ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 433, № 5, с. 635-638
МЕХАНИКА
УДК 532.525.2+533.6.011
ГАЗОДИНАМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ТЕЧЕНИЯ И РАЗВИТИЕ ВОЗМУЩЕНИЙ В МИКРОСТРУЯХ
© 2010 г. Академик В. М. Фомин, В. М. Анискин, А. А. Маслов, С. Г. Миронов, И. С. Цырюльников
Поступило 08.04.2010 г.
В последние годы наблюдается растущий интерес к изучению высокоскоростных дозвуковых и сверхзвуковых газовых микроструй в силу потенциальной возможности их использования в микрореактивных двигателях [1], в микроустройствах пневмоники, для охлаждения элементов микроэлектроники [2] и для активного управления газодинамическими течениями [3, 4].
Принципиальной проблемой микротечений и, в частности, микроструй является роль масштабного фактора в ряде явлений, наблюдаемых в макроскопических струях. Это касается формирования волновой структуры сверхзвуковой струи, возникновения вихрей Гертлера, развития неустойчивости сдвигового течения и восприимчивости струйного течения к акустическому воздействию. Решение этой проблемы может быть получено в исследованиях среднего течения и характеристик пульсаций в газовых струях, истекающих из микросопел различного размера в диапазоне от долей миллиметра до нескольких микрон, и сопоставления полученных данных с результатами для макроскопических сопел.
В данной работе впервые представлены результаты исследования газодинамической структуры плоской сверхзвуковой недорасширенной микроструи азота и развития естественных и контролируемых возмущений в плоской дозвуковой микроструе гелия.
Сверхзвуковая недорасширенная струя азота комнатной температуры истекала в атмосферу из щелевого звукового сопла шириной к = 17 мкм и длиной 1.875 мм. Размер шероховатостей кромки сопла составлял величину ~1 мкм. Измерения были выполнены при величине отношения давления
р
торможения к атмосферному давлению — = 3.8,
Ра
что соответствует расчетному числу Маха на оси
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича
Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск
струи Мр = 1.53. Число Рейнольдса струи, вычисленное по ширине сопла и скорости на его срезе, в этом случае равнялось ~970, что соответствует истечению ламинарной струи. Измерения выполнялись трубкой Пито диаметром 12 мкм и толщиной стенки 0.1 мкм, изготовленной по технологии [5]. Трубка перемещалась в пространстве микроманимулятором №г18Ы§е МТ-88Б с точностью 1 мкм, контроль за ее положением осуществлялся визуально через оптический микроскоп №ккоп 8Ы21500.
Было измерено распределение давления полного напора в плоскости размером 150 х 160 мкм, проходящей через середину длины сопла в направлении, поперечном длине. Измерения выявили периодические вариации давления полного напора вдоль оси струи (рис. 1), связанные с наличием волновой структуры в сверхзвуковой струе. Небольшая величина нерасчетности струи (п ~ 2) позволяет сопоставить продольный масштаб ячейки волновой структуры Ь, полученный в эксперименте, с масштабом ячейки волновой структуры, описываемым простым соотношени-
где кр — ширина расчетной струи. Соотношение достаточно точно описывает длину ячеек волновой структуры на потенциальном участке плоских макроструй воздуха малой нерасчетности. Величина кр была вычислена по данным измерений ширины струи вблизи сопла с учетом размера зонда и составила 24 мкм. Отсюда Ь3 = 29 мкм, что хорошо согласуется с измеренной величиной длины ячейки волновой структуры микроструи, равной 28—30 мкм.
Трубкой Пито были измерены давления полного напора на границе азотной струи вдоль направления длины сопла на различных расстояниях от его среза. Измерения показали наличие вариаций величины давления полного напора в направлении длины сопла, амплитуда которых увеличивается с ростом расстояния до его среза (рис. 2). Можно также заметить увеличение продольного масштаба вариаций с ростом расстояния от среза сопла. Подобные изменения давле-
ем для струи идеального газа [6] Ь8 = крЛ/мр - 1,
636 ФОМИН и др.
Р, атм
Рис. 1. Распределение давления полного напора вдоль струи (координата Х) и поперек направления длины сопла (координата У).
Рис. 2. Распределение давления полного напора поперек струи (координата У) и вдоль направления длины сопла (координата 7) для нескольких расстояний от среза сопла (координата Х).
ния полного напора и характеристики их развития наблюдаются на границе потока при истечении недорасширенных воздушных струй из круглых звуковых сопел обычного размера [7]. Эти вариации давления полного напора связывают с развитием вихрей Гертлера на криволинейной границе недорасширенной струи, в которой начальные возмущения потока создаются шероховатостями кромки сопла. Можно предполо-
жить, что и в случае микроструи на границе потока наблюдаются аналогичные вихри Гертлера.
Развитие естественных и искусственных возмущений изучалось в микроструе гелия, истекающего из вышеупомянутого сопла. Использование гелия позволило визуализировать шлирен-методом поле микротечения за счет большой разницы в показателе преломления между гелием и воздухом.
Рис. 3. Шлирен-визуализация гелиевой струи без акустического воздействия (слева) и с акустическим воздействием
Р0
(справа); — = 1.024,/= 4.25 кГц, Ь = 115 дБ.
Ра
Величина — варьировалось в пределах от 1.027
P a
до 1.1, что соответствует истечению дозвуковой струи с начальной скоростью u0 = 176—345 м/с. При этом число Рейнольдса струи, вычисленное по ширине сопла и скорости на его срезе, изменялось в пределах 28—55, что соответствует истечению ламинарной струи. Возмущения массового расхода в микроструе измерялись термоанемометром постоянного сопротивления A.A.Lab Ltd в диапазоне частот до 50 кГц.
Были исследованы характеристики возмущений массового расхода на низкоскоростном участке струи на расстоянии 1.5—20 мм от среза сопла. Получены также характеристики собственных возмущений микроструи и возмущений, возникающих при воздействии на нее монохроматических акустических волн интенсивностью L до 125 дБ в диапазоне частот f = 4—20 кГц. Акустические волны создавались динамиком, расположенным вблизи струи, направленность излучения которого была нормальна к длине сопла. При использовании внешнего акустического воздействия шлирен-визуализация течения осуществлялась со стробоскопическим источником света, что позволило получить осредненные картины струйного течения, соответствующие определенной фазе акустических колебаний.
Акустическое воздействие приводит к возникновению отчетливо видимых на картинах шли-рен-визуализации быстрорастущих синусоидальных возмущений поля течения струи, распаду компактного потока и формированию течения с большим углом расширения, образованного несколькими отдельными струями (рис. 3, справа). Максимальное расширение струи достигается
при скорости истечения и0 ~ 200 м/с на частоте воздействия / = 4.25 кГц, что соответствует числу
Струхаля = /— = 3.6 • 10-4. Точка расщепления "о
и угол расширения струи слабо зависят от интенсивности звука в пределах Ь = 115—125 дБ. Относительный уровень акустических пульсаций скорости — для этой интенсивности звука не превы-"о
шал величины 0.05%. Было также обнаружено, что увеличение скорости струи и частоты звука снижает эффект акустического воздействия на струю.
Анализ спектров возмущений в струе без акустического воздействия показал наличие вблизи сопла только слабых пульсаций на уровне шумов термоанемометра (рис. 4, слева). При удалении зонда от сопла в струе возникают широкополосные низкочастотные возмущения, амплитуда которых быстро нарастает вниз по потоку.
При акустическом воздействии в струе вблизи сопла доминируют пульсации на частоте возбуждения и на частотах гармоник (рис. 4, справа). При удалении от сопла в струе возникают и усиливаются широкополосные низкочастотные возмущения, которые становятся сравнимыми по амплитуде с пульсациями на частоте возбуждения. При этом в спектрах исчезают гармоники основной частоты возбуждения.
Сопоставление полученных данных с результатами обширных исследований по акустическому воздействию на макроскопические струи [8] показало более высокую степень воздействия акустики на микрострую при равных значениях
638
ФОМИН и др.
A, усл. ед.
100000 10000 1000 100 10
10
15
20
10000 -
1000 -
100
10*
25
10
15
20 25 f, кГц
Рис. 4. Спектры пульсаций в гелиевой струе для двух расстояний от сопла ^ — = 1.024 I . Слева — спектры без акустика
ческого воздействия (1 — Х = 1.5 мм, 2 — 20 мм), справа — с акустическим воздействием (1 — Х = 1.5 мм, 2 — 10 мм); / = 4.25 кГц, Ь = 115 дБ.
интенсивности звука и при существенно более низких значениях числа Струхаля.
Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта Президиума СО РАН № 110 и проекта фундаментальных исследований Президиума РАН № 11/10.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bayt R.L., Breuer K.S. // Pap. AIAA. 2001-0721.
2. Fabbri M., Jiang S., Dhir V.K. ASME Summer Heat Transfer Conf. Las Vegas (NV), 2003. Pap. HT2003-47162.
3. Lou H., Alvi F.S., Shih C. // AIAA J. 2006. V. 44. № 1. P. 58-66.
4. Kumar V., AlviF.S. // AIAA J. 2006. V. 44. № 2. P. 273281.
5. Golod S.V., Prinz V.Ya., Wägli P. et al. // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 84. № 17. P. 3391-3393.
6. Pack D.C. // Quart. J. Mech. and Appl. Math. 1950. V. 3. P. 173-181.
7. Запрягаев В.И., Миронов С.Г. // ПМТФ. 1993. Т. 34. № 5. С. 41-47.
8. Гиневский А.С., Власов Е.В., Каравосов Р.К. Акустическое управление турбулентными струями. М.: Физматлит, 2001. 240 с.
1
0
5
0
5
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.