвуковой части - 80 мм, зеличина критического сечения

- 0,35 мм, степень расширения сопла 6- 140. Анализ теневых фотографий показал наличие сложной трехмерной газодинамической структуры сверхзвукового потока.- Внутри сопла и в потоке за срезом присутствуют слабые скачки уплотнения й вязкие следы. Время работы установки определяется процессом отрыва потока от стенок сопла, что приводит к переходу сверхзвукового течения в дозвуковое и к исчезновению усиления.

В разделе 1. 3. исследовано влияние газодинамических возмущений на изменение коэффициента усиления (KvO в СО^-ГДЛ в широком диапазоне изменения составов и параметров торможения. Измерения усиления проводились вблизи среза сопел и на расстоянии «1,5 калибров вниз по потоку. Установлено, что определяющее влияние на уменьшение Ку в исследованной сопловой решетке оказывает наличие скачков уплотнения, возникающих вблизи сопловых кромок при развороте потока (угол схода потока б= ),а темп падения К у. вниз по потоку зависит от состава смеси и составляет около 30% на расстоянии «1,5 калибров (60 мм) для продуктов сгорания современных ГДЛ на горении ацетилена в воздухе.

Вторая глава посвящена анализу инверсных свойств потоков, формируемых сопловыми блоками из плоских и малоразмерных осесимметрич-ных сопел (в условиях СО^-ГДЛ на горении ацетилена). Вначале главы

дается обзор литературы и формулировка направлений исследований, представленных в главе.

В разделе 2.1 проанализировано влияние значительного (до 40% по объему) содержания молекулярного кислорода в продуктах сгорания ацетилена на изменение К у в сверхзвуковом потоке. Исследования проводились с использованием соплового блока из плоских сопел, особенности структуры потока в котором были рассмотрены в первой главе. Для получения требуемых составов исходные ацетиленовоздушные смеси разбавлялись кислородом. Сравнение К-ц- для составов, содержащих 7 и 25% молекулярного кислорода, показало его отрицательное влияние на «V- при изменении давления торможения в пределах Ро - Ю - 90 атм для \0 = 1900-2000 К Для более детального количественного исследования влияния замены азота кислородом в продуктах сгорания на К'уь были выполнены систематические измерения усиления при изменении концентрации кислорода в смеси в пределах от 7 до 40% (объемных). Параметры торможения в опытах составляли: Р0 - 45 атм, Т0-1950 К. Шльный состав продуктов сгорания описывался приближенной формулой:

0,1С02 + (0,07 + + (0'78 + °.°5Н;гР , 7 - О т 0,33

Результаты измерений представлены на рис.2 (точки 1) и показывают, что в среднем коэффициент усиления уменьшается на один процент при добавлении каждого процента примеси кислорода

В разделе 2.2 исследован коэффициент усиления в потоке за блоком плоских сопел с эллиптическим профилем сверхзвуковой части, предложенным ранее в результате одномерной оптимизации контура сопла (на максимум мощности излучения с единицы площади выходного сечения) . Особенностью исследованных сопел являлась значительная неравномерность параметров потока на их выходе: давления на оси и у стенки сопла отличались более 5 раз. Измерения усиления в потоке за срезом соплового блока из таких сопел показали, что в области умеренных и высоких давлений (Р<? > 15 атм) происходит очень быстрое уменьшение коэффициента усиления вниз по потоку, обусловленное неравномерностью потока и его вязкими свойствами: усиление исчезало на расстоянии нескольких калибров (20 мм) от среза сопел, что автоматически исключает их из списка возможных для использования в ГДЛ. Поперечные смещения сопловых лопаток такого блока приводили к изменению измеряемого вблизи среза коэффициента усиления, относительная

величина изменения которого в исследованных режимах (Т0 - 2440 К, Р0 - 1070 атм) не превышала величины смещения отнесенной к размеру критического сечения недеформированного сопла

В разделе 2.3. приведены результаты экспериментов по исследованию инверсных свойств потоков за сопловыми блоками малоразмерных осесимметричных сопел, высокотехнологичных в условиях массового производства. В задачу исследования входило получение экспериментальных данных о величине коэффициента усиления и размерах инверсной зоны в потоке, а также изучение влияния условий компоновки моносопел в блок на инверсные свойства среды. Результаты измерений усиления в потоке за блоком конических сопел с углом раскрытия Л « 28", диаметром критического сечения (1*- 0,6 мм и степенью расширения £= 64 в диапазоне изменения давления торможения Р0 =10-65 атм при Тр - 1750, 2440 К сравнивались с аналогичными, ранее полученными данными, для блока профилированных осесимметричных сопел с теми же значениями , £. и длиной сверхзвуковой части, что у исследованного блока. Измеренные максимальные значения коэффициента усиления за указанными блоками оказались близки и составляли * 0,7 м~'при измерениях вблизи среза сопел для Рд » 35 атм, что соответствовало значению параметра Рв ё ^ - 2 атм см. Измерения усиления в трех сечениях вниз по потоку показали наличие протяженной (более 32 калибров, 160 мм) зоны инверсии в потоке за срезом блока конических сопел со значением коэффициента усиления превышающим 0,5 м~'(для Р0 — 35 атм).

Исследование усиления в потоке за блоками профилированных осесимметричных сопел с - 1,1 мм, £ - 36 с гексагональной и квадратной компоновкой расположения осей моносопел в блоке (при условии взаимного касания окружностей выходных сечений соседних моносопел), выполненные при 10 - 1750 К для Р0 - 10 - 65 атм, не выявили влияния компоновки моносопел в блоке на величину коэффициента усиления.

В третьей главе изложены результаты исследования газодинамических и инверсных свойств N¿0 - СО)-Не потоков в ударной трубе с соплом.

В разделе 3.1. приведено описание установки и методик измерения. Для импульсного нагрева и последующего адиабатического охлаждения исследуемой смеси использовалась ударная труба, схема которой приведена на рис. 3. Камера низкого давления (КНД) имела длину 8,1м и состояла из цилиндрического (1,0- 98 мм) и прямоугольного (2, 98 х 98 мм2) участков, соединенных профилированным переходником (3)

длиной 0,4 мм. Камера высокого давления (КЕД) длиной 2 м отделялась от КНД диафрагмой из листовой меди. В торец трубы устанавливалась специальная вставка для измерений параметров за отраженной волной либо фланец с соплом (5). Истечение смеси происходило в ресивер объемом 0,15 м3. Для измерений давления использовались пьезодатчики (7), установленные заподлицо с внутренней поверхностью канала и торца, ударной трубы. Сигналы с датчиков регистрировались электронными осциллографами. Скорость ударной волны определялась базовым методом (длина баз (8,9) составляла 0,347 и 0,1 м). Водород и его смеси с азотом использовались в качестве толкающего газа. В измерениях коэффициента усиления среды на длине волны Х= 10,9 мкм (переход 00°1—«-10°0) использовалась двухпроходная схема зондирования потока излучением непрерывного электроразрядного прокачного N¿0-лазера лабораторного изготовления.

Раздел 3.2. посвящен исследованию особенностей формирования параметров торможения в Ы^О-ГДЛ на ударной трубе. Особенностью газовых смесей N¿0 - N¿(00)-Не, используемых в Н^О-ГДЛ, является их способность к химическим превращениям при повышении температуры. Целью исследования являлось изучение особенностей поведения давления за падающими и отраженными ударными волнами в смесях МяО-М^СОЭ-Не. На основании проведенного анализа установлено, что смещение в контактной области N¿0 с толкаювдш газом (водородом) приводит к воспламенению смеси И^О-Н^. В процессе взаимодействия отраженной ударной волны с передним фронтом зоны горения формируется волна разрежения, распространяющаяся к торцу и приводящая к появлению характерного "провала" давления (ПД), регистрируемого датчиком вблизи торца (рис. 4а). . В результате время существования стационарных условий за отраженной волной сокращается примерно в два раза. Процессы горения в контактной области оказывают влияние и на состояние газа за фронтом падающей ударной волны: в смесях N2.0-00Не из волн сжатия, порождаемых фронтом реакции горения, формируется вторичный скачок (ВС на рис.46), изменяющий параметры газа в области пробки. Анализ результатов измерения давления за отраженной волной в N¿0-00-Не смеси и скоростей движения ее фронта показал, что при увеличении числа Маха падающей волны за отраженной ударной волной в области торца трубы формируется детонационная волна. Это приводит к нарушению стационарного состояния газа у торца и заставляет проводить "привязку" результатов измерения за срезом сопла, пристыкованного к торцу ударной трубы, к конкретным значени-

\

ям параметров торможения на заданном временном интервале.

В разделе 3.3. представлены исследования особенностей истечения и коэффициента усиления при расширении %ОН£-Не смеси в плоских сверхзвуковых соплах. Измерения проводились в пространственной струе за срезом сопла и в прямоугольном канале, продолжающем сопло. Исследовались клиновидное и профилированное сопла с одинаковыми значениями Г»* - 1 мм, £ - 16 и углом раскрытия в угловой точке у> -30°. Теневые фотографии течения в прямоугольном канале показали, что место стыковки расширяющихся стенок клиновидного сопла с каналом служит источником появления в потоке косых скачков уплотнения. Подобные скачки отсутствовали в случае профилированного сопла, что подтвердили и измерения давления за отсоединенным скачком уплотнения перед датчиком давления, проведенные в сверхзвуковом потоке. В процессе запуска сопел прямоугольный канал играл роль диффузора, в котором отрыв и запирание потока появлялись только при значениях нерасчетности истечения п - Р<« /Р«, < 0,1 (Ре, Роо - давления на срезе сопла и в ресивере соответственно). Результаты измерений коэффициента усиления излучения с Х - 10,9 мкм, полученные путем анализа и обработки осциллограмм сигналов усиления и давления торможения в едином временном масштабе в стационарной фазе истечения, представлены на рис. 4в. Использование канала за срезом профилированного сопла привело к росту Ку и замедлению темпа его уменьшения по потоку. На расстояниях от среза, превышающих 5 калибров (100мм).измеренные значения Ку составили 1,2 м"' и подтвердили существование достаточно протяженной зоны инверсии в сверхзвуковом потоке за срезом.

Четвертая глава содержит результаты исследований поглощения излучения с длиной волны <Х - 27,971 мкм на переходе 020(55»)—— 001(6зз) молекулами воды за ударной волной.

Раздел 4.1. посвящен описанию особенностей конструкции ударной трубы, в которой проводились эксперименты, при работе с сухим водяным паром и методов измерений. Система откачки (10) трубы (рис.3) была снабжена азотными ловушками (11). Для заполнения КНД паром использовалась дистиллированная вода, находившаяся в термостатированной колбе (12). Измерения коэффициента поглощения (К^) проводились с использованием излучения лабораторного образца непрерывного электроразрядного прокачного Н^О-лазера. Дисперсионный фильтр с максимумом пропускания в области 28 мкм выделял из спектра генерации излучение с длиной волны 27,971 мкм. Измерения проводились по однопроходной схеме. В качестве приемника служил кристаллический

пол/проводниковый детектор из 51: В, охлаждаемый в криостате жидким гелием до температуры порядка 15 К. Для изготовления деталей оптической схемы - окон и линз, использовались ККЗ-5 и полиэтилен.

В разделе 4. 2 рассмотрены особенности формирования термодинамических параметров потока в сухом водяном паре за падающей ударной волной, связанные с его конденсацией на внутренней поверхности стенок канала. В результате проведенного исследования установлено, что конденсация приводит к заметному сокращению длины "пробки" ударно-нагретого сухого пара. Перепад давления на фронте падающей ударной волны соответствует расчетному по ударной адиабате, а изменения термодинамических параметров вдоль "пробки" пара за счет конденсации и пограничного слоя составляют не более 5% для температуры и 16% для давления.

В разделе 4.3 исследована динамика роста пленки конденсата водяного пара на стенках канала трубы за падающей ударной волной. Толщина пленки определялась по измерению поглощенияизлучения с длиной волны X = 27,971 мкм в "пробке" пара с использованием результатов теории поглощения тонких пленок. Показано, что при степенях пересыщения пара у стенок ударной трубы - 2,07 - 3,44 (Рд -

давление за падающей волной, - давление насыщения пара при температуре стенки) максимальная толщина пленки не превышает 0,15 мкм на расстояниях от фронта ударной волны составляющих « 100 мм. При изменении числа Маха падающей волны от 3,6 до 4,5 определены числа Рейнольдса потока, при которых наблюдаются сильные возмущения поверхности пленки, связываемые обычно с переходом течения в пограничном слое от ламинарного режима к турбулентному: они лежат в пределах 6,5-Ю5- 1,1-10®.

В разделе 4. 4 приведены результаты измерений поглощения резонансного излучения на переходе 020(550)—001(635) молекулы Н^О за падающей ударной волной в диапазоне изменения давления и температуры в пределах: Р - 0,068 - 0,7 атм, Т - 900 - 2300 К. В результате получены зависимости Ку от температуры и давления, представленные на рис. 5. По результатам сопоставления экспериментальных данных с расчетом определены коэффициент Эйнштейна - 2 сек"'),

коэффициент ударного уширения ого~^ве'{ (300<7)-0,45 см "'атм "Л. показатель степени температурной зависимости (п - 0,62) коэффициента ударного уширения (т) _ т ~п) указанного перехода, а также коэффициенты ударного уширения ряда чисто вращательных линий ($."(300°) - 0,6-0,8 см"'атм"').

В пятой главе рассмотрено формирование неравновесного распределения энергии по колебательным степеням свободы молекулы Нг0 при расширении водяного пара в сверхзвуковом сопле. В начале главы приведен обзор экспериментальных результатов по исследованию кинетики колебательного энергообмена в парах воды в условиях отсутствия образования комплексных соединений и димеров. Представлены аппрокси-мационные температурные зависимости констант скоростей, построенные по имеющимся экспериментальным данным.

В разделе 5.1 приведены результаты анализа условий применимости различных моделей колебательного энергообмена для обработки данных по измерению времен релаксационных процессов в парах воды. Показано, что ограничения, вводимые для упрощения в поуровневую модель и связанные с рассмотрением только низколежащих уровней и колебательных переходов вниз вида (п)——(п-1).приводят к завышению констант скоростей, определяемых по результатам обработки измерений. В заключении реадела представлена модовая модель колебательного энергообмена, лишенная недостатков, присущих поуровневой модели, с соответствующим набором температурных зависимостей констант скоростей, которая использовалась в расчетах для сопоставления с результатами измерений.

В разделе 5. 2 проанализированы особенности формирования термодинамических параметров сухого водяного пара за отраженной ударной волной в ударной трубе, существенные при интерпретации экспериментов по измерению поглощения в сверхзвуковом потоке в сопле, установленном в торцевой стенке. В частности, показано, что в условиях значительного пересыщения пара за отраженной волной у стенок ударной трубы (Р^ / - 44-176, Р$- - давление за отраженной волной) давление на торце трубы в момент отражения соответствует расчетному по ударной адиабате, а далее наблюдается его непрерывное возрастание, обусловленное взаимодействием отраженной ударной волны с пограничным слоем на стенках канала. Максимальное увеличение давления за отраженной волной в течение 100 мкс после отражения может превышать 50% от расчетного значения. Соответствующие поправки к температуре торможения, полученные в приближении изоэнтропичности процесса выравнивания параметров по обьему, приводят к росту температуры до 10%.

В разделе 5. 3. представлены результаты исследования поглощения излучения с длиной волны Я- - 27,971 мкм водяным паром на переходе 020(65-0)—001(633) при его расширении в сверхзвуковых соплах. Из-

мерения поглощения проводились в плоских клиновидных соплах с углом раскрытия у - 30е, установленных в торце ударной трубы, на различных расстояниях вниз по потоку от критического сечения, высота которого составляла 2,0; 1,0; 0,5 мм. В ходе измерений поглощения также регистрировалось давление торможения, изменявшееся в пределах 2,0 - 5,5 атм, и давление за отсоединенным скачком перед датчиком давления в сверхзвуковом потоке. Это позволяло контролировать запуск сопла, время разрыва тонкой алюминиевой мембраны (устанавливаемой в области критического сечения для ускорения запуска) и безотрыв-ность течения в сопле. Анализ результатов измерений, часть из которых представлена на рис.6, позволил уточнить температурную зависимость константы скорости Ку,2(Т) межмодового колебательного энергообмена в молекуле НдО по каналу НдО( 100) + М—— Нд0(020) + М и показал, что при уменьшении размера критического сечения в сверхзвуковом потоке формируется неравновесное распределение энергии по колебательным степеням свободы молекулы аоды.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. В условиях, характерных для СО^-ГДЛ на горении ацетилена с плоскими профилированными на равномерный выход соплами с углом схода потока с хвостовых кромок, равным 11°, показано, что газодинамические возмущения в потоке за срезом соплового блока приводят к заметному уменьшению коэффициента усиления: на расстоянии полутора калибров от среза соплового блока это уменьшение составляет около 30%. Замена молекулярного азота на кислород в продуктах сгорания оказывает отрицательное влияние на коэффициент усиления. Добавление каждого процента кислорода приводит к падению коэффициента усиления примерно на один процент.

2. Установлено, что применение в сопловой решетке ГДЛ предложенных ранее (на основании одномерной модели оптимизации контура на максимальную мощность излучения с единицы площади выходного сечения потока) плоских сопел с эллиптическим профилем сверхзвуковой части и существенно неравномерным потоком на выходе (давления на оси и у стенки различаются более пяти раз) приводит в области умеренных и высоких давлений торможения (Р0 > 15 атм) к резкому уменьшению коэффициента усиления вниз по потоку. Усиление исчезает на расстоянии нескольких калибров от среза, что исключает подобные сопла из числа рекомендуемых к использованию в ГДЛ.

3. Поперечные смещения сопловых лопаток в блоке вызывают появление ударных волн значительной интенсивности и волн разрежения за

срезом. Их влияние на коэффициент усиления определяется как геометрическими характеристиками сопла, так и значениями параметров торможения. Относительное изменение коэффициента усиления в исследованных режимах (Р<? - 5-60 атм.Т^г 2440 К) вблизи среза соплового блока из эллиптических сопел с неравномерным выходом не превышало величины поперечного смещения, отнесенной к номинальному размеру критического сечения, если это отношение составляло не более 33%.

4. В условиях гомогенного СС^-ГДЛ на горении ацетилена исследовано влияние изменения давления торможения в пределах = 5-65 атм при температурах Т0=1750; 2440 К на коэффициент усиления в потоке за срезом соплового блока из малоразмерных осесимметричных сопел. Измеренные значения коэффициентов усиления указывают, на перспективность их применения для создания инверсной среды в ГДД коэффициенты усиления на расстояниях от среза, превышающих 32 калибра (160 мм), составляли более 0,5 м"'при Р0 »35 атм, что незначительно уступает значениям, реализованным в гомогенных СО^-ГДЛ с плоскими сопловыми лопатками.

5. При истечении М^О-И^-Не смеси через плоское профилированное на равномерный выход сопло с каналом постоянного сечения за срезом получены достаточно высокие (около 1,2 м-'), слабо меняющиеся вниз по потоку значения коэффициента усиления, экспериментально подтвердившие существование протяженной зоны инверсии в сверхзвуковом потоке. •

6. В равновесных условиях в диапазоне изменения давления от 0,07 до 0,7 атм и температуры от 950 до 2300 К измерены коэффициенты поглощения резонансного излучения с длиной волны Л - 27,971 мкм водяным паром на переходе 020(5^)—001(6^). По сопоставлению результатов измерений с расчетами определены: коэффициент Эйнштейна (Атп - 2 сек '), коэффициент ударного уширения

(300") - 0,45 см"'атм"') и показатель степени температурной зависимости (п - 0,62-,2с (Т) ~ коэффициента ударного уширения указанного перехода.

7. Экспериментально показана возможность формирования неравновесного распределения энергии по колебательным степеням свободы молекулы воды при расширении водяного пара в сверхзвуковых клиновидных соплах с углом раскрытия у -300 при высоте критического сечения 11 #-¿1 мм и изменении давления и температуры торможения в пределах: Р0 - 2,18 - 5,53 атм, Т0 - 1930 - 2580 К. Измерения поглощения излучения с длиной волны Х - 27,971 мкм на переходе

020( ) —001 (653) молекулы Н^О в сверхзвуковом потоке водяного пара и сопоставление результатов измерений с расчетами позволили уточнить температурную зивисимость константы скорости колебательного энергообмена Ку,2(Т) по каналу: Нл0(100) + М —— Нд0(020) + М.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Британ А. Б. , Левин В. А. , Луговской К К Мазманянц А. П. , Смехов Г. Д. , Старик А. М. , Хмелевский А. Е Исследование характеристик газодинамического лазера высоких параметров на продуктах сгорания ацетилена. Отчет Института механики МГУ, N 2322, Москва, 1980.

2. Британ А. Б. Левин К А., Лосев С. А., Смехов Г. Д. , Старик А. М. , Хмелевский А. К Исследование характеристик взрывного ГДЛ на продуктах сгорания ацетилена. Квантовая электроника, 1982, том. 8, N 5, с. 1002-1011.

3. Британ А. Б., Левин В. А. , Смехов Г. Д., Старик А. М. , Туник Ю. В. , Хмелевский А. Е Моделирование течений продуктов сгорания углеводородных топлив в импульсной установке взрывного типа. ФГВ, 1985, том 21, N б, с. 34-41.

4. Британ А. Б., Левин В. А. , Старик А. М., Хмелевский А. Е К выбору расчетной модели течения в соплах высокотемпературных ГДЛ на продуктах горения. Квантовая электроника, 1986, том 12, N 1,

с. 86-93.

5. Терехова Г. П. , Панина Л. И., Хмелевский А. Е Газохроматографи-ческое определение примесей N¿0 в продуктах сгорания углево-водородных топлив. В сб. Закономерности хроматографического удерживания и разделения в сложных системах. Москва, НИИТЭХИМ, 1986, с. 77-80.

6. Гринь Ю. И., Конев Ю. Б., Крючков С. И., Кудрявцев Е Е , Ораевс-кий И. Е , Тестов В Г. , Хмелевский А. Е Влияние процессов воспламенения на усиление в инверсных ^О-потоках. ФГВ, 1987, том 23, N 3. с. 16-21.

7. Тестов в. Г., Британ а. Б. , Гринь !й и., Кудрявцев е е . Крючков с. и., мишин Г. и., Хмелевский а. е К вопросу о роли воспламенения на входе в сопло в М20-К2(С0)-Не ГДЛ. ЖТФ, 1987,том 57, вып. 5, с. 883-890.

8. Британ А. Б. .Гринь Ю. И. , Голуб К Е , Ораевский И. Е .Тестов К Г., Хмелевский А. Е Исследование влияния условий истечения на ха-

- 16 -

рактеристики N^O-ГДЛ. ФГВ, 1988, том 24, N 3, с. 61-65.

9. Левин В. А., Митичкин С. Ю. , Туник Ю. В., Хмелевский А. H Влияние газодинамических возмущений на инверсию и мощность СС^-ГДЛ с деформированным сопловым блоком. Отчет Института механики МГУ, N 3619, Москва, 1988.

10. Левин В. А. , Митичкин С. 1й , Туник 1й В., Хмелевский А. а Исследование влияния газодинамических возмущений за деформированным сопловым блоком на инверсию и мощность в условиях СО^-ГДЛ на горении. ФГВ, 1989, том 25, N 6, с. 81-87.

11. Борейшо А. С., Лебедев R Ф., Левин В. А. , Митичкин С. Ю. , Степанов Д. В., Хмелевский А. H , Юсупов Р. М. Исследование газодина- . мических и инверсных свойств потока за блоком малоразмерных осесимметричных сопел. Отчет Института механики МГУ, N 3833, Москва, 1989.

12. Британ А. Б. , Тестов В. Г. , Хмелевский А. Н. Воспламенение за ударными волнами в смесях N^O-Nx(CO)-He. Изв. АН СССР МЖГ.1989, N 5, с. 164-170.

13. А. В. Britan, Yu. I. Grin, V. G. Testov, A. N. Khmelevski i. A shock-tube study of the formation of stagnation parameters in N¿0 gas dynamic lasers. Experiments in Fluids, 1989, vol. 7,

p. 241-247.

14. Британ A. Б., Левин В. A., Сорокин A. A., Старик A. M., Хмелевский A. H Поглощение излучения Л * 28 мкм за ударной волной в парах воды. Хим. физика, 1989, том 8, N 3, с. 406-412.

15. Британ А. Б., Левин В. А., Сорокин А. А., Старик А. М., Тестов В. Г. , Хмелевский А. H Измерение молекулярных постоянных колебательно-вращательного перехода 001 ( 63j )—•— 020(5^) в парах воды за ударной волной. Доклады АН СССР, 1989, том 309, N 1, с. 82-85.

16. Британ А. Б. , Тестов КГ. , Хмелевский А.Д Влияние конденсации водяного пара за ударными волнами на формирование параметров потока в ударной трубе с соплом. Отчет Института механики МГУ, N 3950, Москва, 1990.

17. Британ А. Б, Тестов В. Г., Хмелевский А. Н. Формирование потока

за ударными волнами в парах воды в условиях конденсации на внутренней поверхности канала. Препринт N 19 (548), Институт радиотехники и электроники АН СССР, Москва, 1990.

18. Британ А. Б., Тестов Е Г. , Хмелевский А. а Влияние конденсации на параметры течения водяного пара в ударной трубе с соплом.

Препринт N 15 (566), Институт радиотехники и электроники АН СССР, Москва, 1991.

19. Борейшо А. С. , Лебедев В. Ф., Левин В. А. , Митичкин С. !й , Степанов Д. В. , Хмелевский А. Н., Юсупов Р. М. Исследование инверсных свойств потока за блоком малоразмерных осесимметричных сопел в условиях гомогенного ГДЛ. ФГВ, 1991, том 27, N 5, с. 92-101.

20. БританА. Б., Левин В. А. , Старик А. М., Хмелевский A. R Исследование формирования неравновесного распределения энергии по колебательным степеням свободы молекулы воды при расширении водяного пара в сверхзвуковом сопле. ПМТФ, 1992, N 4, с. 32-42.

21. Британ А. Б., Тестов В. Г. , Хмелевский А. Н. Характеристики потока водяного пара при нагреве ударными волнами и при охлаждении в сверхзвуковых соплах. ТВТ, 1992, том 30, N 4, с. 745-752.

22. Старик А. М., Хмелевский А. H Анализ экспериментальных данных по исследованию кинетики колебательного энергообмена в парах воды. Препринт N 5, ЦИАМ им. П. И. Баранова, Москва, 1992.

23. А. В. Britari, V. A. Levin, A. A. Sorokin, A. M. Starik, А. N. Khmelevsky, V. G. Testov. Radiation absorption by the 020(5so) ~(6дз) transition of H20 behind shock waves. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1992, vol. 48, N 1, p. 25-31.

Рис. I

Импульсная аэродинамическая установка. I - камера сгорания, 1 - электровосплаче-нитель, 3 - вакуумная трасса, 4 - диафрагма, 5 - сопловая решетка, б - ресивер, 4 7 - СО^-лазер, Ь - модулятор, 9 - фильтры, 10 - фотоприемники, II - датчики давления.

Рис. 2

Зависимость коэффициента усиления от концентрации молекулярного кислорода в смеси. I - эксперимент, 2 - расчет по модели [А] . . .

Ударная труба: 1-3 - КЦЦ, 4 - КВД, 5 - фланец с соплом, 6 - ресивер, 7 - пьезодатчики давления, 6,9 - система измерения скорости ударной волны базовым методом, 10 - система откачки, II -азотная ловушка, 12 - колба с водой, 13 - исследуемая смесь газов, 14 - система контроля давления в КВД.

ПА а)

Од S)

ПВ ВС

50 /00*

Рис. 4

Сигналы давления за отлаженной - а (число Маха U = 3,0, начальное давление Pj = 150 торр) и падающей - б (М = 3,46; Pj = 60 торр) ударной волной; ОВ(ПВ) - фронт отраженной (падающей)волны; в - изменение К-^ вдоль по потоку (X - расстояние от критического сечения) в пространственной струе I и в канале за срезом клиновидного 2 и профилированного 3 сопла. ф 1/0' Р,атм: 1-8,4; 2,3-7,6.

Т,К : I - 1460, 2,3 - 1400;

- го -

Рис. 5

а - зависимость/(^(Т) при Р = 0,07 -0,09 атм. Сплошные линии - расчет для ^°(300о)=0,б см-1, Л = 0,62. $>20— 001(3000) = 0,4 (I); 0,45 (2);

0,5 см"*атм~*(3). Штриховая -Т°(300°) = 0,8 см~1атм_1, П= 0,62,

0,45 см"*атм"*.

Г°20~001(зоо0)_

,020—-001 = 2 сек 1 везде; 4 - экспе-Л т п.

римент; б,в - зависимость Ку(Р) при Т = 950 К (б) и 1200К(в) для

д020—001

-I. ал 020—001

(300°

= 2 сек

И = 0,62. Сплошные линии - расчет для ^(300°) =0,6

т т 0,45 см" атм ;

1,25

Ю

0,75

?)ат

и

см~*ат1»Г *,

0,8 см-1атм-1

штриховые - ^с(300°) = 1 - эксперимент.

/

х,см

Рис. 6

Зависимости К£(Х), X - продольная координата вдоль оси сопла. I - равновесное течение, 2(3) - расчеты с использованием констант уровневой (модовой) модели, 4 - расчет с уточненным значением констант, 5 - эксперимент. Р,атм; Т,К°; , мм; а - 2,0; 2320; 2,0; б - 2,64; 2270; 1,0; в - 3,53; 2580; 0,5.