Влияние геометрии канала на параметры импульсного недорасширенного потока

• Автор: Чижиков, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 163 с. : ил.

Развитие исследований струйных течений с самого начала неразрывно было связано с необходимостью решения прикладных задач реактивной авиации и космической техники. Широта и актуальность которых и по сей день являются реальным движителем многих областей науки и техники. Отчасти это и определило факт, что подавляющее большинство работ того времени посвящено исключительно сверхзвуковым режимам.
Значительные достижения 60-70 гг. прошлого века в этой области позволили постепенно сместить центр внимания с задач, связанных с авиационной и космической техникой, в сторону более частных, таких как получение стали в конверторах, струйно-плазменные процессы обработки материалов и плазменное напыление, задачи создания мощных газодинамических генераторов звука и высоких температур, струйного бурения грунта, интенсификации технологических процессов в химической промышленности и т.д. Что позволило значительно расширить область применения полученных ранее результатов.
К середине 80-х годов исследования газодинамики сверхзвуковых струй (в первую очередь, стационарных) достигли стадии, когда уже стали возможны первые обобщения [1, 2]. Однако при решении многих практических задач
необходимо не только иметь информацию о параметрах потока и его воздействии на тот или иной объект, но и знать также как управлять этим воздействием. И с этого момента в газовой динамике струйных течений происходит оформление целого научного направления, которое можно обозначить как управление структурой потока. В большинстве случаев с подобной ситуацией приходится сталкиваться в областях где уже сформировались соответствующие представления и следующим шагом является поиск путей управления тем или иным параметром.
В импульсных струйных течениях расширения можно выделить два близких по газодинамической структуре класса явлений, которые отличаются друг от друга начальными условиями. В первом случае истечение происходит из сосуда высокого давления при внезапно открывающемся отверстии. Если давление в сосуде выше критического, то в отверстии устанавливается постоянная скорость истечения, равная местной скорости звука и не зависящая от перепада давлений. Скорость истечения на нестационарной стадии больше. Фронтом возмущения окружающей среды является ударная волна, а в истекающем газе возникают вихревые структуры и скачки уплотнения. Во втором случае поток создается ударной волной, выходящей из канала. Скорость потока за ней зависит от числа Маха инициирующей ударной волны. Если реализуется дозвуковой режим, то поток внутри канала, за счёт проникновения волн разрежения, ещё дополнительно ускоряется.
С ударными волнами приходится сталкиваться не только в сложных технических устройствах, но и в повседневной жизни [3], например, при работе автомобильного двигателя или сходе снежной лавины. В природе и технике существует целый ряд нестационарных газодинамических явлений, имеющих общую природу. Это и извержение вулкана, и запуск ракетного двигателя, и истечение испарившегося вещества при воздействии излучения импульсного лазера на твердое тело, и выхлоп при выстреле, и струйные выбросы из различных астрофизических объектов. Все они имеют общий физический механизм и пока мало изучены.
Темой диссертации является исследование изменения геометрии канала как способа управлением структурой потока за инициирующей ударной волной. Рассматривается случай дифракции ударной волны на угле 90° из каналов с различной формой поперечного сечения, но постоянной геометрии.
И хотя хорошо известно, что для недорасширенных потоков геометрия канала является одним из определяющих параметров истекающего газа, поиск режимов, при которых реализуется то или иное распределение параметров в потоке, по-прежнему представляет одну из актуальных задач газодинамики процессов истечения.

В настоящее время, в частности, не решены вопросы: как зависит время ускорения газа в канале, при дозвуковом истечении, в случае проникновения волн разрежения от числа Маха инициирующей ударной волны; как влияет перераспределение энергии в потоке газа при частичном отражении ударной волны от стенки, ослабленной отверстием, на распределение параметров в свободной струе и при взаимодействии с преградой; к каким изменениям в структуре течения приводит простая смена формы поперечного сечения канала, например, осесимметричного на квадратный, хотя и равной площади.
Последние два вопроса напрямую связаны с анализом потерь полного давления в импульсном потоке, это имеет большое значение для управления этими потерями. В некоторых случаях эти потери нужно уменьшать, когда требуется увеличить, например, воздействие на поверхность или дальнобойность струи. А в некоторых увеличивать, как, например, в шумопоглощающих устройствах.
Нестационарные струйные течения представляют собой сложные явления, уровень понимания которых в настоящее время отстает от потребностей современной техники, что препятствует дальнейшему развитию прикладных исследований.
Работа посвящена как вопросам взаимодействия недорасширенного потока с плоской безграничной преградой, так и некоторым вопросам формирования структуры свободной струи. Причиной такого подхода является ситуация, что в большинстве случаев невозможно представить взаимодействие с преградой, не зная тех закономерностей, которым подчинена свободная струя. Область же исследованных режимов соответствует как дозвуковому, так и сверхзвуковому течению газа за ударной волной.
Экспериментальные данные получены на лабораторной установке ударная труба, а численные - при решении нестационарных уравнений сжимаемого газа в форме Эйлера методом Годунова второго порядка точности.
Общий методологический подход, принятый за основу исследования в настоящей работе, представлен на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема исследования
Особое внимание в работе уделено определению длительности процесса истечения. Поскольку, использование в качестве инструмента лабораторного исследования ударной трубы неизбежно диктует необходимость четкой идентификации рабочего времени эксперимента.
Результаты настоящей диссертации послужили материалом 7 статей в реферируемых отечественных журналах и обсуждались на 14 конференциях (как российских, так и международных).
Основные из них:
XXVI/XXIX академические чтения по космонавтике. Москва, 2002/05;
ХІХ/ХХ Международный семинар по струйным отрывным и нестационарным Течениям. Санкт-Петербург, 2002/04;
10th International Symposium on Flow Visualization (ISFV10). Kyoto, Japan, August 26-29, 2002;
23th International Symposium on Shock Waves. Hosted by The University of Texas at Arlington. July 22-27, 2001;
24th International Symposium on Shock Waves. Beijing, China, July 11-16, 2004.

Обозначения
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Классификация струй
1.2. Начальный участок недорасширенной струи
1.3. Положение фронта волны торможения в свободной сверхзвуковой недорасширенной струе
1.4. Режимы взаимодействие сверхзвуковой недорасширенной струи с безграничной плоской преградой
1.5. Классификация волн, поверхностей разрыва и типов отражения пристеночной ударной волны
1.6. Задача о распаде произвольного разрыва
1.7. Сверхзвуковые режимы в дозвуковых импульсных потоках
Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Описание экспериментальной установки и оборудования
2.2. Описание программ численного расчёта
Главы 3 И 4. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ
3.1. Ускорение дозвукового течения газа при выходе ударной волны
из канала
УПРАВЛЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ПРЕГРАДУ УДАРНЫХ ВОЛН,
ВЫХОДЯЩИХ ИЗ КАНАЛА
4.1. Воздействие на преграду ударных волн, выходящих из частично перекрытого канала
4.2. Распределение импульса давления при взаимодействии с плоской преградой
4.3. Управление импульсом потока при выходе ударной волны
из каналов различного поперечного сечения
Заключение
Литература
Благодарности

Регистрация изменения давления производилась по схеме: датчик,
усилитель, осциллограф - 'С9-8', компьютер - '1ВМ РС АТ 80286'.
Использовались датчики 'К1зб1ег-603В' и 'РСВ-113А24'.
Кварцевый датчик давления, например,
'К1зб1ег-603В' (рис. 62) предназначен для измерения динамических и квазистатических изменений давления в диапазоне от 0 до 200 бар при температуре от -196 до 240 °С.
Воздействие на мембрану передаётся на кварцевый измерительный элемент, который преобразует давление в электрический заряд. Мембрана и корпус датчика изготовлены из коррозионностойкой стали и сварены между собой заподлицо и герметически. Кварцевые элементы,
ориентированные особым
высокочувствительным образом, встроены в специальную камеру, которая герметически сварена с корпусом датчика, что обеспечивают очень хорошую температурную компенсацию. Переданный датчиком сигнал преобразуется в пропорциональное напряжение зарядовым усилителем 'К1зб1ег-5011' в диапазоне от 0.25 мВ/бар до 5 В/бар, т.е. чувствительность регулируема.
Технические параметры датчика 'К1зб1ег-603В': сигнал - »-5.5 пКл/бар; время нарастания сигнала - 1 мкс; частота собственных колебаний - >400
кГц; погрешность измерений в диапазоне О-ьЮ атм. - 5%; масса 1.7 г.
Технические параметры датчика 'РСВ-113А24': чувствительность - «0.725 мВ/кПа; время нарастания сигнала - *1 мкс; частота собственных колебаний -)>500 кГц; масса 6.0 г.
По конструктивному исполнению датчики обоих типов достаточно схожи и, кроме того, имеют одинаковые посадочные размеры. Что позволяет использовать унифицированные установочные приспособления. Датчики устанавливались в преграде из толстого органического стекла заподлицо с рабочей поверхностью (см. рис. 63).
Рис. 62. Датчик давления 'К1зб1ег-603В'
а - общии вид;
вид на преграду
Рис. 63. Расположение насадка и преграды в вакуумной камере
Связь с компьютером осуществлялась через КОП - канал общего пользования - осциллографа посредством интерфейса '1ЕЕЕ-488'.
Расположение датчиков в каждом конкретном эксперименте рассматривается дополнительно.
Из числа наиболее ранних работ, измерение давления с помощью пьезоэлектрических датчиков давления проводилось в [62, 80, 137].