Влияние температурного фактора на параметры сверхзвуковых турбулентных течений в каналах переменного сечения

• Автор: Захарова, Юлия Викторовна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 155 с. : ил.

Введение
ГЛАВА 1.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ПОСВЯЩЕННЫЙ ИССЛЕДОВАНИЯМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ С
ВОЛНАМИ СЖАТИЯ/РАЗРЕЖЕНИЯ
1Л. Одиночные взаимодействия
1.2. Двойные взаимодействия
1.3. Внутренние течения, канал с уступом/каверной
1.4 Выводы по обзору и постановка задачи
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И РАСЧЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Модели и методика проведения эксперимента
2.2. Сбор, обработка и хранение экспериментальных данных
2.3. Методика обработки экспериментальных измерений
2.4. Математическая модель
2.5. Метод расчета и описание расчетной области
2.6. Пакет Fluent
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТУРБУЛЕНТНОГО ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ПРИ ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С СИСТЕМОЙ СКАЧКОВ УПЛОТНЕНИЯ
3.1. Исследование взаимодействия пограничного слоя с
последовательностью скачков уплотнения
3.2. Оценка влияния предварительного взаимодействия на изменение отрывных свойств пограничного слоя
3.3. Исследование влияния температуры стенки
ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕЧЕНИЯ В КАНАЛЕ С УСТУПОМ
4.1. Влияние температуры стенки на длину отрывной зоны и ее вихревую структуру
4.2. Влияние конфигурации уступа
ГЛАВА 5. ТЕЧЕНИЕ В КАНАЛЕ С КАВЕРНОЙ
5.1. Влиянье числа Маха
5.2. Влияние геометрии каверны
5.3. Влияние масштабного фактора
5.4. Влияние температурного фактора
5.5. Сравнение с экспериментом
Заключение
Список литературы
Иллюстрации

Введение
При конструировании каналов технических устройств, использующих в качестве рабочего тела высокоэнтальпийные газовые среды, в том числе двигательных установок высокоскоростных летательных аппаратов, необходима информация о фундаментальных свойствах течений, позволяющая предсказывать влияние основных параметров (геометрии канала, чисел Маха, Рейнольдса), а также масштабного и температурного факторов на картину течений.
При проведении экспериментальных исследований в трубах кратковременного действия с высокими параметрами торможения, для которых характерными являются условия «холодной стенки», существенную поддержку оказывает физико-математическое моделирование, позволяющее получить полную информацию о течении, провести параметрические ис-следования и прояснить детали сложных течений.
Для тепловой защиты поверхностей технических устройств часто ис-пользуется их охлаждение, что также формирует условия неадибатичной стенки, которые могут изменить волновую структуру течений и динамиче- •> ские нагрузки.
Кроме того, изменение температуры стенки может быть использовано для управления течениями в каналах.
Течения, в которых турбулентный пограничный слой взаимодействует со скачками уплотнения, достаточно сложны, главным образом из-за процессов, связанных с отрывом и присоединением пограничного слоя. Отрыв потока является неотъемлемой частью практически всех вязких течений. Основными причинами появления отрыва на поверхности сверхзвуковых летательных аппаратов являются:
• резкий излом обтекаемой поверхности, т.е. наличие отклоняемых органов управления (балансировочных щитков, рулей и т. д.);

• падение на поверхность аппарата скачка уплотнения, образованного другой поверхностью;
• наличие на поверхности аппарата нерегулярностей поверхности, например, выемок, зазоров, ступенек;
• полет под большим углом атаки, характерный для крылатых спускаемых аппаратов.
Отрыв потока приводит к перераспределению давления на поверхности летательного аппарата, вследствие чего изменяются сопротивление, подъемная сила и моментные характеристики, а также появляются узкие зоны повышенных тепловых потоков, наличие которых должно быть учтено при выборе теплозащиты летательного аппарата. В областях присоединения, как правило, повышается уровень пульсаций давления.
Вопросы взаимодействия скачков уплотнения с турбулентными пограничными слоями активно исследуются в течение последних 50 лет [1]. Обширная информация об общих свойствах отрывных течений была получена в работах [2-3].
Наиболее характерными примерами двумерного отрыва являются: отрыв в угле сжатия, падение скачка уплотнения на пограничный слой, обтекание уступов.
Повышение давления, вызванное скачком уплотнения, образующимся в сверхзвуковом невязком течении при обтекании поверхности сжатия, распространяется вперед по дозвуковой части пограничного слоя (рис. 1, а). Из-за торможения газа пристеночная часть пограничного слоя утолщается. Увеличение наклона границы пограничного слоя вызывает образования волн сжатия и повышение давления, которое приводит к дополнительному утолщению пограничного слоя (рис. 1, а). При стационарном течении устанавливается равновесие между повышением давления в невязком потоке и утолщением пограничного слоя. Этот процесс носит название самоиндукции (свободное взаимодействие). В. Я. Нейланд [4] показал, что повышение давления за точкой присоединения, как и перед точкой отрыва, определяется процессом самоиндукции: утолщение пограничного

контур изготовлены из конструкционной стали. Марка примененной стали позволяет обеспечить устойчивость и износостойкость соплового контура в заявленном диапазоне температур испытаний с учетом длительности режима установки.
К выходу сопла через специальную электрически изолирующую прокладку присоединяется секция-изолятор с постоянным поперечным сечением 50x100мм. Секция-изолятор необходима для получения равномерного потока на входе в экспериментальную секцию 1.
Верхняя стенка секции 1 имеет сменную вставку, позволяющую устанавливать либо уступ, либо каверну. Высота уступа Ъ=16 мм была фиксированной для всех рассматриваемых чисел Маха и выбиралась по рекомендациям работы [176], где показано, что высота уступа должна варьироваться в пределах 30-50% высоты канала. Для конфигурации с уступом верхняя стенка секции 1 имела небольшое сужение 1.2°, необходимое для обеспечения стыковки со следующей измерительной секцией.
Для оценки влияния предварительного (положительного или отрицательного) градиента давления на структуру течения в донной области были изготовлены дополнительные вставки в виде угла сжатия или расширения 8°, которые также устанавливались на верхнюю стенку секции 1 (рис. 2.5).
Во втором случае на верхней стенке устанавливалась каверна (рис. 2.2). Длина каверны 1=56.4 мм и угол отклонения задней стенки 22.5° были выбраны с точки зрения обеспечения максимальных стабилизационных характеристик и минимального сопротивления.
В эксперименте были проведены следующие измерения:
• измерение параметров набегающего потока (на входе в канал);
• измерения распределений статического давления вдоль канала модели;
• измерение донного давления на уступе;
• измерение давлений Пито для определения параметров пограничного слоя;