МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 4 • 2014
УДК 532.516
© 2014 г. С. М. ДРОЗДОВ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ МОД ГИПЕРЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ ТЕЛ С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМ ЛОБОВЫМ ЗАТУПЛЕНИЕМ
В ударной трубе УТ-1М ЦАГИ выполнено несколько серий экспериментальных исследований структуры поперечного гиперзвукового обтекания и теплообмена на затупленных телах (цилиндр и усеченный клин). Цель исследований — в искусственно возмущенном и номинально однородном потоках получить трехмерные моды гиперзвукового обтекания лобовой поверхности затупленных тел. Контролируемые возмущения в набегающем потоке создавались тонкими нитями, натянутыми на срезе сопла. В эксперименте производилась визуализация обтекания методом Теплера и измерение распределения теплового потока на цилиндре методом люминесцентных преобразователей температуры. Испытания показали, что течение и теплообмен в окрестности лобовой поверхности цилиндра очень чувствительны к вихревым возмущениям набегающего гиперзвукового потока. В номинально однородном потоке (Мю = 8, Кеж = 3160 — 11670) удалось получить стационарную трехмерную моду обтекания лобовой поверхности затупленного клина — одиночную вихревую пару.
Ключевые слова: гиперзвук, ударная труба, цилиндр, вихревые структуры, неединственность мод обтекания.
Лобовые поверхности элементов конструкции гиперзвуковых летательных аппаратов не могут быть острыми по причине неприемлемого уровня аэродинамического нагрева таких поверхностей и для них применяются два вида затуплений — цилиндрическое и сферическое. При гиперзвуковом обтекании форма тела ниже по потоку от лобового затупления практически не влияет в вверх — на поле течения около затупленной передней кромки. Это позволяет изучать все основные особенности обтекания лобового затупления на примере тел простейших форм, таких как цилиндр, пластина или клин с цилиндрическим затуплением, сфера или конус со сферическим затуплением.
Элементы конструкции гиперзвуковых летательных аппаратов часто обтекаются неоднородным потоком, в котором присутствуют естественные возмущения или возмущения, возникшие при обтекании других элементов, находящихся выше по потоку. Это делает актуальной задачу исследования восприимчивости гиперзвукового обтекания заданного тела к воздействию внешних возмущений.
Однако трехмерные вихревые структуры могут существовать на лобовой поверхности тел и без внешних возмущений. В статьях [1, 2] численным моделированием было показано, что при поперечном гиперзвуковом обтекании тел с цилиндрическим затуплением лобовой поверхности наряду с плоской (двумерной) модой обтекания может существовать стационарная пространственная мода, состоящая из спаренных вихрей, периодических вдоль оси цилиндра. Там же был предложен и подтвержден расчетами физический механизм генерации таких структур, основанный на сильном взаимодействии вихрей с головной ударной волной, приводящем к искривлению ее формы, что, в свою очередь, служит энергетической подпиткой для вихрей. Расчеты, выполненные в рамках модели течения вязкого и теплопроводного газа, показали, что
Фиг. 1. Схемы рабочего тракта ударной трубы УТ-1М и эксперимента с созданием в потоке с М = 8 перед цилиндром контролируемых возмущений: а — вид сбоку, б — вид из сопла; 1 — канал высокого давления, 2 — нагреватель, 3 — диафрагмы, 4 — сопло, 5 — рабочая часть, 6 — модель цилиндра, 7 — решетка из нитей
возбуждение вихревой моды обтекания происходит при малых, но конечных (8М > 0.02МЖ) возмущениях набегающего потока — периодических по поперечной координате Ъ с периодом порядка радиуса затупления Я. Чтобы проверить состоятельность и физическую реализуемость этой гипотезы, необходимо получить такие структуры в эксперименте.
Главная цель работы — экспериментально получить и исследовать трехмерные моды обтекания лобовой поверхности затупленных тел, находящихся в искусственно возмущенном и номинально однородном гиперзвуковом потоке.
Поскольку при одних и тех же параметрах (Мда Яеж) существуют обе стационарные моды гиперзвукового обтекания, а плоская мода обладает большей областью притяжения, основная проблема экспериментов по моделированию вихревых структур — создание таких возмущений, которые устойчиво переводили бы течение на вихревую моду, а затем устранялись. Технология возбуждения вихревой моды с помощью 3—5% пространственных неоднородностей набегающего потока, устраняемых после сравнительно короткого промежутка времени, которая легко воспроизводилась в численном моделировании, оказалась крайне сложной при экспериментальной реализации. Для проведения экспериментов было изготовлено несколько моделей цилиндра и модель затупленного клина, разработана и реализована в гиперзвуковых трубах УТ-1М и Т-117 методика экспериментальных исследований вихревой моды обтекания цилиндра, инициированной двумя способами воздействия на плоскую моду обтекания: 1 — контролируемыми возмущениями набегающего потока, 2 — тонкими дозированными струйками газа, вытекающими из тела навстречу потоку. Как показали испытания, в УТ-1М успешным стал первый способ.
1. Установка и методы экспериментального моделирования. Эксперименты проводились при М = 8 на установке УТ-1М ЦАГИ, которая представляет собой аэродинамическую трубу кратковременного действия, работающую по схеме трубы Людвига (фиг. 1). Длительность первой (основной) полки рабочего режима составляет т « 40 мс, столько же длится вторая полка, на которой давление понижено. Разрушение режима происходит в конце третьей полки — приблизительно на 120 мс.
В аэродинамических трубах всегда стремятся получить максимально однородное поле течения в рабочей части. Измерения естественного фона возмущений потока регулярно выполняются в УТ-1М. В табл. 1 даны значения М, усредненные по двум сечениям рабочей части (горизонтальному и вертикальному), а также среднестатистические отклонения М от номинального значения М ~ 8.
Таблица 1
^ ат X, мм M„ AM/M„, %
12 10 7.9175 -1.03
12 200 7.931 -0.863
12 400 7.938 -0.781
35 10 7.963 -0.463
35 200 7.977 -0.281
35 400 7.946 -0.675
Здесь Х — расстояние от среза сопла до гребенки с насадками.
Настоящие испытания проводились как при естественном фоне возмущений трубы, так и при искусственно созданных возмущениях. Для возбуждения вихревой моды необходимо создать контролируемые возмущения примерно в 10 раз больше фона трубы, но и не слишком большие, чтобы совсем не разрушить стационарное обтекание. Возбуждение вихревой моды осуществлялось тем, что перед исследуемой моделью цилиндра (радиус R = 15 мм) на срезе сопла (Мю = 8) гиперзвуковой ударной трубы УТ-1М натягивались тонкие металлические или синтетические (леска) нити (фиг. 1). Путем изменения толщины нитей (диаметр d = 0.05 — 0.2 мм), расстояния между нитями (т.е. периода возмущений X = [0.5 — 1.06]Д) удаления цилиндра от нитей (L = [305 — 566] мм) варьировался уровень возмущений — интенсивность следов подторможенного потока и слабых ударных волн, падающих на лобовую поверхность исследуемой модели.
Для определения уровня возмущений потока нитями в нескольких сечениях рабочей части проведены измерения распределения по радиусу r полного давления за прямым скачком P0 (r). Измерения показали, что за нитями тянутся узкие следы (ширина не более 6 мм) подторможенного и подогретого потока с провалом полного давления до Р'0 (r)/Р'0 = 0.65. Провалы давления в следах от проволочек соответствуют провалам числа Маха, которые достигают 10—15%. Такие возмущения нельзя считать малыми.
В испытаниях использовалась изготовленная из текстолита модель цилиндра диаметром D = 2R = 30 мм и длиной H = 150 мм. Цилиндр крепится на державке в рабочей части УТ-1М (фиг. 1) и имеет возможность продольных перемещений для установки в нужном положении относительно оптической системы.
Обтекание модели определяется основными параметрами подобия — числами Маха Мж, Рейнольдса ReM, показателем адиабаты у = 1.4 и температурным фактором на поверхности модели Tw/T0 = 0.38. Число Рейнольдса вычислено по радиусу цилиндра и параметрам набегающего потока: Re„ = pmUmR/. Для течения за головным скачком уплотнения в окрестности лобовой поверхности тела характерно число Рей-нольдса, рассчитанное по параметрам за прямым скачком уплотнения (индекс 0):
Reo = Re„ ццо.
Для визуализации обтекания применялся прибор Теплера в двух вариантах: 1 — с импульсным освещением в заданный момент времени и фиксацией изображения на цифровую фотокамеру; 2 — с постоянным освещением и записью на скоростную видеокамеру VideoSprint с объективом Zeis 135 мм, с частотой от 500 до 2000 кадров в секунду и выдержкой кадра 0.5 мс. Начало отсчета времени для записи картин обтекания синхронизировалось с моментом запуска трубы (разрыв диафрагмы) по датчику удара.
Таблица 2
№ пуска Ра, атм Т>, К Яе0 qо, Вт/м2 Параметры нитей
№ диаметр, мм
2368 10.80 757 35403 3622 83111 1-13 0.06
2369 11.25 755 37056 3785 84311 Нет -
2370 10.65 755 35097 3585 82037 Нет -
2371 11.08 756 36381 3720 83994 1-13 0.1
2372 10.87 759 35455 3633 83728 1-13 0.1
2373 8.59 763 27813 2857 75 074 1-13 0.1
2374 10.55 762 34210 3513 83062 6, 7, 8 0.1
2376 10.76 764 34025 3590 83635 7 0.1
2377 11.30 761 34996 3768 85654 7 0.1
2378 11.46 761 36729 3834 85894 1-13 0.05
2379 10.61 759 37425 3558 82411 7 0.06
2380 10.25 757 34766 3445 80729 7 0.06
2381 11.33 756 33697 3791 85397 7 0.1
2382 10.26 759 37012 3441 80954 6 0.1
2383 10.68 757 33631 3566 83064 6, 7, 8 0.1
2384 10.87 760 34795 3627 83921 6, 9 0.1
2385 10.96 760 35373 3663 84162 9 0.1
2386 9.74 760 35734 3254 79350 9 0.1
Для измерения тепловых потоков на поверхности модели применен современный и эффективный метод люминесцентных преобразователей температуры, подробное изложение которого можно найти в [3]. При использовании этого метода модель покрывается тонким (5-микронным) слоем люминесцентной измерительной краски. Интенсивность люминесценции покрытия при освещении возбуждающим излучением зависит от температуры и не зависит от давления. Импульсное освещение позволяет измерять мгновенное распределение температуры окрашенной поверхност
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.