Экспериментальные исследования сверхзвуковых течений газа с интенсивным тепловыделением

• Автор: Глушнева, Александра Владимировна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 114 с. : ил.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Нестационарное истечение из канала разрядной камеры
1.2. Взаимодействие пограничного слоя с ударной волной
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
2.1. Устройства для получения искрового канала внутри разрядных камер
2.2. Синхронизация
2.3. Модели разрядных камер
2.4. Модель нагревающейся рампы
2.5. Сверхзвуковая аэродинамическая труба СТ-
2.6. Шлирсн-визуализация течения
2.7. Particle Image Velocimetry
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА ПРИ НАЛИЧИИ ЭНЕРГОПОДВОДА
3.1. Исследование распространения ударной волны из канала разрядной камеры.
3.2. Исследования истечения нагретого воздуха из канала разрядной камеры
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТРЫВА ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ПРИ НАЛИЧИИ ТЕПЛОПОДВОДА
4.1. Исследования методом Шлирен
4.2. Исследование методом PIV

ВВЕДЕНИЕ
Изучение процессов с интенсивным теплообменом представляет огромный интерес, так как большинство процессов происходят не в теплоизолированной среде. Интенсивный теплообмен оказывает существенное влияние на протекание газодинамических процессов, таких как формирование струй и обтекание тел. Особый интерес представляет теплообмен в сверхзвуковых потоках, так как количество энергии, которое может существенно повлиять на сверхзвуковой поток должно быть сравнимо с энергией данного потока.
Явления можно разделить на процессы с мгновенным энергоподводом и на процессы с постепенным энергоподводом. Процессы с мгновенным энергоподводом характеризуются быстрым выделением большого количества энергии за короткий промежуток времени, то есть время выделения энергии как минимум на порядок меньше характерного времени процесса. Процессами с мгновенным энергоподводом являются взрывы и искровые разряды. В ходе взрывов огромное количество энергии (порядка 1000 Дж) выделяется в небольшом объеме за короткий промежуток времени —10'3 с. Полученная средой энергия тратится на излучение, химические процессы, нагрев и распространение газа. Аналогичные процессы происходят в результате искровых разрядов. Энергия, накопленная в результате разделения разрядов, высвобождается в небольшом объеме за характерное время 10‘5 с. В результате возникает ударная волна, которая увлекает за собой нагретый и ионизированный газ. Если взрыв является, как правило, техногенным, то искровые пробои - молнии происходят в природе Ударная волна, распространяющаяся от грозовой молнии, быстро затухает и превращается в акустическую, однако на близких расстояниях скорость ударной волны достигает нескольких километров в секунду, и она может причинить существенные повреждения. Если молния попадет в высоковольтную линию, она может вызвать перенапряжение, которое приведет к порче оборудования и

к перебою в электроснабжении. Для защиты от перенапряжения используют нелинейные ограничители перенапряжения (ОПН). Один из принципов работы ОПН состоит в использовании нескольких искровых каналов для рассеивания энергии молнии. Таким образом, изучение теплообмена и газодинамики во время искрового разряда представляет некоторый интерес. Процессы, происходящие в искровом канале, были описаны в работах С.И. Брагинского и С.И. Драбкиной [1,2]. Формирование стримерного канала между двумя электродами в свободном пространстве также подробно изложено Ю.П. Райзером [3]. Разряд в замкнутом пространстве представляет более сложную систему, так как геометрия стенок влияет на газодинамику и изменяет параметры среды разряда. Таким образом геометрия канала, в котором происходит разряд влияет на его протекание. Исследования газодинамики разряда в канале важны с точки зрения практического применения, так как могут быть использованы в усовершенствовании ОПН.
Процессы с постоянным энерговыделением характеризуются тем, что время энерговыделения сравнимо с характерным временем процесса. Например, нагревающаяся из-за трения поверхность летательного аппарата влияет на процесс обтекания поверхности этого аппараты. Подобный процесс можно охарактеризовать, как процесс с постоянным энерговыделением. Влияние постоянного энерговыделения на обтекание крыла летательного аппарата сверхзвуковым потоком может привести к появлению отрыва пограничного слоя или к усилению уже существующего отрыва [4]. Влияние теплообмена на процесс отрыва потока изучается в течение длительного времени. Выявлены основные механизмы влияния теплопередачи на возникновение отрыва пограничного слоя. Нагрев поверхности дестабилизирует пограничный слоя и приводит к более раннему отрыву. Существуют два объяснения этого эффекта. С одной стороны нагрев поверхности приводит к утолщению дозвукового подслоя пограничного слоя, С другой стороны нагрев уменьшает коэффициент трения и увеличивает толщину

пульсации зоны отрыва. В ходе исследования показано, что возрастание массы газа в зоне рециркуляции происходит быстрее, чем убывание. На этом основании авторы полагают, что пульсации пузыря соответствует поступлению массы газа через слой смешения, находящийся над пузырем. Расширение пузыря соответствует движению массы внутрь зоны рециркуляции, а сжатие -движению в противоположном направлении. Подобное предположение согласуется с экспериментальными данными полученными в [47], где диагностика зоны потока производилась методом Particle Image Velocimetry. С помощью этого метода были получены мгновенные поля векторов скоростей зоны отрыва, к которым был применен метод разложения на колебательные моды Proper Orthogonal Décomposition (POD), a также стохастический анализ Linear Stochastic Estimation (LSE). При помощи POD авторам удалось выделить самые высокоэнергетические колебательные моды. Совместив LSE и POD, авторы обнаружили, что пульсации зоны отрыва согласуются с вихревыми пульсациями Кельвина-Гельмгольца, образующимися в слое смешения над зоной отрыва.
В [48] с помощью численного метода крупных вихрей (LES) также изучается процесс движения массы газа через слой смешения. Анализируя мгновенные поля скоростей и моментов за период в 955 /С/„, позволяющий охватить весь цикл низкочастотных флуктуаций, авторы определяют движение массы в моменты соответствующие сжатию и расширению зоны отрыва. В момент, когда отрывная зона начинает расти, линии тока в слое смешения закручиваются, что означает, что масса и завихренность проникают внутрь зоны рециркуляции. По мере того, как зона рециркуляции растет, все больше линий тока попадают внутрь. Когда зона достигает своего максимального размера, линии тока начинают выходить из зоны рециркуляции. Это может быть интерпретировано следующим образом. Газ, вовлеченный внутрь зоны рециркуляции, получил достаточное количество энергии, чтобы покинуть зону рециркуляции. Как только, линии тока начинают покидать зону рециркуляции,