Визуализация сверхзвуковых течений газа импульсным объемным разрядом тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

РГ 6 ;. РГБ ОД

1 5 ДЕК ь« I 5 ДЕК 1338

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

КУЛИ-ЗАДЕ ТАХИР АЛЛАХЯР ОГЛЫ

УДК 553.6.01 1.72

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ СВЕРХЗВУКОВЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА ИМПУЛЬСНЫМ ОБЪЁМНЫМ РАЗРЯДОМ

Специальность 01.02.05 "Механика жидкости, газа и плазмы"

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в Московском Государственном

авиационном институте (Техническом Университете).

»

Научный руководитель: - к.ф.-м.н., в.н.с. И.А.Знаменская

Официальные оппоненты: - д.ф.-м.н., зав. сектора

Б.И. Алфёров - к.ф.-м.н., зав. лабораторией C.B. Гувериюк

Ведущая организация: Московский физико- технический институт, Московская обл., г. Долгопрудный

Защита состоится 6 декабря 1996 г. на заседании диссертационного совета К 053.18.02 в Московском государственном авиационном институте.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ. Адрес института: 125871, Москва, Волоколамское шоссе, 4. Автореферат разослан 5 ноября 1996 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

к.ф.-м.н.

1 -

Муслаев А.В.

/

/

- л -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность, темы.

Визуализация поля течения газа является основным способом получения информации при экспериментальных исследованиях в современной газовой динамике. Измерение физических параметров с помощью системы датчиков позволяет получать локальную информацию в основном на поверхности модели пли стенках рабочей камеры. Изображения поля течения - основной источник информации о положении и конфигурации ударных волн, контактных разрывов, вихрей, слабых возмущений, о распределении плотности, о линиях тока.

Предложенный новый метод позволяет существенно расширить возможности визуализации газовых потоков. Визуализация

импульсным разрядом позволяет представить динамику нестацио-

11 ■

парного процесса перехода к турбулентному теченшо в донной области как процесс эволюции вихрей.

Цель работы.

Целью работы является выяснение возможностей применения импульсного объёмного разряда с УФ предыонизацнен импульсным излучением от плазменных листов (ЙОР) для визуализации нестационарных пространственных течений газа и исследование особенностей некоторых течений в ударной'трубе с использованием предлагаемого метода визуализации.

Задачами исследования являются: 1) выявление возможностей предложенного метода визуализации, апробация метода на различных газодинамических потоках; 2) исследование некоторых сверхзвуковых течений с использованием метода.

Научная новизна.

Визуализация нестационарных газодинамических процессов импульсными объёмными разрядами ранее не осуществлялась. Обоснована применимость импульсного объёмного разряда с предыонизациен импульсным излучением от плазменных листов для визуализации нестационарных пространственных течений газа.

С использованием нового метода осуществлена многоракурсная визуализация пространственных нестационарных течений, возникающих при дифракции ударных волн (УВ) на сложных моделях, в том числе - элементов течения, недоступных для визуализации любым другим методом.

Впервые: обнаружены''моды пространственных колебании вихревого тороидального кольца при дифракции УВ на трёхмерном прямоугольном уступе; исследована релаксация градиентов плотносги вихревой области; исследована динамика и расслоение тороидального вихря, возникающего в области выемки в донной части конуса; визуализирована трёхмерная волна торможения.

Практическая ценность.

Предложенный метод может быть использован для дальнейших исследований нестационарных пространственных течении с неоднородности! плотности, в том числе элементов течений, не допускающих просвечивания.

Полученные результаты по динамике пространственной вихревой области в донных областях необходимо учитывать при расчётах воздействия, оказываемого ударными волнамн на соответствующие элементы конструкций. Эти результаты также представляются важными для верификации методов и программ численного моделирования трёхмерных задач нестационарной газовой динамики.

Достоверность результатов.

Для обоснования достоверности результатов, получаемых с использованием метода визуализации ИОР проведён специальный комплекс экспериментов, доказавших: 1) соответствие интегральной регистрируемой картины распределения свечения мгновенному изображению в любой момент за время экспозиции; 2) возможность регистрации быстропр отекающих процессов (время свечения всех элементов потока много меньше характерных газодинамических времён).

Защищаемые положения.

1. Обоснование применимости ИОР для визуализации нестационарных пространственных течений газа, в том числе элементов течений, недоступных для исследования любым другим методом. Анализ возможностей метода визуализации ИОР.

2. Апробация метода1 визуализации ИОР. Многоракурсная: регистрация течений с плоскими УВ и с возмущениями при импульсной объёмной ионизации.

3. Динамика пространственных вихревых течений, возникающих при дифракции УВ на трёхмерных уступах.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на XVI Научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография, фотоинка н метрология быстропротекающих процессов". Москва, 1993; конференции "Физшса н техника плазмы". Минск, 1994; III Межгосударственном симпозиуме по радиационной плазмодннамике. Москва, 1994. VI, VII, VIII конференциях по физике газового разряда (1992 - 1996 гг.); III межгосударственной научно - технической конференции "Оптические методы исследования потоков". Москва, 1995. 1-й международной конференции по соплам и струям Москва,

-61995; международном семинаре "Оптические методы и получение информации в исследовании потоков", Лондон, 1996.

Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-10].

Структура работы.

Диссертация состоит из введенйя, трёх глав, заключения, выводов, списка цитируемой литературы из 71 наименования. Работа изложена на 100 страницах и включает в себя 22 рисунка, 2 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении отражены актуальность темы, научная новизна и практическая ценность метода визуализации газодинамических потоков импульсным объёмным разрядом. Кратко изложено содержание работы.

В первой главе содержится обзор работ, посвящёпных методам визуализации пространственных течений газа, показаны области применения, возможности и ограничения различных методов.

Исследования на ударных трубах оптическими методами предполагают наличие ряда условий: окон в рабочей камере дта сквозного обзора объекта, необходим источник излучения малой длительности, синхронизированный с газодинамическими процессами. При этом одна оптическая система допускает один ракурс; получаемые изображения не позволяют восстановить трёхмерною конфигурацию объекта (кроме простых осесимметричных случаев).

В случае если оптический путь перекрыт элементом модели, зондирование данной области потока исключается. В таких случа-

ях неизбежен переход от исследования пространственных течении к двумерным: вместо сферы, конуса в поток помещаются, соответственно, цилиндр, клин н т.д. Однако не всегда полученные результаты можно переносить с соответствующими изменениями на трёхмерный поток, особенно в отрывных течениях. При исследовании трёхмерных течении с ударными волнами недостатки традиционных методов являются существенными и ведут зачастую к неопределённости и ошибкам в интерпретации изображении. При плохой повторяемости экспериментов, существенной нестационарности пространственных процессов в потоке газа возрастает роль многоканальной диагностики, в том числе специальных методов, позволяющих осуществлять многоракурснуго регистрацию потока с визуализацией поля.

При визуализации сверхзвукового потока стационарным разрядом вносятся существенные изменения в поток.

Анализируются данные об импульсном объёмном разряде при наличии газодинамических неоднородностен в объёме в связи с возможностями использования такого разряда для визуализации потока. Ранее визуализация газодинамических процессов импульсным объёмным разрядом не осуществлялась.

Импульсный объёмный разряд с предыонизациеи УФ излучением от скользящего по поверхности диэлектрика разряда широко применяется в нмпулъсно-периоднческих СО: н эксимерных лазерах. В диссертации показано, что ИОР позволяет импульсно однородно ионизовать газовый объём, выявляя неоднородности и разрывы газового потока. , ..

Теоретически перераспределение интенсивности .свечения импульсного объёмного разряда при наличии газодинамических неоднородностен н разрывов не рассматривалось. Такое рассмотре-

ние предполагает учёт различных эффектов, определяющих интенсивность излучения в каждом диапазоне параметров. Даже в двумерной постановке такая задача является чрезвычайно сложной.

Во второй главе описываются исследования, проведённые на установке УТРО (Ударная Труба - Разряд - Оптика) с целью обоснования предложенного метода визуализации нестационарных пространственных течений газа ИОР.

Установка представляет собой комбинацию ударной трубы со специальной разрядной камерой. В ударной трубе формируются плоские УВ с однородными потоками за ними.

Ударно-волновая часть установки состоит из камер высокого н низкого давлений, разделёншлх диафрагменпой секцией. Камера низкого давления общей дшшои 240 см состоит из о гдельных секции, изготовленных из медного волновода с внутренним сечением 24*48 мм2. Пьезоэлектрические датчики располагаются в текстолитовых секциях заподлицо с поверхностью канала и не вносят возмущений в потоки. Рабочая секция установки изготовлена из ка-пролона и имеет дшшу 33 см. На участке длиной 17 см противоположные стенки секции заменены плоскопараллельными кварцевыми стёклами так, что канал рабочей секции является продолжением канала волновода камеры низкого давления.

Приведены результаты исследования импульсного объёмного разряда в ударной трубе в широком диапазоне параметров, пространственно-временные характеристики свечения разряда и элементов сверхзвукового потока. Временные характеристики разряда исследовались: 1) по осциллограммам с шунта, включённого последовательно с накопительным-конденсатором; 2) регистрацией свечения разрядного объёма в режиме непрерывной щелевой развёрг-

кп электронно - оптическими камерами АГАТ-СФ-ЗМ н ФЭР-7. Результаты независимых измерении двумя методами сравнивались.

Были проведены исследования пространственно-временных характеристик свечения: 1) плазменных листов; 2) каналов на поверхности диэлектрика; 3) объёмного разряда; 4) участков стягивания тока (при предельных давлениях). Анализ развёрток свечения показал, что времена свечения объёмного разряда и других элементов разряда зависят от давления газа.

Получены щелевые развёртки свечения элементов сверхзвукового течения воздуха при импульсном объёмном разряде: 1) области плоской УВ, 2) головной УВ перед затупленным цилиндром с ударным слоем. Представлены типичные развёртки свечения области вдоль осп симметрии сверхзвукового течения перед затупленным цилиндром диаметром 10 мм при давлении в набегающем потоке 170 Topp, числе Маха потока 1,4. Показано, что характерное время свечения элементов потока при импульсной объёмной ионизации составляет 150^200 не. Развёртки свечения элементов течения показали, что перераспределения параметров за время протекания тока не происходит. За время свечения объёмного разряда даже прп скорости 2000 м/с ударная волна успевает сместиться лишь на 0,4 мм.

Таким образом, показано, что интегральная регнетращи свечения импульсного объёмного разряда с предыонизацпен УФ излучением от плазменных листов при наличии газодинамических возмущений в потоке является методом пмпульспои диагностики потока с визуализацией поля, сделан вывод о возможности эффективного использования установки для изучения поля течения шп-

рокого класса задач нестационарной газодинамики посредством визуализации разрядом.

В третьей главе анализируются недостатки и достоинства метода визуализации импульсным объёмным разрядом (ВИОР) при многоракурсной регистрации пространственных течений газа. Метод ВИОР применён для визуалнзащш различных видов течений, создаваемых в ударной трубе. Визуализировались одномерные, двумерные, трёхмерные потоки, как стационарные, так и нестационарные.

При визуализации стационарных газодинамических течений (сверхзвуковое обтекание модели) схема эксперимента была следующей: плоская УВ с числом Маха 2,5+5,5 из канала ударной трубы входит в разрядную камеру, происходит дифракция на модели, закреплённой по оси камеры, устанавливается сверхзвуковое обтекание модели (за 30+50 мке), инициируется разряд. Инициирование разряда в потоке газа позволяет визуализировать неоднородности и скачки в заданный момент нестационарного газодинамического процесса. Система синхронизации через пьезодатчикн в канале трубы обеспечивала необходимую задержку поджига разряда.

К достоинствам предлагаемого метода относятся:

1. Высокое пространственное и временное разрешение: время экспозиции до 200 не « характерных газодинамических времен; пространственное разрешение - 0,5 мм.

2. Простота регистрации.

3. Возможность многоракурсной визуализации сложных пространственных течений (в том числе при перекрывании оптической оси моделью и в полузакрытых объёмах). Съёмка сложных про-

сгранствешшх течении осуществлялась через ¡.два окна рабочей части ударной трубы с общим углом обзора до 200°.

4. Высокая чувствительность к слабым возмущениям и неод-нородпостям.

5. Отсутствие нагрева потока за время свечения.

Проанализированы недостатки метода.

Апробация метода импульсной визуализации поля течения была проведена первоначально для относительно простого случая распространения плоской УВ в канале ударной трубы. Показано, что визуализация плоской УВ импульсным объёмным разрядом позволяет определить положение УВ и демонстрирует плоскую форму фронта. Объёмный разряд поджигался только перед УВ. В направлении к плоскости УВ в области до 2 см имел место градиент интенсивности свечения, зависящий от плотности, и расстояния от начала разрядного зазора, т.е. от величины удельного энерговклада в объём перед УВ. Временные характеристики тока разряда оставались примерно одинаковыми при любом положении УВ в разрядном обьёме - такими же, как у разряда без волны.

Получены изображения последовательных стадий процесса дифракции УВ на клине, установления обтекания, в ударной трубе и проведено сравнение результатов с изображениями, полученными теневыми, пнтерферометрическими методами и с численными расчётами. Проведена идентификация элементов двумерного течения, визуализируемых методом ВИОР.

Взаимодействие УВ с клином приводит к возникновению сложной нестационарной картины из ударных воли, вихрей, контактных поверхностей. В области вихря возникает сильный градиент давления, однако на теневых снимках определение положения вихря затруднено.

Между окнами разрядной камеры клин с углом полураствора 10° длиной 28 мм устанавлйвалсяпод нулевым утлом атаки к набегающему потоку. При движении УВ вдоль клина визуализировалась только область перед волной - область низкого давления. На последующих фотографиях чётко -визуализируются два цилиндрических вихря, образовавшиеся за -кромками - высвечивается область низкой плотности. Хорошо определяется форма прошедшей УВ с искривленным участком, формирующимся при взаимодействии пристеночных УВ.

При установлении обтекания основными визуализируемыми элементами двумерного течения являются висячий скачок уплотнения на выходе из канала и хвостовые ударные волны. В турбулентной области в зоне отрыва формируются возмущения, переходящие в хвостовые скачки.

Исследовано пространственное нестационарное течение в донной части конуса при дифракции ударной волны М=2-ь5,5. Визуализированы последовательно нестационарные процессы: дифракция УВ на конусе; огибание трёхмерного угла; установление обтекания в донной части. Наибольший интерес представляет исследование нестационарных процессов в донной части конуса. Это связано в первую очередь с тем, что внутренние элементы трёхмерного течения при исследованиях оптическими методами оставашгсь недоступными для визуализации. Кроме того, перекрывание моделью оптического пути исключает зондирование центральной (осевой) области. Показано, что при дифракции УВ на конусе с уступом метод ВИОР предоставляет возможность многоракурсной визуализации элементов течения, недоступных для любых других оптических методов! -

По.тлчены изображения с трёх, ракурсов одновременно - под углами 85°, 120°, 240° к оси симметрии потока в различные моменты времени - от 10 до 130 мкс после прохода УВ. Многоракурсная съёмка позволяет зарегистрировать турбулнзацшо атмосферы вихревого кольца, визуализируются моды пространственных колебаний (нзгибиые модал). Обнаружено, что образовавшееся вихревое кольцо имеет неосесимметричную структуру начиная с 1=10+15 мкс. Релаксация вихревого кольца сопровождается его расслоением.

Для трёхмерного моделирования динамики вихревых структур при дифракции ударной волны на уступе с большим утлом излома была использована вторая модель. Донная часть конуса в этой модели являлась трёхмерным аналогом плоского клина: конус оканчивается выемкой в форме усечённого конуса. Регистрация велась с двух ракурсов одновременно - под углом 110° и 255° в том же диапазоне параметров.

Представлены изображения с двух ракурсов тороидального вихря, движущегося от выемки: под углом 120° к оси. Получен трафик зависимости координаты заднего края вихря (ближнего к конусу) от времени: вихрь отходит от конуса, останавливается, затем расслаивается. Средняя скорость вихря при движении составляет 40±10 м/с.

Визуализирована близкая к конической поверхность, выходящая из выемки, в момент времени 1=40 мкс. Это трёхмерный аналог волны торможения. Коническая во/та торможения обращена вверх по потоку, в ней газ, ускоренный в волне разрежения, тормозится до скорости, соответствующей дифрагированной волне. В окрестности вихря возникает сильный градиент давления вследствие существования области повышенного давления за волной торможе-

ння и области пониженного давления вдоль линии отрыва. Угол наклона регистрируемого участка конической поверхности к осп -около 45° (М=3,2). Через 80+100 мкс в донной области устанавливается турбулентное течение, в котором основным структурным элементом являются тороидальные вихревые жгуты с пространственным масштабом от 0,5 мм. Приведён график зависимости координаты передней границы турбулентной зоны, определённой по границе светящейся вихревой зоны, от времени. Течение пульсирует с периодом 50+60 мкс, жгуты периодически то образуют широкую область, то сжимаются в один неустойчивый жгут. Интерпретация результатов для дайной нестационарной задачи осложняется невозможностью использования результатов численных расчётов, которые практически отсутствуют.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обоснована применимость импульсного объёмного разряда с предыонизацией от плазменных листов для визуализации пространственных нестационарных течений. Исследованы пространственно-временные характеристики разряда в потоке воздуха. Получены щелевые развёртки свечения элементов сверхзвукового течения воздуха при импульсной объёмной ионизации: области плоской УВ, головной УВ перед затупленным цилиндром с ударным слоем. Показано, что характерное время свечения сост авляет 150+200 не, и за время свечения не происходит перераспределения интенсивности свечения.

2. Для верификации получаемых с использованием метода изображений были проведены исследования и сравнение с имеющимися данными: 1) одномерного нестационарного течения - рас-

пространешш п отражения плоской ударной волны (М=2+5,5); 2) двумерного нестационарного течения: - дифракции УВ на клине. Сравнение изображений различных течений, полученных методом ВИОР с соответствующими теневыми изображениями показало, что метод ВИОР даёг реальную картин}' динамики разрывов и возмущений.

3. Осуществлена визуализация пространственных нестационарных течений с ударными волнами, слабыми возмущениями, вихрями, недоступных для визуализации другими методами. Временное разрешение метода 150 не, пространственное разрешение 0,5 мм. Показано, что основными достоинствами являются высокое временное разрешение; простота регистрации, отсутствие нагрева потока за время регистрации. Определён диапазон применимости метода: плотность потока от 8 г/м3 до 0,2кг/м3 и давление от 200 Па до 65 кПа. •

4. Исследована динамика вихревой области в донной части конуса при дифракции ударной волны. Обнаружено, что тороидальное вихревое кольцо теряет устойчивость через 15+20 мке после прохода ударной волны и распадается. Числа Маха потока 1,2+1,6. Давление 2+30 кПа, плотность - 0,01+0,2 кг/м3. Числа Рей-нольдса, вычисленные по диаметру модели, 3000+20000.

5. Визуализировано и исследовано отрывное пространственное турбулентное течение в донной части конуса с выемкой. Впервые визуализирована трёхмерная волна торможения. Показано, что при дифракции на конусе с выемкой тороидальный вихрь отходит от конуса со средней скоростью 40 м/с и расслаивается; возникает' пульсирующее турбулентное в котором основным струк-

турным элементом являются вихревые жгуты с пространственным масштабом от 0,5 мм.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Андреев С.И., Знаменская И.В., Кули-заде Т.А., Степанец И.В. Структура ударной волны в газе, ионизованном импульсным объёмным разрядом. Тезисы докл. X Симпозиума по горению и взрыву. Детонация. Черноголовка. 1992.

2. Знаменская И.А., Кули-заде Т.А., Степанец И.В. Регистрация просгранственно-временной структуры сверхзвукового течения с высоким разрешением // Сб: докл. XVI Научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография, фотоннха и метрология быстропротекающих процессов". М.: ВНИИОФИ. 1993. С. 71.

3. Знаменская И.А., Кули-заде Т.А., Степанец И.В. Воздействие газодинамических потоков на поверхность при импульсной объёмной ионизации // Материалы конференции "Физика и техника плазмы". Минск. Беларусь. 1994. Т.1. С. 86-88.

4. Знаменская И.А., Кули-заде Т.А., Степанец И.В. Динамика свечения элементов сверхзвукового потока в плазме импульсного разряда // Тез. докл. III Межгосударственного симпозиума по радиационной плазмодннамике. Москва. 1994. С. 114-115.

5. Знаменская И.А., Кули-заде Т.А., ¡Терминов С.П. Влияние газодинамических возмущений и разрывов на характеристики импульсных объёмных разрядов с предыоннзацией // Тез. к Докл. на VII конфер. по физике газового разряда. Самара. 1994. С. 82-83

6. Знаменская И.А., Кули-заде Т.А., Степанец И.В. Визуализация трёхмерных газодинамических потоков импульсным объём-

ным разрядом. Тез. к Докл. на III межгос. н-т конфер. "Оптические метода исследования потоков". Москва. 1995. С. 82-83.

7. Знаменская И.А., Кули-заде Т.А., Стеианец И.В. Визуализация сверхзвуковых течении газа импульсным объёмным разрядом // Журнал прикладной механики и технической физики. 1995. № 3.

8. Znamenskaya I.A., Gulu-Zade Т.А., Perminov S.P. Three -dimensional visualizing of the spatial vortex structure in a co-current stream with a impulse volume discharge // 1st international conference on nonequilibrium processes in nozzles and jets. Collected abstracts. Moscow. 1995. pp. 176-177.

9. Знаменская И.А., Кули-заде T.A., Перминов С.П., Степанец И.В. Распространение возмущений в газе, однородно возбуждённом импульсным объёмным разрядом. Сборник аннотаций и научных статей по результатам исследовании, проведённых в ходе выполнения межвузовской научно-технической программы "Фундаментальные исследования в области прикладной физнкп и математики в технических ВУЗах России." Т. 1. Москва: "ФИЗМАТ". 1995.

10. Знаменская И.А., Кули-заде Т.А. Визуализация неустойчивости тороидального внхря импульсным объёмным разрядом // Доклада РАН. 1996. Т. 348. №5. С. 617-619.

Диафрагма

квд

АЛ-

Схема установки.