| 1 |
1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. |
Комплексное исследование тепловых потоков в высокоскоростных течениях за ударными волнами в широком диапазоне чисел Маха |
| Результаты этапа: На стенде УТРО-3 получены последовательные термографические изображения теплового излучения внутренних стенок газодинамического канала при регистрации через ИК прозрачные боковые окна (170х24 мм) рабочей камеры ударной трубы. Покадровые изображения тепловых полей нижней стенки зарегистрировали нагрев и охлаждение поверхностей области боковых окон камеры, нижней стенки - при наличии на поверхности канала в зоне регистрации прямоугольного препятствия между окнами (48х2х6мм) по мере эволюции температуры течения за ударной волной. Время интеграции - от 100 мкс, время исследования тепловых полей - до 50 мс после прохода ударной волны. Числа Маха падающей ударной волны – от 2 до 5. Скорость спутного потока и температура за ударной волной при этом менялась от сверхзвуковых значений до дозвуковых (до выравнивания тепловых потоков до уровня шума).
Показано, что нагрев наветренной стенки препятствия и участка нижней стенки в области торможения потока перед препятствием, происходят за счет установления квазистационарного обтекания и формирования ударно-нагретого слоя после дифракции ударной волны. Нагрев области регистрируется в течение 1,5 -2.5 мс, в том числе - в зоне отрыва, которая сменяет зону ударного слоя за головной ударной волной перед препятствием. Затем приход холодной разреженной зоны газодинамического потока приводит к существенному охлаждению наветренной зоны (до 30 мс). Показано, что структурированные изображения тепловых потоков с боковых стенок исследованного участка канала (ИК прозрачных стекол), происходят за счет нагрева внутренних поверхностей окон (нестационарной теплопроводности вглубь обтекаемых поверхностей из пограничного слоя). Результаты термографической визуализации сравнивались с результатами 1)теневой визуализации и 2)результатами визуализации численного моделирования нестационарного взаимодействия ударной волны с участком канала. Показано, что регистрируемый на первом изображении тепловой слой на поверхности стекол - с “отпечатком” стадии дифракции ударной волны на препятствии и установления обтекания - быстро охлаждается.
Получены данные тепловизионных измерений тепловых потоков из пограничного слоя при ударно-волновом нагреве канала через медные стенки ударной трубы толщиной перед рабочей камерой и за ней. Проведен анализ влияния возмущений в рабочей камере на регистрируемые тепловые потоки. Данные сравнивались с результатами одномерного моделирования эволюции профиля температуры при движении ударной волны в канале в условиях эксперимента. Температурный отклик внешней стенки ударной трубы состоит из всплеска малой длительности (около 10 миллисекунд), за которым следует падение измеряемой радиационной температуры за счет прихода контактной поверхности и области холодного толкающего газа. Сформированный на внутренней стенке канала тепловой импульс передаётся сквозь медную стенку за счет теплопроводности по закону Фурье. Показано, что регистрируемый тепловизором через окна рабочей камеры тепловой поток после дифракции ударной волны с числом Маха 2-4,5 в области вставки снижается в течение 25-30 мс до значений температур, существенно ниже начальных. С внешней поверхности канала зарегистрированы сходные времена остывания (30-50мс) с задержкой на время теплопроводности через медную стенку.
На экспериментальном комплексе «Ударная труба» НИИ механики МГУ с помощью термоэлектрических датчиков теплового потока, измерен радиационный вклад в суммарный тепловой поток. Показано что в аргоне для числа Маха 3 в отраженной ударной волне вклад радиационной составляющей в диапазоне длин волн 180-2500 нм не превышает 10%.
Проведены измерения в абсолютных единицах светимости излучения воздуха в спектральном диапазоне 200-1100 нм для чисел Маха падающей ударной волны 13-30 в воздухе. Получены зависимости интенсивности излучения от скорости ударной волны. Определен характер излучения (длительность равновесного и неравновесного излучения) в различных спектральных диапазонах и зависимость от скорости ударной волны.
Была выполнена модернизация рабочей части экспериментального стенда АР-2 с целью расширения диапазона интенсивности подводимого теплового потока к исследуемым в проекте моделям. С этой целью были изготовлены стенки рабочего канала из оргстекла, капролона и алюминия. На противоположной от модельной пластины стенке был смонтирован иллюминатор из поликристалла ZnSe, прозрачного в инфракрасной области спектра (степень пропускания 0.7). Использование иллюминатора позволяет бесконтактно определять температуру модели и её темп охлаждения в сверхзвуковом потоке с помощью высокоскоростной инфракрасной (тепловизионной) камеры InfraTEС ImageIR 8800. В моделях были запрессованы хромель-копелевые термопары, подключенные к блоку National Instruments в режиме компенсации холодного спая. Также был выполнен монтаж датчиков теплового потока двух типов – термопарный (диаметром 27 мм) и термоэлектрический детектор (размером 4х9 мм). Были проведены серии запусков аэродинамической установки с целью определения теплового потока, равновесной температуры стенки, коэффициентов теплоотдачи и восстановления температуры при обтекании плоской стенки сверхзвуковым потоком с числами Маха набегающего потока 2.0, 2.5 и 3.0.
Проведена отработка методики определения теплового потока в стенку при обтекании пластины сверхзвуковым потоком воздуха на аэродинамической установке непрерывного действия. Тепловой поток определялся двумя методами: аналитическим и экспериментальным. Аналитический метод заключался в решении обратной задачи теплопроводности по измеренному темпу охлаждения стенки и теплофизическим свойствам материала модели. Экспериментальный метод измерения теплового потока заключался в прямом измерении датчиком теплового потока. Диапазон изменения теплового потока составлял от 300 до 700 Вт/м2 (без подогрева стенки), с подогревом увеличивался до около 2 кВт/м2. Получена серия распределений равновесной температуры стенки по длине рабочей части установки. Из-за роста динамического пограничного слоя температура стенки снижается по длине, что также выражается в снижении коэффициента восстановления температуры от характерных 0.89-0.90 до около 0.87 на длине около 150 мм. Коэффициент теплоотдачи уменьшался на величину до 40% при увеличении числа Маха набегающего потока от 2.0 до 3.0, что согласуется с поправкой на сжимаемость, введенную в предельных законах трения и теплообмена Кутателадзе-Леонтьева. Число Рейнольдса, рассчитанное по длине развивающегося пограничного слоя, составляло в зависимости от числа Маха от 2*10^7 до 10^8. |
| 2 |
1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. |
Комплексное исследование тепловых потоков в высокоскоростных течениях за ударными волнами в широком диапазоне чисел Маха |
| Результаты этапа: На стенде УТРО-3:
Получены количественные данные об эволюции быстропротекающих (субмиллисекундного диапазона) тепловых полей на всех внутренних поверхностях рабочей камеры через боковые окна камеры в течение 40-50мс после начала нестационарного газодинамического процесса при прохождении ударной волны через прямоугольное препятствие 6х2х48мм на нижней стенке. Получены количественные данные о динамике тепловых полей в пограничном слое 1) на верхней плоской поверхности канала рабочей камеры и 2)нижней поверхности - при наличии на ней прямоугольного препятствия, расположенного между окнами поперек канала. Получены количественные результаты по эволюции тепловых потоков на боковых плоских поверхностях канала, на основе регистрации нестационарного теплопроводностного нагрева внутренних стенок (окон) камеры в зоне препятствия изменяющимся сверхзвуковым пограничным слоем. Получены количественные данные о зависимости тепловых полей на стенках камеры и препятствия от числа Маха набегающей ударной волны (M=2 - 4,5) и от времени после прохода ударной волны (до 40 мс).
Получены результаты калибровки тепловизионного метода регистрации нестационарных процессов в рабочей (разрядной) камере стенда при визуализации двух различных физических явлений в рабочей (разрядной) камере: 1. инициирования импульсного объемного разряда в канале и визуализации тепловых полей в газоплазменном потоке с плоской ударной волной и 2.при прохождении плоской ударной волны через препятствие. Проведено сравнение данных термографии, полученных при регистрации тепловых полей импульсного энергоподвода перед плоской ударной волной (плазма импульсного объемного разряда с предионизацией) и тепловых полей за прошедшей ударной волной (ударно-волновой нагрев стенок пограничным слоем в профилированном канале). Показано, что при регистрации излучения (инфракрасный и видимый свет) визуализируют область излучения плазмы разряда перед ударной волной; при этом плазма не соприкасается с поверхностью окон. Показано, что время теплового воздействия плазменного образования локализованного перед ударной волной не превышает 100-150 мкс. Время теплового воздействия (теплопроводностного нагрева боковых стенок) не превышает 500 мкс. Время теплового излучения наветренной стороны прямоугольной вставки достигает 2-3 мс.
Проведено сравнение и анализ полученных панорамных термографических полей на стенках канала в рабочей камере с расчётными двумерными полями термодинамических параметров (температура, давление), полученными на основе численного моделирования нестационарных уравнений Навье-Стокса для условий эксперимента.
Установлена возможность использования термоэлектрических датчиков как на основе хрома и теллурида германия для измерения времен задержки воспламенения горючих смесей в экспериментах на ударных трубах для температур до 2500 К и давлениях до 35 атм. Датчики позволяют с высокой точностью определять малые времена задержек воспламенения горючих смесей (до 2-5 мкс).
Впервые получены экспериментальные спектры излучения от ударной волны вдоль оси трубы (излучение «вперед») в спектральном диапазоне 200-670 нм. Полученные спектры излучения «вперед» имеют такой же спектральный состав, что и спектры, регистрируемые при прохождении ударной волны из бокового окна.
Установлено влияние заряженных частиц на сигналы, регистрируемые термоэлектрическими датчиками на основе хрома при высоких числах Маха ударной волны.
На экспериментальном стенде АР-2 НИИ механики МГУ проведено исследование влияния падающей ударной волны на параметры теплоотдачи при обтекании пластины сверхзвуковым потоком. Произведен монтаж клина-генератора ударной волны в рабочей части установки. Клин был вынесен на высоту 20 мм от верхней стенки с целью исключения влияния нарастающего пограничного слоя. Число Маха набегающего потока изменялось от 1.75 до 3.0, давление торможения – от 300 до 550 кПа, температура торможения – от 291 до 296 К. В качестве моделей использовались 2 пластины: первая с отборниками статического давления и запрессованными на поверхности термопарами, вторая модель – без перфораций для исключения их влияния на исследуемые закономерности теплообмена. Обе модели выполнены из оргстекла – материала с низким коэффициентом теплопроводности (λ=0.2 Вт/(м∙К)). Вторая модель выполнена с возможностью подогрева с обратной стороны.
Тепловой поток определялся решением обратной задачи теплопроводности при измерении с помощью ИК-камеры темпа охлаждения предварительно нагретой стенки. Пластина в начальный момент времени была нагрета до 55 градусов. Распределение продольной и поперечной составляющей скорости потока в области взаимодействия падающей ударной волны с плоской стенкой определялось с помощью метода PIV. В качестве трассеров использовались аэрозольные частицы DEHS после генератора аэрозоля Dantech. Также проведена визуализация картины течения в области взаимодействия падающей ударной волны со стенкой с помощью теневого прибора Теплера ИАБ-451.
В результате 1-ой части экспериментов получены распределения статического давления на гладкой стенке (без воздействий в потоке) и при наличии падающей ударной волны от клина-генератора. Также получены поля продольной и поперечной составляющей скорости с помощью метода PIV для двух сравниваемых режимов течения.
В начале области отрыва пограничного слоя фиксируется характерная точка перегиба на графике распределения статического давления на стенке на расстоянии 35 мм от начала модели. Максимум давления фиксируется на расстоянии 73 мм и соответствует области присоединения пограничного слоя. На теневой и PIV визуализациях отчетливо видны падающая и отраженная ударная волна, а также отрывная область. По мере увеличения градиента давления на стенке профиль скорости становится менее заполненным, толщина пограничного слоя увеличивается, наблюдается отрыв и зона обратного течения. Ниже по потоку пограничный слой снова присоединяется к стенке.
На 2-м этапе исследования была проведена инфракрасная съемка области взаимодействия ударной волны с нагретой пластиной. Отмечено снижение температуры стенки за передней точкой отрыва пограничного слоя на оси симметрии до значения 0.883, характерного для безотрывного обтекания стенки. Максимум адиабатной температуры стенки (коэффициент восстановления около 0.9) наблюдается ниже за областью присоединения. Далее по течению температура стенки снижается вследствие нарастания нового пограничного слоя. Для течения с ударной волной в начале области отрыва наблюдается плато по коэффициенту теплоотдачи, после чего происходил рост до максимального значения 452 Вт/(м2К) (в сравнении со значением на гладкой стенке – 340 Вт/(м2К)) в координате, соответствующей максимуму статического давления. |
| 3 |
1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. |
Комплексное исследование тепловых потоков в высокоскоростных течениях за ударными волнами в широком диапазоне чисел Маха |
| Результаты этапа: |
