Экспериментальные исследования потоков в плоских каналах

Язык труда и переводы:
УДК:
533.6.071.3
Дата публикации:
14 января 2022, 12:53
Категория:
Секция 07. Развитие космонавтики и фундаментальные проблемы газодинамики, горения и теплообмена
Авторы
Рулева Лариса Борисовна
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Cолодовников Cергей Cванович
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН
Аннотация:
Аэротермодинамика фрагментов высокоскоростных аппаратов экспериментально исследовалась на моделях в лабораторной установке кратковременного действия «Гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба». Экспериментально получены газодинамические характеристики модели плоского канала, образованного полуклином и затупленными кромками, в потоке на числах Маха М = 7. Показаны распределения давлений на поверхностях плоского канала. Измерены температуры и тепловые потоки в. локальных областях затупленной кромки при воздействии потока. Приведены технические возможности оборудования.
Ключевые слова:
гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба, газовый поток, модели, эксперимент
Основной текст труда

Конструкторские разработки воздухозаборников высокоскоростных летательных аппаратов проводятся совместно с математическим и физическим моделированием аэротермодинамики в условиях полета [1]. Имитацию входной группы воздухозаборника наиболее просто осуществить на моделях  плоского канала, образованного полуклином и затупленной кромкой. Математическое моделирование аэротермодинамики моделей в газовом потоке с заданными параметрами требует экспериментального подтверждения расчетов.

Экспериментальная модель плоского канала была представлена в виде верхнего полуклина и двух взаимозаменяемых нижних затупленных кромок. Физическое моделирование воздействий высокоскоростных потоков на локальные области плоских каналов проведено в лабораторной установке «Гиперзвуковая ударная аэродинамическая труба» (ГУАТ), моделирование режимов которой выполнено в работах [2, 3]. Установка содержит вакуумный блок с моделями перед соплом, а газовый напор на входе в сопло создается ударной волной, образованной в тракте ударной трубы. В газодинамическом эксперименте важна регистрация высокоэнтальпийного потока газа вдоль всего тракта ГУАТ и на поверхностях плоского канала.

ГУАТ является установкой кратковременного действия, поэтому  увеличение ее рабочего времени и  времени квазистационарного течения гиперзвукового потока из сопла [4] особенно важно для сравнительного анализа математического и физического моделирования. Заданные режимы предполагают разную длительность существования начального квазистационарного истечения потока из сопла, «полочки», длительностью 1...7 мс. Этот интервал был пригоден для сравнения математического и физического моделирования [4].

Для процесса валидации  потребовалась предварительная качественная техническая подготовка экспериментальных работ, апробация новых датчиков и оборудования,  пробные запуски, а также реестр сформулированных расчетом тестовых задач [2, 3]. По результатам численного моделирования параметров газового потока в рабочей и измерительной частях ГУАТ выявлены характерные режимы для экспериментальных проверок.

Давления в камере низкого давления фиксировано 36×105 Па, в камере низкого давления находится в диапазоне 102...105 Па, в  аэродинамическом блоке (ресивере) глубина вакуумирования составила от 10–7 до 1010 Па. Высокочастотные (500 кГц) сертифицированные датчики давления установлены по всему тракту ГУАТ и на моделях. На внутренней поверхности плоского канала моделей были внедрены также датчики теплового потока с низкой инерцией (5 мкс). Образцы изготовленных в лаборатории датчиков теплового потока калориметрического типа были  градуированы по сертифицированным термопарным коаксиальным датчикам. Вибрация модели в потоке контролировались малогабаритным (0,005 кг) трехосным акселерометром. Система обработки сигналов датчиков была представлена аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) с частотой 10 МГц. В экспериментах применены нижние кромки с радиусами затупления 2 мм. Нижняя кромка находилась на дистанции 20 мм от верхней модели и сдвигалась вдоль оси от 40 до 47 мм для получения желаемой структуры отражений. Поперечный размер моделей 70 мм для чисел Маха М = 7 соответствовал экспериментальной проверке равномерности потока из конического сопла [5]. Однако при увеличении скорости потока поперечный размер моделей должен быть меньше, что следует из математического моделирования [3].

Методика измерений на установке ГУАТ основывалась на принципе прямых измерений, без промежуточных расчетов. Метод люминесцентных преобразователей температуры [6], имеющий преимущества по пространственному измерению, но включающий в себя повторные эксперименты и расчеты по восстановлению области светимости был заменен на измерения тепловыми датчиками в локальных областях.

Экспериментально получено точечное распределение давлений на поверхностях моделей плоского канала до 4,5 кПа. Скачки температуры на поверхности модели при запуске сопла от температуры при первоначальном давлении среды 108...1010 Па до давления торможения составили до 4,5 K  на нижней затупленной кромке. Тепловые потоки на поверхностях плоских каналов составили 2,31...3,27 МВт/м2 в тестовых режимах. Наибольшая теплопередача наблюдалась на поверхности нижней кромки по линии присоединения скачка уплотнения от верхнего полуклина и действующего потока. Ударно-волновые структуры, возникающие в процессе истечения потока на модель, регистрировались высокоскоростной видеокамерой. Время экспозиции составляло 2 мкс.

Выявлено влияние глубины быстрого вакуумирования на снижение температуры среды перед запуском сопла.

В ходе экспериментальных исследований плоских каналов были изготовлены и успешно внедрены в работу калориметрические датчики теплового потока. Выявлены области повышенного давления и температуры. Физическое моделирование показало устойчивые области максимальных давлений и температур.

Литература
  1. Seleznev R.K., Surzhikov S.T., Shang J.S. A review of the scramjet experimental data base // Progress in Aerospace Sciences. 2019. Vol. 106. Pp. 43–70. DOI: 10.1016/j.paerosci.2019.02.001
  2. Суржиков С.Т. Расчетные исходные данные для решения тестовых задач в рабочей зоне гиперзвуковой ударной аэродинамической трубы ГУАТ лаборатории РадГД ИПМех РАН // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2021. Т. 22. Вып. 1. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2021-22-1/articles/930/ (дата обращения 11.11.2021).
  3. Суржиков С.Т. Расчетные исходные данные для решения тестовых задач в измерительной секции гиперзвуковой ударной аэродинамической трубы ГУАТ лаборатории РадГД ИПМех РАН // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2021. Т. 22. Вып.1. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2021-22-1/articles/931/ (дата обращения 11.11.2021).
  4. Panasenko A.V., Ruleva L.B., Solodovnikov S.I. Increasing hypersonic aerodynamic shock tube working time duration // Conf. Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2020. Vol. 927. Art. no. 012082 DOI: 10.1088/1757-899X/927/1/012082
  5. Иванов И.Э., Котов М.А., Рулева Л.Б., Солодовников С.И. Исследование функционирования соплового блока гиперзвуковой ударной аэродинамической трубы // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2018. Т. 19. Bып. 3. URL: http://chemphys.edu.ru/issues/2018-19-3/articles/748/ (дата обращения 11.11.2021).
  6. Mosharov V., Radchenko V., Senuev I., Kotov M., Ruleva L., Solodovnikov S., Surzhikov S. Preliminary experimental results of heat flux surface field registration at the hypersonic aerodynamic shock tube using temperature sensitive paint // Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing (Bristol, UK, England). 2018. 1009. p. 012036. DOI: 10.1088/1742-6596/1009/1/012036
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.