Образование и развитие вихревых структур, возникающих при формировании импульсных струй тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

у1

У*

российская академия наук

-институт высоких температур

На правах рукописи

Щульмейстер Александр Михайлович

УДК 533.601.1

образование и развитие вихревых структур. возникапцих при формировании импульсных струи

1вциальность:01.04.14-"Теплофизика и молекулярнзя физлка*

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-1994

Работа выполнена в Институте Высоких Температур РАН

Научный руководитель: кандидат технических наук

Голуб В.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Поляков А.Ф.

кандидат физико-математических, Лебедев М.Г.

Ведущее предприятие: Санкт-Петербургский государственный

технический университет

Защита состоится ф^яр^к-К 1994 г. час.

на заседании Специализ1:рованного совета К 002.53.02 по присуждению ученой степени кандидата наук по специальности 01.04.14-теш1с4изика и молекулярная физика при Институте Высоких Температур РАН по адресу: 127412,Москва, И*орская 13/19,- '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИВТ РАН. Автореферат разослан " 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета К 002.53.02

кандидат технически наук ^двецкая

©Научное объединение "ИБТАН" Российской академии наук, 1994 г»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ'

Актуальность темы связана с тем.что в последнее время развитие ракетно-космической техники, необходимость в анализе аварийных ситуаций на электростанциях,задачи усовершенствования технологических процессов стимулировали интерес к импульсным струям. Подобные течения возникают при запуске ракетных двигателей .периодическом включении микродвигателей коррекции на космических летательных аппаратах, при аварийной разгерметизации емкостей и трубопроводов высокого давления.Важнейшими элементами данных течений являются крупномасштабные вихревые образования, которые определяют способность импульсных струй распространяться на ¡большие расстояния и значительно увеличивают время установления стационарных распределений параметров, приводят к заметному ушире-ншо струй и перестройке в пространственных распределениях плотности по сравнению со стационарными. Именно поэтому для предсказания поведения импульсных струй в разлыных условиях истечения необходимо изучение физических механизмов образования! и развития крупномасштабных вихревых структур.

Целью данной диссертации было экспериментальное изучение основных закономерностей образования и развития вихревых структур в сверхзвуковых импульсных струях, истекающих из односопло-вых и многосопловых блоков,а также исследование влияния определяющих параметров истечения на законы движения и бокового расширения крупномасштабных вихрей, , пространственные распределения плотности в вихревых образованиях.

Научная новизна работы состоит в том,что:

1. Экспериментально изучены механизмы формирования вихревых структур, движущихся со сверхзвуковой скоростью в импульсных не-дорасширенных газовых струях. '

2. Измерено распределение плотности в сверхзвуковом вихревом кольце, образующимся в головной части импульсной струи газа ь широком" диапазоне изменения температурного фактора. Получена аппрюксимационные соотношения,описывающие в безразмерных координатах закономерности движения крь .шомасштабного головного Еихря для импульсных струй,азота,углекислого газа.аргоно и гелия.

3. Найдено, что-, время установления стационарных распределений плотности в дальнем,поле струи определяется временем жизни круп-

номасштабного головного вихря. Обнаружена способность головного вихря распространяться на расстояния 50 диаметров выходного сечения сопла, что приводит к значительному увеличению дальнобойности нестационарной струи по сравнению со стационарной-¿. Обнаружено,что поперечное взаимодействие вихревых структур в блочных струях приводит к расталкиванию соседних струй, причем угол между осями струй может достигать 20°.. Установлено" образование в составной струе общей1 головной части,- представляющей собой крупномасштабный рихрь с боковыми выбросами1 газа.

Практическая ценность работы; заключается в следующем:

Обобщенные эмпирические зависимости,, описывающие движение стартовых ударных волн, вихревых .колец могут быть применены при проектировании космических летательных аппэратов, а'именно: при компоновке взаимного расположения радиоантенн , оптических элементов и солнечных панелей по отношению к импудьсно включаемым реактивным двигателям. Полученные общие закономерности развития импульсной струи можно использовать для анализа аварийных ситуаций -при разрыве емкостей и трубопроводов высокого' давления; разработки инженерных методик расчета импульсных . нагрузок, возникающих в подобных ситуациях, на элементы конструкций.

Полученный набор экспериментальных данных может быть использован для проверки имеющихся численных, аналитических методов расчета импульсных сверхзвуковых струй и для п-строения новых математических моделей.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме "оптические методы в изучении динамики жидкости и твердых тел" (Либлис, Чехословакия, 1984 г.); VIII Всесоюзной конференции по динамике разреженных ruooo (Mockfi,1985 г.); XIV Всесоюзном семийаре по газовым струям (Новосибирск,1987 г.); V Международном симпозиуме по визуа-, лизации течений (Прага, Чехословакия, 1989 г.); Международном симпозиуме "Генерация крупномасштабных структур в сплошных сре--дах" (Пермь-Москва, 1990 г.), 17 Международном симпозиуме по динамике разреженного газа (Аахен,Германия,1990 г.); VIII Всесоюзной школе-семинаре,"Современные .проблемы газодинамики к теплообмена и пути повыьлшя эффективности энергетических установок" (Кпнрв, 1991 Г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь печатных работ.

Объем диссгртавдм. Диссертация состоит из введения и четыре! глав. Работа изложена на 73 страницах машинописного текста, включает 90 рисунков и 3 таблицы, имеет список литературы из .93 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В главе 1 представлен обзор основных результатов по экспериментальному и теоретическому изучению волновой и вихревой структуры в нестационарных газовых струях, образующихся при выходе ударной волны из осесимметричного канала, при импульсном истечении газа из сопла.

Аналитическое описание процесса запуска в центральной части импульсной струи проводилось с использованием модели ради&лыю расширянцегося газа от внезапно включенного источника в [П для случая расширения газа в вакуум и в 121 для сильно недорасширен-ных струй.Проведенные в последнее время численные расчеты по исследованию импульсной струи на основе системы двумерных ностационарных газодинамических уравнений Эйлера для случая недорасши-ренных (31 и расчетных струй. (43 позволили детально пронаблюдать формирование крупномасштабного вихря вблизи головной части струи, выявить чисто нестационарную пространственную систему ударных волн.Параметрическое численное моделирование расчетной струи при варьировании .числа Маха нч срезе сопла и отношения плотностей истекающего и окружающего газов,позволило выявить два типа течений Шгпервый - нестационарная струя с одиночным головным вихрем, второй - нестационарная струя с "коконом" возвратно движущегося газа, представляющего собой цепочку вихревых колец.

В экспериментальной работе 151' указывалось на существование системы вихревых колец, образующихся при запуске струи,однако причины их образования не рассматривались.На основашп: анализа литературных данных показано, что вихревые кольца являются неотъемлемыми элемэнтами импульсной струи, однако до настоящего времени, отсутствуют систематические экспериментальные исследования закономерностей образования и развития вихревых структур в сверхзвуковых осесимметричных струях.

По второй гляве приводится - писание экспериментальной усть-

нов'ки и методики проведения измерений. 1

Эксперименты были проведены на установке "Диоген" лаборатории физической газодинамики ИВТАН. Экспериментальная установка включала в себя три основных элемента: ударную трубу, состоящую из двух камор высокого и низкого давлений, сопловый блок и вакуумную камеру. Камера низкого давления (KHS) имела квадратное сечение 40x40 мм2, длину 4,0 м. В торце ударной, трубы устанавливались исследуемые' сопловые блоки. В вакуумной камере объемом 1м3, соединенной с ударной трубой, имелись оптические окна размером 200x180 мм2 для наблюдения за истекающим из сопла газом. Скорость падающей ударной волны измерялась на основа показаний частотомеров, регистрировавших сигналы с датчиков давления. Поскольку площадь поперечного сечения сопла былэ менее 3% от площади торца,влиянием отверстия на параметры торможения газа моа-но пренебречь [61. Поэтому параметра торможения газа на входе в сопловые блоки определялись из таблиц параметров за отраженными ударными волнами. ,

Развитие импульсных сверхзвуковых струй, регистрировалось через теневой прибор,ПАЕ-451 как с помощью однократного фотографирования на широкую пленку размером 60x60 мм2, так и с помощью высокоскоростной камеры ВСК-5 с размером кадра Т6х22 мм? и 72 кадрами,получаемыми в одном эксперименте с временным интерзалом мевду кадрами 3-20 мкс.Для обеспечения совместной работы камеры ВСК-5 и теневого прибора устанавливалась дополнительная: оптическая система 171. Для получения количественной информации о плотности газа в импульсных струях были собраны ttö основе теневого прибора сдвиговый интерферометр с дифракционной решеткой и лазерный интерферометр с узким опорным пучком. В качестве источника света использовался рубиновый лазер 0ГМ-20.-

Обработка интерферограмм путем цифровой регистрации расположения интерференционных полос проводилась с помощью телевизионной камеры,соединенней с комплексом для обработки изображений "IBAS". Далае данные обработки передавались на компьютер IBM PC/AT, где с помощью-специальной программы преобразовывались в, смещения интерференционных полос. Экспериментальные точки смещения,',интерференционных полос в заданном поперечном сечении аппроксимировались методом наименьших квадратов с помощью кубических сплайнов 18].Решение интегрального уравнения Абеля,связывающего распределение плотности газа в струе Ъо смещениям! интерференционных полос,проводилось методом Пирса [9].В определенга.

смещения интерференционной полосы ошибка не превышала 0,05 ши-эшш между полосами.Проводилось тестирование работы программы, !Спользуемой для решения уравнения Абеля,на модельных функциях I определялось влияние погрешности в начальных данных на итого . зув погрешность в распределении плотности газа-в струе. Как по сазали расчеты относительная погрешность* в определение -плотное -га была максимальной на оси струи и не превышала 15% .

В главе 3 описаны результаты изучения форм1грования крупно-ласштабшх вихревых структур в осесимметричных недораешкренннх шпульсных струях.

В экспериментах испол; зовались звуковые конические сопла с диаметрами критического сечения dA= 4,0; 5,5; 7,8 мм.Камерл нтлс coro давления и вакуумная камера наполнялись рабочими газами в щапазоне 0Ю= 30 - 760 Topp. В качестве рабочих газов исполь-ювались азот, углекислый газ, аргон и гелий. Нерасчетность истечения п = Ра/Рю(где Р& - давление на срезе сопла, Р^-давлегар 'аза в вакуумной камере) менялась в диапазоне от 10 до 70 путем вменения числа Маха падающей ударной еолны Mq= 2,0 - 4,3. 'емпературный фактор i = Та/Тда (где Та -температура газа на сре-¡е сопла, Тто-температура газа в вакуумной камере) варьировался в гределах % = 0,8 - 7,5. Число Рейнолъдса Re+, посчитанное по па->аметрам газа в критическом сечении,изменялось в диапазоне Re^= 1x104 + 5x105.

На рис.1 приведена типичная интерферограмма процесса исте-;ения импульсной азота (п = 18, т = 3,0) для момента времени t = ■ß икс. Как видно из фотографии основными элемента™ импульсной ¡Труи являются: стартовая ударная волна' (СВ), распространящая-:я в окружающем газе, фронт истекающего газа (КП) с вихревыми :ольцами (В1, В2. В3), вторичная ударная волна (ВВ), ядро изэнт-юпического расширения струи (I) вблизи среза солла.На основании юлученных шлирен-фотографий и интрферограмм импульсных струй : указанном вше диапазоне параметров предложена общая схема труктуры импульсной струи (рис.2).В истекающем газе формируются ри вида тороидал:ных вихрей 1, 2. 3 с различными причинами обрз-оьания; висячие скачки 1С,вторичные ударные волны 7, 8¡отрадные скачки 9, стартовая ударная волна б, отраженная волна 11. ихревое кольцо 1 возникает при импульсном повышении давления на ромке сопла в начале процесса истечения. Причиной образования ихря 1 является неустойчивость пограничного слоя, сходящего с ремки сопла.Вихри типа 2"образуются на головной сферической ча-

Ь

Рис.I.Интерферограыма импульсной Рис.2.Схема ударно-волновой)

струи Н2 ( На=.1 ,п=18) для и вихревой структуры

момента времени +,=48 мкс импульсной струи

Рис.3.Траектории движения СВ,КП,ВВ,вихря В3 и зависимость гв с времени:точки-экспериментальные данные,линии-расчет [31

б

ти импульсной струи вследствие неустойчивости Рэлея-Тейлорн НРТ). Условия для возникновения НРТ реализуются на начальной ¡тадии истечения, когда плотный газ струи вытесняет легкйй газ кружащего пространства, испытывая при этом отрицательное ускорение g = 1,1х108 + Ю^м/с2. С течением времени по мере расшире-ия газа градиент плотности на контактной поверхности изменяет вое направление па 'i80°,что приводит к исчезновению условий для альнейшего роста НРТ. Сверхзвуковой вихрь 3 возникает вблизи ройной точки пространственной конфигурации гидродинамических азрывов,состоящей из висячего 10 и отраженного 9 скачков, диска axa 8, контактного разрыва К. Вдоль контактного разрыва,исходя-зго из контура диска Маха в виде конической поверхности проис-одит взаимодействие газа высокого дар лени л, "прошэдаего через иск Маха с высоконапорнш газом, сжатым при прохождении через исячий и отраженный скачки-. В результате взаимодействия обоих этоков газа происходит отклонение внешнего высоконапорного потов в боковом направлении. Рост поперечных размеров головной эсти струи приводит к увеличению лобового сопротивления. Однов-змекно с этим процессом по мере вытеснения газа окружающего ространства расширяющейся частью фронта струи за ней образуот-я область пониженного давления. Совместное действие этих двух зкторов создает условие для формирования крупномасштабного гаревого кольца 3. Но мере развития течения диаметр вихревого эльца 3 достигает величины в 2,5 раза превышающей наибольший эперйчный размер стационарной струи.

Количественная обработка интерферограмм и теневых фотограй позволила получить траектории двигэния ударной волны СВ , знтактной поверхности КП, -вихревого кольца В^ и вторичной парной волна ВВ-вдоль оси струи (рис.3). На этом же рисунке зедставлена зависимость радиуса вихревого кольца Вд от времени, ш' сравнения с экспериментальными данными сплошными и пунктир-ми линиями представлены результаты численного решения уравно-й Эйлера методом Мак-Кормака [33.. Впдно.что с течением времени юисходит постепенное ослабление СВ и торлояениз контактной >верхности вместе с вихревым кольцом В3. Положение ударных волн î и ВВ,контактной поверхности КП удовлетворительно согласуется экспериментальными результатами в интервале 50 MKC<t<150 мкс. расчете наблюдается зарождение, и развитие тороидального Еихря ¡ в соответствии с картиной течения на рис.2. Тем не менее раешные значения положений, вихря Вд систематически оказываются

•расположенными вдасе экспериментальных точек на величину ~10% , . _что превышает погрешность, измерения координаты вихря. РадИус • вихря'в эксперименте несколько"превосходит, расчетные значения. Различие расчетных.и экспериментальных данных может быть объяснено" отсутствием учета вязкости газа в модели идеального газа. Влияние-вязкости пригодит в реальном газе к диффузии завихренности •вихревого КЪльца Вд в.окружающее пространство,постепенно-" му замедлению скорости движения вихря, росту его поперечного размера'.

На рис.4 приведено распределение плотности в поперечных, сечениях (а - 3) импульсной оеесимметричной струи для момента времени I = 48 мкс, полученной на основе обработки интерферограммы. Сечение а-Ь расположено между СВ и КП, сечение с - по фронту истекающего газа, сечение й-;] - между,КП и ВВ.Значение плотности газп в струе обезразмерены на плотность окружающего газа рда.По оси ординат отложена безразмерная поперечная координата у = у/г. Участки постоянного распределения^плотности соответствуют газу окружающего- яространства с р =1. Скачок плотности соответствует плотности за СВ. Сечение ^ проходит по кольцевому вихрю 3 и характеризуется немонотонным распределением плотности с ярко выраженным минимумом в центре вихря.

Важно отметить,что. моменту лремени I = 48 мкс скорость движения вихря равна 500 м/с и он является сверхзвуковым по отношению к газу окружающего пространства. Ввиду большой скорости вращения газа в вихре, действие центробежной силы приводит к значительному падению плотности газа 0,35 рю в ядре вихря. Вихрь является устойчивым.долгоживущим образованием и как показали экспериментальные данные величина плотности газа в центре ядра вихря в интервале времен 1; = 48 + 126 мкс меняется'незначительно.

Для изучения влияния температурного фактора % на фррмиро-вание крупномасштабных вихревых в струях- были проведейы эксперименты с установкой диафрагмы из кальки на входе в сопло.Температурный фактор менялся в диапазоне х = 0,8 - 3,2 , при этом не-расчетность истечения поддерживалась постоянной п=10. Анализ ин-терферограмм и шлирчн-фэтографий позволил представить общую схему основных элементов."холодных" т = 0,8 и "горячих" т = 3,2 импульсных струй (рис.5).Общим элементом в обоих случаях является крупномасштабный вихрь 3, представляющий собой нестационарный эламент структуры струй и определяющий динамику импульсных струй. Вслед за вихрем 3 имеет место струйное течение с нестационарной

Рис.4.Пространственное распреде- Рис,5,Основные элементы тече-

ление плотности газа в головной части струи N2

вд в импульсных, струях> а"ота: а-т=0,8;0-т:--3,2 !

Ряс.б.Схема течения в импульсной струе, истекающей из двухсошю-вого блока:а-осевая плоско;ть,¿-плоскость взаимодействия-

границей 2, начальным участком с бочкообразной границей 1 (рис.5). Видно, что за вихрем 3 имеет место сужение гоггеречного сечения струй, связанное с подсосом' окружавдего1 газа в вихрь. Нестационарная ооковая граница 2 "горячей* струй имеет резко выраженную немонотонность 4 в области за начальным1 участком, что вызвано струйным обтеканием вихря 3 на> начальной стадии развития (рис.5б). Получено, что падение плотности в сечениях проходящих центр вихря при х = 3,2 происходит ДО1 0.6 рет ,- в то время как при 0.8 имеет место незначительное' отклонение от плотности окружающего газа 0,8 рю. Сравнение распределений плотности на начальном участке показывает,что имеет место уширение "горячей" струи в 2,5 раза по сравнению с "холодной" струей". На основе обработки теневых фотографий были построены траектории1 движения вихревого кольца В3 для "холодной" и "горячей"' струй1, оказалось, что нагрев струи приводит к увеличению скорости головного вихря в 1,4 раза.

Использование в качестве рабочих газов азота, углекислого • °аза, аргонд и гелия позволило проследить динамику вихревы* структур при изменении физических свойств истекающего газа.

Для исследования влияния физических свойств истекающего газа на формирование вих'ревых структур в импульсных осесимметрич-ных струях КНД и вакуумная камера поочередно наполнялись различными рабочими газами: азотом,углекислым газом,аргоном и гелием. Нерасчетность истечения для всех газов поддерживалась равной п = 10. Давление и температура покоящегося газа в вакуумной камере • равнялись* Vm- 380 Topp, Тю= 300 К.

Как показывают многочисленные фотогра'аи импульсных струй имеется общая картина течения для всех газов, подобная по структуре течению в "горячей" струе (рис.5). При запуске струй вблизи передней границы истекающих газов- образуется головной вихрь, который двигается вниз по течешпо вместе с фронтом газа.Нестационарные боковые выбросы на границе струй наиболее ярко выражены ■ в аргоне, хотя они заметны и в струях азота, углекислого газа,, гелия. Как показали траектории движения СВ,КП и вихревых колец для <-,труй N£,C02,Ar и Не наибольшая скорость движения основных ' элементов достигается при использовании в качество рабочего газа гелия, а наименьшая при использовании углекислого газа.Для получения обобщенных зависимостей положения СВ, КП и В использовались безразмерные координаты x=x/r#,t=t-cf/rt (где. х:-координата вдоль оси струи, t - время,отсчитываемое.от начала истечения.га-

за из сопла, с,- критическая скорость звука). Для получения оп-прокоимационных зависимостей до методу наименьших квадратов использовались показательные зависимости типа х = А-г® . Коэффициенты, описывающие траектории.движения СВ, КП и вихревых колец для каждого газа приведены в таблице ;

Газ СВ В

А а А а А а

со2 н2 " АГ Не 2,28 ; 1Д8 ; 1,74 ! 1.15 1 0,75 0,81 0,77 0,90 2,25 1,77 1.42 0,54 0,64 .0,70 0,73 0,98 0,79 0,84 0,90 10,1 0,76 0,61 0,47 0,35

Для изучения роли физических свойстз газа окружающего пространства в процессах вихреобразования был проведен следующий эксперимент. В качестве рабочего газа использовался гелий с заданными параметрами торможения, а вакуумная камера наполнялась либо гелием, либо азотом при одинаковых давлениях и температуре Рю= 380 Topp, Tm= 300 К. Как показали теневые фотографии картина течения' для случая истечения Не в Не принципиально- отличается от случая »стечения Не в N2. Так характерная картина течения в импульсной струе с начальным участком, головным вихрем в Не в Не трансформируется в случае истечения На в Ng в струг приблизительно постоянного сечения' с интенсивным турбулентным смешением на границе струи. При этом скорости движения СВ и КП для случая истечения легкого газа Не в тяжелый газ И2 заметно меньше,чем для случая истечения легкого газа в легкий. На границе струи при истечении Не в N2 формируется "бороздчатая" структура, физическая ' природа которой связана с формированием крупномасштабных вихревых структур.

Одним из важных вопросов являлось изучение влияния числа Ройнольдса на срезе сопла ReA на закономерности движения и роста %ихревых структур. Изменение числа Re^ проводилось за счег изменения плотности газа на срезе сопла. Последовательно проводили^ эксперименты с наполнением камеры низкого давления н вакуумной камеры азотом при давлениях с? 30 до 760 Topp . Число Маха падающей ударной волны поддерживалось равной И0= 2.6,что обеспечивало постоянство нерасчетности истечения п и температурного

фшстора и.в то время как число Re^ менялось в диапазоне от 2x10* •V 5x105. Обработка шлирен-фотографкй позволила построить траектории движения крупномасштабного головного вихря и зависимость его поперечного размера от времени для чисел Рейнольдса Re^= 2x104 и ReA = 5x105. Как показали экспериментальные данные скорость движения крупномасштабного вихря слабо зависит от числа Рейнольдса.Диаметры вихревых колец монотонно растут со временем, выходя -к моменту времени 100 мкс на практически постоянное значение. При уменьшении числа Рейнольдса имеет место незначительный рост поперечного размера ьихря.

Глава IV посвящена экспериментальному изучению развития вихревых структур в блочных импульсных струях. В торце ударной трубы поочередно устанавливались четыре вида двухсопловых блоков (I -III.V), один однгсопловый IV и один трехсопловйй VI, через которые происходило истечение ударно-нагретого Газа в вакуумную камеру. Все исследованные блоки - звуковые. Диаметр критического сечения d„ в двухсопловых блоках (I-III) взят из соображений равенства расхода с односопловым блоком и составляет 2,75 км. Относительный разнос L,t е. отношение расстояний5 между соплами к диаметру критического сечения,у блока 1 равнялся 1^= 2,5;у блока II - Lg= 4*,4; у блока III - Ig= 6,2. У блока V диаметр крити- •• ческого сечения был равен d^= 5,5 мм,а относительный разнос имел значение L-= 4,4; у блока VI dt= 2,75 мм и сопла отстоят друг от друга на равных разносах L6= 4,4. Условился считать осевой плоскостью плоскость,в которой находятся оси-сопел,и плоскостью взаимодействия перпендикулярную ей плоскость, расположенную посередине между осей сопел. При исследовании развития вихревых структур за блоками сопел теневыми и интерференционными методами было проведено две серии экспериментов.В первой серии оптическая ось теневого 'прибора ИАБ-451 была параллельна плоскости взаимодействия блочной струи, а во второй-- осевой,плоскости. Камера низкого давления и вакуумная камера наполнялись азотом, воздухом до давлений Рю= 30 + 380 Topp, число Маха падающей ударной волны " менялось в диапазоне М0= 2,5 + 4,что обеспечивало параметры торможения Р0= I + 23 атм, TQ= 1050 + 2300 К , диапазон изменения нера^чэтности и температурного фактора струи п = 15 + 55л =2,9

Анализ последовательных фотографий развитая течения в блочных струях позволил выделить три последовательна стадли о^разо-мнкя квззигтацноязрных струй. Первзя стадия начинаете.» в момент

появления за срезом сопла истекающего газа, сопровождается возникновением характерной волновой и вихревой структуры и заканчивается в момент начала взаимодействия стартовых ударных ролн и вихревых колец. На второй стадии.происходит взаимодействие удар ных волн вплоть до пс1вления результирувдей стартовой ударной волны для всего блока. В течение второй стадии происходит поперечное взаимодействие головных вихрей соседних струй,причем них -ревые кольца ведут себя как упругие, устойчивые образования.При своем взаимодействии вихревые кольца препятствуют проникномнию друг в друга, что приводит к расталкиванию вихрей'Деформации их ядер.Обнаружено,что взаимодействие вихревых колец от каждого отдельного сопла для блока I с Ъ, = 2,5 приводит к сближению осей соседних струй в начальные (до 10 мкс) момент запуска (оси струй пересекают:я под углом Ю°),а через 50 мкс от начала истечения угол между осями расходящихся струй составлял 20°. Для блоков II и III тлеет место более слабое сближение, а затем расталкивание соседних струй до углов 15°. Длительность второй стадии как для двухсопловых.так и трехсопловнх блоков составляла 70 мкс.

В течение третьей стадии происходит объединение вихревых колец одиночных импульсных струй в результате чего образуется суммарный головной вихрь с долгоживущими выбросами газа, возникшими при его образовании. Наличие вперели моновихря ударной волны говорит о том, что он двигается со сверхзвуковой скоростью.С течением времени общее вихревое образование движется вперед,пос-тепеннр замедляясь. Длительное время существования головного вихря составной струи значительно увеличивает время установления стационарной структуры блочной струи. Длительность третьей стадии составляет примерно 500 мкс. С момента времени 500 мкс и до 1,2 мс картина течения в блочных струях практически пе менялась.

Как показали эксперименты существенное влияние на ударно-волновую и вихревую структуру составной струи на третьей' стадии оказывает разнос сопел в блоке.Степень нерасчетности поддерживалась равной п - 45 + 48,разнос соп^л менялся от 2,5 до б,2.Изменение разноса от 2,5 до 6,2 позволяло варьировать интенсивность "бокового" взаимодействия импульсных струй.

Как показал анализ большого количества шлирен-фотографяй составных струй, сделанных как в плоскости взаимодействия,так и осевой плоскости, при формировании составной струи параллельно развиваются два процесса взаимодействия.Это прежде всего взаимо-

ъ.л

Рис.7, Зависимость безразмерных диаметра вихря Б и величины растекания потока в плоскости взаимодействия й от времени г для блоков 1,11,111

-С8 -1+ —»гп -1---. —1-- , } 1 ; 1 *

-ГО -се - кп А \ /Ь. 1 ! АГ\

у ггт |

■я !

-

-

| 1 ' & • : 1 рГ ! 1 I 1 1 1

28

18

во

120

14Й

1вв

,Рис.8.Траектории движения стартовой ударной волны СВ,контактной поверхности КП в обобщенных координата* х и I для импульсных составных струй азота, истекающих из блоков II ч V

дв»ц»»*1ие вихревых колец от каждой струи друг с другом и "Соковые" взаимодействия струй, подобных по структуре стационарным струям. При взаимодействии головных вихревых йолец с одинаковыми по величине, но разными по знаку циркуляциями в области перекрытая происходит торможение газа и рост величины давления. Рэзникяюпшй при этом-градиент давлений приводит к растеканию газа в области перекрытия, образованию долгоживующих выбросов 2 (рис.6). Параллельное взаимодействие струй на начальном участке приводит к растеканию составной струи в плоскости взаимодействия, что наиболее, ярко выражено для блока I с наименьшим разносом. Форма выбросов 2 в плоскости взаимодействия существенно зависит от разноса сопел. Для блоков I и II преимущественным направлением являются выбросы газа под углом 45° к оси истечения.У блока III выбросы газа носят характер равномерного растекания из области перекрытия вихрей с преимущественным направлением по оси истечения. В результате обработки шлирен-фэтографий истечения струй для блоков 1,11,III построено развитие в безразмерных координатах Ъ = Б/ге, 5 = й/геД = Ьс^/ге (где Б, а и г - поперечные размеры головной части струи и время,ге- эффективный критический радиус одиночного сопла,равного по расходу блоку, с,- критическая скорость звука ) геометрических размеров общей головной части составной струи в плоскости взаимодействия и осзвой плоскости (рис.7). Размеры головной части составной струи в плоскости взаимодействия начинают превышать размеры струи в осевой плоскости, с момента времени 1 = 83 для блока II и X = 93 для блока "III. Как показало сравнение траекторий движения головных частей для составных (блоки 1-Ш)-и одиночных (блок IV) струй в безразмерных координатах х = ,х/ге , г = 1;-с„/ге имеет место отставание головной части одиночной струи.Ее положение на расстоянии 50- **е отличается на 30% от координаты головной части блочной струи.

Наряду с изучением развития головных частей составных струй в блоках с различными разносами сопел были проведены эксперименты по исследованию вихре во*1 структуры блока у геометрически подобного блоку II , с тем же относительным разносом Ь5= 4,4 , но здвое большим диаметром критического сечения сопел (1,.= 5,5 мм. Сак и для блока II в результате взаимодействия вихревых колец от сяждой из струй образуется общее для блока вихревое кольцо с сбросами газа. Форма выбросов газа на начальной стадии хорошо ювторяет форму переднего фронта взаимодействующих струй.Вели-

чина растекания составной струи в плоскости взаимодействия растет со времени и к моменту времени 300 икс сравнивается с размерами головной части в осевой плоскости. Использование обобщенных безразмерных координатахД = х/ге Д = ьс^/ге позволило обьединить экспериментальные точки для траекторий стартовой ударной волш и головной части струи для обоих блоков (рис.8).

выводы

1.Проведено оснащение экспериментальной установки интерферен-1донными методами диагностики газовых потоков,высокоскоростной камерой ВСК-5.

2.Установлены три механизма образования вихревых структур .возникающих в процессе-формирования сверхзвуковых газовых струй. Обнаружено,что в головной части нестационарных струй образуется крупномасштабный сверхзвуковой вихрь в диапазоне изменения нера-счетностей п = 10 + 70, температурных факторов т = 0,8 + 7,5.

3.Обнаружено,что изменение температурного фактора импульсной струи азота в диапазоне от 0,8 до 3,2 приводит к увеличению скорости головного вихря в 1,4 раза,уменьшению плотности газа в ядре головного вихря, уширению струи в 2,5 раза на начальном участке. ■ ~ , .

4.Получены аппроксимационные соотношения описывающие в безразмерных координатах 0<х<40, 0<1<120 траектории движения головных • вихрей в импульсных струях азота,углекислого газа,аргона и.гелия. Обнаружено,что при переходе от газов с большими молекулярными весами и .низкими скоростями звука (С02) к Легким атомарным газам с высокими скоростями звука (Не) скорость вихря увеличивается в 3 раза. ■-;'..-

5.Выявлено, что в результате поперечного взаимодействие -головных вихрей одиночных импульсных струй образуется;общая передняя часть составной струи,представляющая собой моновихрь с боковыми выбросами газа в диапазоне параметре з истечения п =15 + 55 , х = 2,9 +.6,5.

6.Определено влияш:э' относительного разноса сопел 1=2,5-6,2 на развитие во времени поперечных размеров головной части составной струи. Обнаружено, что размеры головной части струи в. плоскости взаимодействия с некоторого момента времени начинают превышать размеры струи в осевой плоскости для всех'блоков. '

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Голуб В.В.,Ньбоко И.М..Шульмейсте] A.M. Образование и развитие вихревых структур в импульсных струях // Моделирование, в механике .Новосибирск.-1987.-Т.I(18).-Т 6.-С.44-49.

2.Голуб В.В..Шульмейстер A.M. Стартовые ударные волны и вихревые структуры,возникающие при формировании струй //Изв. АН СССР.МЖГ. -1988.-Т 5.-С.146-150.

3.Golub V.V..Shulmelster A.M. Dynamics of largo-scale vortex structures emerging in the course of formLtlon of supersonic Jets //Proc. of the 5th Liquid State Corrf.,Moscow.-1989. -P.182-185.

4.Golub V.V..Shulmelster A.M. Formation of Impulse jets outflowing Into rarefied gas //Proc. of 17th Int. Symp. on Rarefied Gas Dynamlca,Aachen,FRG.-1990. -?. 616-618.

5.Голуб В.В.,Кабоко И.M..Шульмейстер A.M. К вопросу о структуре импульсной струи* за блоком сопел // Труды 8 Всесоюзной конференции но динамике разреженных газов,Москва,Г„85.-Москва, 1987.

-С.41-46.

9

6.Golub V.V., Naboko I.M., Shulmelster A.M. An investigation of impulse Jet outflowing from multlnozzle blocks by means of the Schlleren installation // Proc. of Int. Symp. on Optical methods in dynamics of fluids and solids,Czhehoslovakia, 1984.Berlin, Heidelberg:Sprlnger, 1985.-P. 357-363.

7.Голуб В.В.,Набоко И.M..Шульмейстер A.M. Взаимодействие вихревых структур.образуюцихся в параллельных импульсных струях // Изв. АН СССР,МЖГ.-I987.-Т 6.-С.153-159.

ЛИТЕРАТУРА

I.Гусев . В.Н. К вопросу о запуске сверхзвуковых сопел // Иня.журн.-1961.-ТЛ,-B.I.-C.I64-I68.

2.Чекмарев С.Ф.,Станкус Н.В. Газодинамическая модель и соотношения подобия для запуска сверхзвуковых сопел и струй // ЖТФ.-1984.- Т.54.-В.8.-С.1576-1583.

З.Гальцев В.Ф.,Голуб В.В.,Ляхов В.Н. и др. Моделирование истечения, импульсной сверхзвуковой струн горячего газа.- Иссл^дова-

trae в области измерения1 динамических и кинематических параметров жидкостей и газов.Сборник научных трудов / НПО"ВНИИФТРИ"-М.-1990.-С.26-43.

4.Norman íí.L.,Smarr L.L..Winkler К.-H.A. Shocks.interfaces and pattern In supersonic Jets // Physica1 D.-1984.-7>1'2.-P.83-106.

5.Белавин A.B..Голуб В.В.,Набоко И.M. и др. Исследование нестационарной структуры потока; при истечении ударно-нагретого газа // ПМТФ.-1973.-Т 5.-С.34-40.

6.BazhenoYa T.V.,Eremln A.V.,Kochnev V.A. et al.Test time be-hlndreflected wave in a shock tube with nozzle // Proc. 9th Intern.Symp..Stanford,USA.-1972.-P.1023-1040.

7.Работа высокоскоростной кинокамеры BCK-5 соЬместно с. i ам прибором ИАБ-451 / Ю.Л. Шаров ,В.В. Голуб ,А.Е. Ким и .-п. ПТЭ.-1986.-Т 5.-С.212-214.

в.Воскобойников D.E. и др. Математическая обработка эксперимента в молекулярной газодинамике / D.E. Воскобойников.Н.Г. Преображенский, А. И. Седельников .Новосибирск:Наука,1984.-238 с. ', ' 9.Пирс У.Д. Расчет распределения по радиусу фотонных излучате-г-- лей в симметричных источниках // Получение и исследование высокотемпературной плазмы.-М.: ИЛ,1962.-С.221-229.

А.М.Шулкмейстер

ОБРАЗОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР, ВОЗНИКАЮЩИХ ПР1. ФОРМИРОВАНИИ ИМПУЛЬСНЫХ СТРУЙ

Автореферат

'Подписано к печати 27.Í2.93

Печать офсетная Заказ H 6

Уч.изд.л. 1,16 Тираж 100 экз.

Формат 60/8VI6 Усл.печ.л. 1,25 Бесплатно