Исследование газодинамики течений с энергоподводом тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Условные обозначения Введение

Глава I

МОДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ТЕЧЕНИЯХ С ТЕПЛОИСТОЧНИКОМ

1.1. Модель тонкого канала пониженной плотности

Глава II

ГАЗОДИНАМИКА ТЕЧЕНИЯ С ЭНЕРГОИСТОЧНИКОМ В ФОРМЕ ОПТИЧЕСКОГО ПУЛЬСИРУЮЩЕГО РАЗРЯДА

2.1. Описание экспериментальной установки и методики измерений

2.2. Структура сверхзвукового потока с оптическим разрядом. 38 2.3 Влияние МОПР на аэродинамическое сопротивление осесимметричных тел 60 2.4. Оценка температуры теплового следа

Глава III

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОНИЗАЦИИ НА ГАЗОДИНАМИКУ ТЕЧЕНИЯ

3.1. Экспериментальная установка и методология проведения опытов

3.2. Условия существования разряда и оценка степени ионизации в следе

3.3. Результаты экспериментов и их анализ

Способы управление газодинамической структурой обтекания и аэродинамическими характеристиками летательных аппаратов (ЛА) является важной научной и практической проблемой аэрогазодинамики. Это направление лежит в основе многочисленных теоретических и экспериментальных исследований.

Известно много способов воздействия на течение, как пассивных, например использование конструктивных элементов ЛА (аэродинамической иглы), так и активных газодинамических, когда в поток вблизи поверхности ЛА инжектируется инертная (газообразная, жидкая либо содержащая твердые частицы) или химически активная масса.

В частности в ИТПМ СО РАН изучалось влияние массоподвода и горения в передних и донных отрывных зонах на сверхзвуковое обтекание тел. Можно отметить, что применение аэродинамической иглы с горением оказалось эффективнее использования того же топлива в прямоточном двигателе [1].

Как правило, эти способы управления обтеканием эффективны для снижения аэродинамического сопротивления затупленных тел.

С другой стороны, в конце 60-х годов, когда в различных странах активно велась работа по созданию сверхзвукового пассажирского самолета (СПС), много исследований проводилось по снижению интенсивности звукового удара. Одним из способов изучалась возможность управления обтеканием с помощью создания электрических полей вблизи несущих поверхностей ЛА. Проведенные опыты и теоретические оценки показали не эффективность такого способа (затраты энергии для создания единичной силы воздействия на набегающий поток около 1 Вт/дин.).

В 80-ые годы ученые вновь обратились к этому вопросу. Появилось много работ в этом направлении, например, по изучению сверхзвукового полета тел через ионизованную среду, которые показали возможность значительного воздействия на структуру обтекания [3-9]. Однако опыты проводились только с затупленными телами и, как правило, создание ионизованной среды сопровождалось изменением поступательной температуры потока, что не позволяло однозначно выделить степень влияния ионизации. С другой стороны неясна эффективность применения такого принципа для управления аэродинамикой совершенных тел (тел с хорошо обтекаемой формой). В последние годы этот вопрос стал еще более актуален [10-11].

Вместе с тем, многие исследователи обратились к теме изучения воздействия внешнего источника тепловыделения на газодинамику сверхзвуковых течений и обтекания тел [12-14].

Очевидно, что исследование возможностей воздействия на поток бесконтактными способами, как и эффективность таких методов, является актуальной задачей на сегодняшний день, и одним из возможных перспективных способов управления газодинамикой течения и обтеканием тел может быть локальный подвод энергии в поток.

В настоящее время техника и технология создания генераторов микроволновой энергии получила мощное развитие и применение бесконтактных способов создания источников энерговыделения в потоке газа становится реально осуществимым. В частности, в ИГОМ СО РАН в сотрудничестве с ИЛФ СО РАН впервые в мире был реализован мощный оптический пульсирующий разряд (МОПР) в сверхзвуковом потоке аргона [16].

Актуальность данной работы состоит в изучении газодинамики течений с оптическим пульсирующим разрядом и влиянии теплового следа на аэродинамическое сопротивление обтекаемых сверхзвуковым потоком осесимметричных тел.

Цель диссертации состоит в:

- получении экспериментальных данных по воздействию на сверхзвуковой поток газа источника тепловыделения в виде МОПР;

- исследовании газодинамической структуры течения в следе;

- определении основного механизма воздействия на характер обтекания и изменения аэродинамического сопротивления тел, помещенных в следе;

- проведении поисковых исследований возможности реализации в сверхзвуковом потоке слабоионизованной среды без увеличения поступательной температуры и получении качественных данных об изменении волновой структуры обтекания такой средой тел конической формы.

Использование МОПР позволяет изучать воздействие сильного теплового возмущения в сверхзвуковом потоке при отсутствии помех, создаваемых вспомогательными механическими средствами, что наделяет работу научной новизной. Кроме того, при проведении поисковых исследований по воздействию слабой ионизации на сверхзвуковое обтекание тел была сделана попытка избежать необходимость учета изменения поступательной температуры вблизи поверхности модели, при этом использовалось тело с хорошо обтекаемой формой (конус-цилиндр с полным углом а = 35°).

В результате экспериментальных исследований была получена новая информация о газодинамической структуре течения с ОПР при сверхзвуковых скоростях потока, определено влияние характеристик энергоисточника на аэродинамическое сопротивление осесиммет-ричных тел и реализовано течение слабоионизованной среды без увеличения поступательной температуры.

Работа состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 83 страницы текста, 2 таблицы и 36 рисунков.

Основные результаты работы: - Экспериментально изучена газодинамическая структура сверхзвукового обтекания теплового источника, сформированного мощным пульсирующим разрядом. Установлено, что он имеет протяженную форму и является источником эллиптических ударных волн. Показано существенное влияние мощности и частоты энергоимпульсов на характер развития следа. Для числа Маха М = 2 и частоты импульсов более 45 кГц тепловой след становится непрерывным и реализуется квазистационарный режим течения.

- Получены данные об изменении силы аэродинамического сопротивления моделей конуса и полусферы в зависимости от характеристик теплоисточника (мощность и частота импульсов) и его положения относительно моделей. Сила уменьшается с увеличением частоты энергоимпульсов и при частотах выше 45 кГц для скорости потока М = 2 (при установлении квазистационарного режима взаимодействия МОПР с потоком) снижается в 1,5-2 раза.

- Поисковые исследования по влиянию слабой ионизации на волновую структуру сверхзвукового обтекания конуса показали, что существенное значение имеет изменение полного давления в следе за устройством, создающим ионизацию. При этом для выявления эффекта воздействия необходима степень ионизации, более высокая, чем было реализовано в проведенных опыта.

Личный вклад автора: При написании диссертации использованы материалы, полученные при проведении исследований газодинамики сверхзвуковых течений с энергоподводом научно-исследовательским коллективом, в состав которого входил автор.

Автор принимал прямое участие в подготовке и проведении экспериментов, анализе и обработке полученных результатов. Постановка задач, обсуждение и выбор методик исследований проводились при непосредственном участии его научного руководителя д.т.н. Третьякова П.К.

Основными соавторами работ Тупикина A.B. являются: д.т.н. Третьяков П.К. (ИТПМ СО РАН) к.т.н. Гаранин А.Ф. (ИТПМ СО РАН) к.ф.-м.н. Яковлев В.И. (ИТПМ СО РАН) Крайнев B.JI.

Грачев Г.Н. (ИЛФ СО РАН)

Текст диссертации согласован с большинством из них. Автор выражает благодарность: Третьякову П.К. за руководство при выполнении и написании работы; Гаранину А.Ф., Крайневу B.JI., Яковлеву В.И. за помощь при получении, обработке и анализе результатов; сотрудникам ИЛФ СО РАН Грачеву Г.Н., Смирнову А.Л. за предоставленные данные по энергетическим характеристикам объекта исследований; Сеновой Т.Ю. за помощь при оформлении диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе были представлены экспериментальные данные исследования воздействия внешнего подвода энергии в поток. Энергия подводилась двумя способами: в виде пульсирующего оптического и продольного электрического разрядов.

В случае оптического пульсирующего разряда, МОПР создавал в потоке газодинамическое препятствие, за которым развивался след с температурой выше, чем во внешнем течении. В экспериментах реализовывались различные газодинамические ситуации (нерасчетные с диаметром 3 и 20 мм и расчетной 20 мм). В случае нерасчетной струи диаметра 3 мм мощность оптического разряда превышала мощность потока и происходило разрушение структуры сверхзвуковой струи. Приведены различные фазы воздействия, которые показывают механизм разрушения газодинамической структуры. Представленные в работе теневые снимки для 20 мм струи, показывают два возможных режима горения пульсирующего оптического разряда: периодический и квазистационарный. Условия реализации квазистационарного режима - равенство параметра сноса (скорость потока на период) и размера области разряда.

Для изучения воздействия МОПР на обтекание тел, проводились весовые испытания на двух типах моделей: конус-цилиндр и полусфера-цилиндр. Исследования показали значительное снижение силы аэродинамического сопротивления. Визуализация течения вблизи обтекаемых моделей показала изменения в структуре обтекания: на конус-цилинде происходит ослабление интенсивности головной ударной волны и увеличение ее отхода от носика модели. Оценка изменения температуры в следе говорит о возможном тепловом механизме воздействия (изменение числа Маха набегающего на модель потока).

Для внешнего подвода энергии в виде электрического продольного разряда были проведены поисковые исследования. Которые показали возможность реализации режимов, когда изменением поступательной температуры можно пренебречь. При этом необходимо учитывать изменение профиля скорости в следе за разрядным устройством.

1. Баев В.К., Головичев В.И., Третьяков ПК. и др. Горение в сверхзвуковом потоке. - Новосибирск: Наука, 1984.2. 2-nd workshop on magnetoplasma aerodynamics in aerospace applications, Moscow, 2000

2. Мишин Г.И., Серов Ю.Л., Явор И.П. Обтекание сферы при сверх-зуковом движении в газоразрядной плазме // Письма в ЖТФ. -1991.-Т. 17.-В.11.-С. 65-71.

3. Бедин А.П., Мишин Г.И. Баллистические исследования аэродинамического сопротивления сферы в ионизованном воздухе // Письма в ЖТФ. 1995. - Т. 21. - В. 1. - С. 14-19.

4. Мишин Г.И. Полное давление за ударной волной в слабоионизи-рованном воздухе // Письма в ЖТФ. 1994. - Т. 20. - В. 21. - С. 9.-15.

5. Климов А.И., Гридин А.Ю, Мишин Г.И., Федотов А.Б., Шахова-тов В.А. Распространение ударных волн в нестационарном тлеющем разряде // Письма в ЖТФ. 1989. - Т. 15. - В. 20 - С. 31-36.

6. Гридин А.Ю., Климов А.И. Структура ударной волны в неравновесной плазме (выделение энергии, запасенной в разрядной плазме за ударной волной) // Хим.Физика 1993. - Т. 12. - №3. - С. 316.

7. Гридин А.Ю., Климов А.И. и др. Двумерное моделирование распространения ударной волны в поперечном импульсном тлеющем разряде с прогретым катодным слоем // ТВТ. 1994. - Т. 32. -№.6 - С. 809-812.

8. Бедин А.П. Об особенностях течений низкотемпературной газоразрядной плазмы // Письма в ЖТФ. 1997. - Т. 23. - В. 16. - С. 88-93.10.2-nd Weak Ionized Gases Workshop: Proc. April 27-30, 1998, Norfolk, Virginia, USA. Reston: AIAA, 1998. - 268 p.

9. Перспективы МГД и плазменных технологий в аэрокосмических приложениях: труды. Март 24-25, 1999, Москва, Россия. -Москва: ИВТ РАН, 1999. 168 р.

10. Георгиевский П.Ю., Левин В.А. Сверхзвуковое обтекание тела при подводе тепла перед ним // Тр. МИ АН СССР. Современные математические проблемы механики и их приложения. 1989. -Т. 186-С. 197-201.

11. Георгиевский П.Ю., Левин В. А. Сверхзвуковое обтекание тел при наличии внешних источников тепловыделения // Письма в ЖТФ. 1988. - Т. 14 - В. 8. - С. 684-687.

12. Левин В.А., Терентьева Л.В. Сверхзвуковое обтекание конуса при теплоподводе в окрестности его вершины // Изв. АН СССР, Сер. МЖГ. 1993. - № 2. - С. 110-114.

13. Третьяков П.К., Грачев Г.Н., Иванченко А.И. и др. Сверхзвуковое обтекание конуса при теплоподводе в окрестности его вершины // ДАН. 1994. - Т. 336. - № 4. - С. 466-467.

14. П.Третьяков П.К., Гаранин А.Ф., Грачев Г.Н. и др. Управление сверхзвуковым обтеканием тел с использованием мощного оптического пульсирующего разряда// ДАН. 1996. - Т. 351. - № 3. -С.339-340.

15. Белококь В.А., Руденко О.В., Хохлов Р.В. Аэродинамические явления при сверхзвуковом обтекании лазерного луча // Акустический журнал. 1977. - Т. ХХШ - В.4 - С. 632-634.

16. Федоренко А. Т. О генерации нелинейных волн в сверхзвуковом потоке объемными источниками тепловыделения // Акустический журнал. 1986. - Т. ХХХД. - В.4. - С. 230-234.

17. Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов. М.: Наука, 1974.

18. Фишер В.И. Конкуренция режимов распространения сверхзвукового разряда по лазерному лучу if Высокочастотный разряд в волновых полях. Горький, 1988. - С. 230.

19. Артемьев В.И., Бергельсон В.И., Немчинов Й.В. и др. Глобальная перестройка газодинамических течений с помощью тонких лазерных лучей // Изв. АН СССР. Сер. физ. - 1991. - Т. 55. - № 6. -С. 1184-1187.

20. Aitem'ev V.l., Bergelson V.l., NemchinovI.V. etc. Rearrangement of the bow shock shape using a "hot spike" // Shock Waves. 1994. -Vol. 4- № 1. - P. 35-40.

21. Лашин A.M., Стариковский А.Ю. Устойчивость взаимодействия УВ с энтропийными слоями // ТВТ 1996. - Т. 34, №> 1, С. 98-108.

22. Артемьев В.И., Бергельсон В.Н., Немчинов И.В., Орлова Т.И. и др. Изменение режима сверхзвукового обтекания препятствия при возникновений перед ним тонкого разреженного канала. //МЖГ -1989,-№5

23. Артемьев В.И., Бергельсон В.И., Калмыков A.A., Немчинов И.В., Орлова Т.И. и др. Развитие предвестника при взаимодействии ударной волны со слоем пониженной плотности. //МЖГ 1988. -№2

24. Артемьев В.И., Бергельсон В.И., Медведюк С.А., Немчинов И.В., Орлова Т.И. и др. Вихревые течения, индуцированные взаимодействием ударной волны с тонкими каналами конечной длины и пониженной плотности, it МЖГ 1993. - №3

25. Борзов Ю.В., Михайлов В.М., Рыбка И.В., Савищенко Н.П., Юрьев A.C. Экспериментальное исследование сверхзвукового обтекания препятствия при энергоподводе в невозмущенный поток. //Инженерно-физический журнал 1994. - Т.66 - №5

26. Борзов В.И., Рыбка И.В., Юрьев A.C. Оценка энергозатрат при снижении лобового сопротивления тела в сверхзвуковом потоке // ИФЖ. 1992. - Т. 63. - № 6. - С. 659-664

27. Борзов В.И., Рыбка И.В., Юрьев A.C. Влияние локального энергоподвода в гиперзвуковой поток на лобовое сопротивление тел с различным затуплением И ИФЖ. 1994. - Т.67. - N5-6,- С. 355-361.

28. Georgievsky Yu.P., Levin V.A. Unsteady effects for a supersonic flow past pulsing energy source of high power // ICMAR: Proc.Pt.II Novosibirsk, 1998. -P.58-64

29. Технологические лазеры: справочник под общ. ред. Абилышшова Г.А. -М., Машиностроение, 1991, Т. 1, с. 156

30. Голов В К., Иванченко А.И., Крашениннеков В .В., Пономаренко А.Г., Шепеленко A.A., Шулятьев В.Б. // Изв. СО АН СССР, сер. Техн. -1986. -в.2. -с.87-91

31. Gobbi P.G., Rlali G.C. //Optic Comins, 1984. V.52. - p.195

32. Грачев Г.Н., Иванченко А.И., Смирнов А.Л., Шулятьев В.Б. // Квант. Электроника. = 1991. -В.18. -№1. с.131-133

33. ЗВ.Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения. -Москвка: Наука, 1964.

34. Фишер В.И. Конкуренция режимов распространения сверхзвукового разряда по лазерному лучу. / Высокочастотный разряд в волновых полях. Сб.статей. 1988 ИПФ Горький.

35. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. Москва: Наука, 1980.

36. Зельдович Я.Б. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений

37. Борель Э.М., Дельтейль, Юрон Р. Вероятности, ошибки. Москва: Статистика, 1972

38. Гаранин А.Ф., Петухов A.B. Сверхзвуковая аэродинамическая установка ТС и результаты исследования параметров потока в рабочей части. Отчет ИТПМ СО АН СССР 1971, №589

39. Биберман Л.М., Воробьев B.C., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. Москва: Наука, 1982

40. Zudov V.N. The developman of a wake of an impulsively periodic source of energy // ICMAR:Proc.Pt.IH Novosibirsk,2000. -P. 162-167

41. Паничкин И.А., Ляхов А.Б. Основы газовой динамики и их приложения к расчету аэродинамических труб (стр. 86)

42. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика М.: Наука, 1991

43. Мартынов А.К. Прикладная аэродинамика -М. .Наука, 1972

44. Юренев В.Н., Лебедева П.Д. Теплотехнический справочник -М.: Энергия, 1976

45. Лебедев А.Л., Чернобровкин Л.С. Динамика полета -М.: Машиностроение, 1973

46. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике -М.: Наука, 1967

47. Ratcliffe J. A. Physics of the upper atmosphere -New-York:Academic press, 1960вентель сбросаприбор

48. Схема тарировочных испытаний.кГс/см21,00,60,2