МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 1 • 2015
УДК 533.6.011.5
ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ СВЕРХЗВУКОВОЙ
НЕДОРАСШИРЕННОЙ СТРУИ
© 2015 г. В. И. ЗАПРЯГАЕВ, Н. П. КИСЕЛЕВ, А. А. ПИВОВАРОВ
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, Новосибирск
e-mail: nkiselev@itam.nsc.ru
Поступила в редакцию 18.04.2014 г.
Проведено экспериментальное исследование стационарной структуры течения сверхзвуковой недорасширенной струи при Ma = 1.0. Представлены экспериментальные данные распределения измеренного полного давления в различных поперечных сечениях и вдоль оси струи. Выявлены некоторые особенности сверхзвукового течения — в струе за прямым скачком уплотнения возникают существенные флуктуации распределения плотности в области слоя смешения, формирующегося за тройной точкой, обусловленные наличием вихревых структур во внутреннем слое смешения. Приведены примеры использования полученных данных эксперимента для тестирования результатов численных расчетов.
Ключевые слова: сверхзвуковая недорасширенная струя, конвергентное сопло, лазерный нож.
В настоящее время интенсивно развиваются программные коммерческие пакеты численного моделирования, которые используются для решения задач аэродинамики и газовой динамики применительно к перспективным аэрокосмическим аппаратам. Например, пакет FLUENT использовался при анализе газодинамической структуры течения, возникающей при истечении струи из сопла с шевронами [1]. Необходимость тестирования результатов численных расчетов, полученных с применением пакетов программ, — актуальная задача [2].
Измерения полей скорости течения сверхзвуковой недорасширенной струи с помощью бесконтактного панорамного лазерного метода диагностики PIV подробно рассмотрена в статье [3].
В настоящей работе представлены результаты исследования газодинамической структуры сверхзвуковой недорасширенной струи с использованием комплекса экспериментальных методов, включающих визуализацию течения теневым методом и методом лазерного ножа, неоднократного зондирования потока струи пневмоприем-ником полного давления (трубкой Пито) с помощью высокоточной автоматизированной системы сбора данных и системы трехосевого позиционирования.
Экспериментальные исследования проведены на струйном модуле гиперзвуковой аэродинамической трубы периодического действия Т-326 ИТПМ СО РАН. Холодная воздушная сверхзвуковая струя истекала из конвергентного сопла (число Маха Ma на срезе равно 1), нерасчетность истечения струи np = 2.64, np = Pa/Ph, где давление Pa на срезе сопла, Ph — в окружающей среде. Особое внимание уделено качеству сопла, которое имеет профилированную внутреннюю поверхность (профиль Витошинского) и минимальную инструментальную шероховатость, составляющую 0.25 мкм.
1. Экспериментальное оборудование. Экспериментальная установка. Эксперименты по изучению структуры сверхзвуковых струй проводились с использованием струйно-
Фиг. 1. Схема струйного модуля гиперзвуковой аэродинамической трубы периодического действия Т-326: 1 — форкамера струйного модуля; 2 — сменные сопла; 3 — рабочая камера; 4 — смотровое окно; 5 — сверхзвуковой диффузор; 6 — трехосевой координатник, 7 — трубка Пито, 8 — ребра жесткости
го модуля гиперзвуковой аэродинамической трубы периодического действия Т-326. Рабочим телом являлся холодный воздух, подводимый через трубопровод высокого давления к форкамере установки. Подогреватель воздуха и эжектор в экспериментах не использовались.
Схема струйного модуля представлена на фиг. 1. В сдвигающихся боковых дверях камеры давления расположены оптические окна 4 диаметром в свету 260 мм, используемые для наблюдения за моделью и для получения теневых картин течения с помощью прибора Теплера с полем зрения диаметром 250 мм. Управление и контроль осуществляются с пульта, расположенного в специальной комнате, отделенной от зала, где расположена установка. Форкамера струйного модуля 1 представляет собой трубу внутренним диаметром 113 мм и имеет посадочное место для установки сменных сопел 2. Истечение струи происходит в рабочую камеру 3 с размерами 1.3 х 0.87 х 0.93 м3. Стрелкой показано направление потока. Срез сопла расположен в поле зрения оптических окон 4. Сверхзвуковая струя истекает в камеру давления и выбрасывается в шахту шумоглушения через сверхзвуковой диффузор 5 выхлопного тракта трубы.
Конвергентное сопло Ма = 1.0. В экспериментах применялось сопло с геометрическим числом Маха на выходе Ма = 1.0. С целью минимизации естественных возмущений, формируемых шероховатостью внутренней поверхности сопла, было специально изготовлено профилированное сопло с высоким классом точности шероховатости внутренней поверхности. Сопло имеет минимальную инструментальную неровность такой поверхности с измеренными шероховатостями и неровностями существенно ниже, чем в экспериментах, выполненных с применением аналогичных сопел, при
исследовании сверхзвуковых струйных течений с продольными вихревыми структурами Тейлора—Гертлера [4, 5].
Схема сопла, использованного при проведении исследований, представлена на фиг. 2. Диаметр выходного сечения сопла равен Da = 30 мм. Контур дозвуковой части сопла рассчитан по формуле Витошинского [6].
Измерения отклонений внутренней поверхности сопел от окружности (некруг -лость) проведены на расстоянии 3 мм от выходного сечения сопла с использованием кругломера фирмы "Taylor Rank 73PC". Для сравнения проведены также измерения отклонений от окружности для ранее использовавшихся сопел диаметром Da = 20 мм [4, 5]. Отклонения у новых сопел существенно меньше, чем у сопел, использовавшихся ранее (e ~ 2.65 и 12 мкм, соответственно), что обусловлено более высоким качеством применявшегося оборудования при изготовлении новых сопел.
Шероховатости поверхностей сопел измерялись при продольном перемещении измерительного наконечника вблизи выходного сечения сопла с помощью профиломет-ра 120L фирмы "Form Talysurf". Средняя шероховатость поверхности используемых сопел примерно в 5 раз меньше, чем у ранее применявшихся сопел. Например, для ранее используемого сопла диаметром Da = 20 мм шероховатость по стандарту Rz(ISO) составляла k « 2 мкм, а для новых сопел характерное значение шероховатости, определяемое как средняя высота неровностей на профиле, k « 0.25 мкм.
Относительная шероховатость, равная отношению размера шероховатости к толщине вытеснения пограничного слоя на срезе сопла, для новых сопел составляет примерно 0.0005, а для ранее использовавшихся сопел — 0.02. Уменьшение относительной шероховатости для новых сопел обусловлено не только улучшением качества поверхности вновь изготовленных сопел, но и увеличением толщины пограничного слоя на выходе из сопла для применявшегося в этих исследованиях струйного модуля. На срезе профилированного сопла относительная толщина слоя смешения составляет S/Ra = 0.07. Таким образом, сопло имеет гидравлически более гладкую внутреннюю поверхность по сравнению с соплами, использовавшимися ранее.
Автоматизированная система сбора данных. При проведении экспериментальных исследований использовалась система прецизионного трехосевого позиционирования, состоящая из координатного устройства, блока управления, пульта ручного пере-
4 Механика жидкости и газа, № 1
мещения и ПК, с которого производилось автоматизированное управление перемещением и сбором экспериментальных данных [7].
Координатник (поз. 6 на фиг. 1) позволяет проводить перемещение трубки Пито по трем координатам X, Y, Z с использованием шаговых двигателей и специальных без-люфтовых шестереночных передач в "ручном" или автоматическом режиме. Диапазон перемещений зонда 200 х 200 х 200 мм3. Точность позиционирования составляет примерно ±20 мкм.
Специальная программа сбора экспериментальных данных позволяет управлять перемещением координатника, регистрировать газодинамические параметры в фор-камере струйного модуля, в рабочей камере установки, давление, температуру, измеряемые в процессе эксперимента, а также осуществлять первичную обработку полученных данных.
2. Методики исследования. Визуализация структуры сверхзвукового течения. Визуализация картины течения — неотъемлемая часть эксперимента при исследовании струйных сверхзвуковых турбулентных течений. Визуализация позволяет получить наглядное представление о структуре высокоскоростных течений, переходе от ламинарного к турбулентному режиму течения, наличии вихревых структур, соответствии или несоответствии газодинамического режима струй и о других их особенностях. Наиболее распространенными оптическими способами регистрации картины течения являются шлирен-метод визуализации и метод лазерного ножа.
Шлирен-метод основан на регистрации угла отклонения луча света, прошедшего через оптическую неоднородность, т.е. исследуемую сверхзвуковую струю. Для получения теневых снимков на экспериментальной установке применялся штатный прибор Теплера ИАБ-451.
Визуализация течения производилась с использованием высокоскоростной цифровой фотокамеры с высоким разрешением матрицы и длиннофокусным объективом. Теневые снимки формировались с помощью ножа Фуко, расположенного в коллима-торной части ИАБ-а, где располагался объектив, служащий для формирования изображения. Нож устанавливался вертикально или горизонтально и смещался так, чтобы перекрывалась половина изображения источника света, что позволило регистрировать камерой теневые снимки либо с продольными, либо поперечными градиентами плотности (фиг. 3, а—в). При отсутствии ножа регистрируется прямотеневая картина течения. При экспозициях камеры более 1 мс на снимках видна осредненная картина течения (фиг. 3, а, б), а при малых экспозициях (1—5 мкс) — мгновенная (фиг. 3, в). При больших экспозициях отчетливо видна стационарная ударно-волновая структура сверхзвукового течения — скачки уплотнения, ударные волны, слои смешения, граница струи (фиг. 3, а, б). На мгновенных снимках дополнительно выделяются вихревые структуры различного типа, например, продольные вихри Тейлора—Гертлера или Кельвина—Гельмгольца, формирующиеся в сдвиговом течении.
Метод визуализации с помощью лазерного ножа осн
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.