Экспериментальные исследования сверхзвуковых течений газа с интенсивным тепловыделением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат наук Глушнева, Александра Владимировна

• Глушнева, Александра Владимировна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Глушнева, Александра Владимировна

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................14

1.1. Нестационарное истечение из канала разрядной камеры.....................................................14

1.2. Взаимодействие пограничного слоя с ударной волной..........................................................24

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ........................................41

2.1. Устройства для получения искрового канала внутри разрядных камер............................41

2.2. Синхронизация...........................................................................................................................43

2.3. Модели разрядных камер..........................................................................................................46

2.4. Модель нагревающейся рампы................................................................................................48

2.5. Сверхзвуковая аэродинамическая труба СТ-4.......................................................................50

2.6. Шлирен-визуализация течения................................................................................................53

2.7. Particle Image Velocimetry..........................................................................................................58

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА ПРИ НАЛИЧИИ ЭНЕРГОПОДВОДА....................................................................75

3.1. Исследование распространения ударной волны из канала разрядной камеры..................75

3.2. Исследования истечения нагретого воздуха из канала разрядной камеры.........................79

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТРЫВА ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ПРИ НАЛИЧИИ ТЕПЛОПОДВОДА.........................................................94

4.1. Исследования методом Шлирен...............................................................................................94

4.2. Исследование методом PIV......................................................................................................100

ВВЕДЕНИЕ

Изучение процессов с интенсивным теплообменом представляет огромный интерес, так как большинство процессов происходят не в теплоизолированной среде. Интенсивный теплообмен оказывает существенное влияние на протекание газодинамических процессов, таких как формирование струй и обтекание тел. Особый интерес представляет теплообмен в сверхзвуковых потоках, так как количество энергии, которое может существенно повлиять на сверхзвуковой поток должно быть сравнимо с энергией данного потока.

Явления можно разделить на процессы с мгновенным энергоподводом и на процессы с постепенным энергоподводом. Процессы с мгновенным энергоподводом характеризуются быстрым выделением большого количества энергии за короткий промежуток времени, то есть время выделения энергии как минимум на порядок меньше характерного времени процесса. Процессами с мгновенным энергоподводом являются взрывы и искровые разряды. В ходе взрывов огромное количество энергии (порядка 1000 Дж) выделяется в небольшом объеме за короткий промежуток времени -10" с. Полученная средой энергия тратится на излучение, химические процессы, нагрев и распространение газа. Аналогичные процессы происходят в результате искровых разрядов. Энергия, накопленная в результате разделения разрядов, высвобождается в небольшом объеме за характерное время

10"5 с. В результате

возникает ударная волна, которая увлекает за собой нагретый и ионизированный газ. Если взрыв является, как правило, техногенным, то искровые пробои - молнии происходят в природе Ударная волна, распространяющаяся от грозовой молнии, быстро затухает и превращается в акустическую, однако на близких расстояниях скорость ударной волны достигает нескольких километров в секунду, и она может причинить существенные повреждения. Если молния попадет в высоковольтную линию, она может вызвать перенапряжение, которое приведет к порче оборудования и

к перебою в электроснабжении. Для защиты от перенапряжения используют нелинейные ограничители перенапряжения (ОПН). Один из принципов работы ОПН состоит в использовании нескольких искровых каналов для рассеивания энергии молнии. Таким образом, изучение теплообмена и газодинамики во время искрового разряда представляет некоторый интерес. Процессы, происходящие в искровом канале, были описаны в работах С.И. Брагинского и С.И. Драбкиной [1,2]. Формирование стримерного канала между двумя электродами в свободном пространстве также подробно изложено Ю.П. Райзером [3]. Разряд в замкнутом пространстве представляет более сложную систему, так как геометрия стенок влияет на газодинамику и изменяет параметры среды разряда. Таким образом геометрия канала, в котором происходит разряд влияет на его протекание. Исследования газодинамики разряда в канале важны с точки зрения практического применения, так как могут быть использованы в усовершенствовании ОПН.

Процессы с постоянным энерговыделением характеризуются тем, что время энерговыделения сравнимо с характерным временем процесса. Например, нагревающаяся из-за трения поверхность летательного аппарата влияет на процесс обтекания поверхности этого аппараты. Подобный процесс можно охарактеризовать, как процесс с постоянным энерговыделением. Влияние постоянного энерговыделения на обтекание крыла летательного аппарата сверхзвуковым потоком может привести к появлению отрыва пограничного слоя или к усилению уже существующего отрыва [4]. Влияние теплообмена на процесс отрыва потока изучается в течение длительного времени. Выявлены основные механизмы влияния теплопередачи на возникновение отрыва пограничного слоя. Нагрев поверхности дестабилизирует пограничный слоя и приводит к более раннему отрыву. Существуют два объяснения этого эффекта. С одной стороны нагрев поверхности приводит к утолщению дозвукового подслоя пограничного слоя, С другой стороны нагрев уменьшает коэффициент трения и увеличивает толщину

вытеснения пограничного слоя. Обратные процессы происходят в случае охлаждения пограничного слоя и приводят к сжатию зоны отрыва. Явление отрыва, возникающее на поверхности крыльев и фюзеляжа сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов может привести к возрастанию сопротивления конструкции и к потере управления. Основное направление исследований связанно с уменьшением зоны отрыва и с изучением колебаний границ отрыва. Особенное внимание уделяется в настоящее время природе низкочастотных колебаний границ зоны отрыва. Существуют две теории объясняющие наличие низкочастотных мод. Одна связана с взаимодействием скачка уплотнения в точке отрыва и течением в зоне отрыва, другая теория связана с когерентными структурами, присутствующими в натекающем пограничном слое. В связи с последней теорией изучение турбулентного пограничного слоя на нагретой поверхности может прояснить влияние когерентных структур на колебания зоны отрыва, так как нагрев поверхности усиливает пульсации в турбулентном пограничном слое.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальные исследования сверхзвуковых течений газа с интенсивным тепловыделением»

Актуальность работы

Нестационарные газодинамические истечения в каналах и соплах, несмотря на длительную историю исследований, до сих пор являются не изученными. В последние годы появились новые методы и диагностики, позволяющие произвести детальное изучение ранее неизвестных особенностей. К этим методам диагностики относятся оптические и лазерные методы, развитые в последние годы, такие как PIV (Particle Image Velocimetry -лазерный метод определения поля векторов скоростей по изображениям частиц) в комбинации с высокоточными теневыми методами, основанные на измерениях градиентов плотности. В настоящей диссертации предметом исследования были два типа нестационарных газодинамических течений -сверхзвуковое истечение из канала с энерговыделением и сверхзвуковое обтекание нагретого тела, формирующего скачки уплотнения в сверхзвуковом

потоке. Экспериментальные исследования нестационарных ударных волн, проведенные в ОИВТ РАН Т.В. Баженовой, Л.Г. Гвоздевой и В.В. Голубом [5], дают ответы на многие проблемы, но ряд задач, связанных с интенсивным энергоподводом, остаются пока нерешенными ввиду чрезвычайной сложности проблемы. Экспериментальные и теоретические исследования нестационарных течений газа с омическим энерговыделением в разрядных камерах были инициированы прикладными задачами, связанными с разработкой и созданием молниезащитных устройств и ограничителей перенапряжений (ОПН) на основе искровых разрядных камер [6], которые являются одним из перспективных направлений высоковольтной электроэнергетики. Принцип действия ОПН на основе искровых разрядников заключается в пробое последовательно соединенных разрядных промежутков, образующих мультикамерную систему (МКС), при возникновении перенапряжения на высоковольтной линии, которое сопровождается истечением сверхзвуковой струи плазмы из канала камеры в атмосферу [6]. В искровых камерах молниезащитных устройств выделяется значительное количество энергии, что приводит к большим температурам струи и сверхзвуковому истечению из камеры. Другая особенность истечения из разрядной камеры заключается в том, что характерное время протекания разряда сравнимо со временем истечения струи из камеры. Это отличает истечение из разрядной камеры от импульсных струй, моделируемых при помощи ударной трубы. В настоящей работе изучаются особенности формирования высокотемпературной импульсной струи в результате искрового разряда.

Фундаментальные исследования трения, массо- и теплообмена в сверхзвуковом потоке газа с охлаждаемыми и нагреваемыми стенками, выполненные в работах С.С. Кутателадзе, А.И. Леонтьева, и других исследователей [7], привели к значительной завершенности проблемы, однако, в последнее время, появились методы снижения аэродинамического сопротивления с использованием тел или устройств, помещаемых перед

головной частью летательного аппарата (ЛА). К ним относятся применение иглы в ракетах Трайдент (США), неоднородному, «пятнистому» и другим типам нагрева поверхности для управления летательными аппаратами. Развитие конструкций сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов привело к необходимости создания методов расчета и проектирования аппаратов с управлением сверхзвуковыми потоками. Перспективным направлением является также управление сверхзвуковыми течениями при помощи энерговыделения [8] или изменения температуры обтекаемой поверхности. Одним из примеров является применение энерговыделения для снижение сопротивления головной части летательного аппарата. Основная идея состоит в замене прямого скачка уплотнения на систему косых скачков, на которых потери полного давления меньше. Для этого перед затупленным телом помещают иглу, на острие которой образуется слабая ударная. Обтекание нагретых препятствий численно моделировалось в работах П.Ю. Георгиевского и В.А. Левина [9], где изучалось образование зоны возвратного течения при энерговыделении в ограниченной зоне перед закругленным телом. В настоящей работе экспериментально моделировалось двумерное течение на аналогичной геометрии, содержащей нагревающуюся плоскость и присоединенный к ней клин. Во многих случаях управление турбулентным потоком основано на перемещении точки отрыва и обратного присоединения пограничного слоя. Известно, что для сверхзвукового потока охлаждение поверхности приводит к стабилизации турбулентного пограничного слоя и задержке отрыва [7], влияние нагрева поверхности на отрыв турбулентного пограничного слоя изучено в меньшей степени. В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований протяженности зоны отрыва турбулентного пограничного слоя при нагреве поверхности.

Цель работы

Цель данной работы — исследование нестационарного импульсного сверхзвукового вихревого течения высокотемпературной струи, истекающей из канала в затопленное пространство при интенсивном энерговыделении в канале, и влияния нагрева поверхности на турбулентный пограничный слой при обтекании сверхзвуковым потоком двумерного течения у плоскости с присоединенным клином.

Задача исследования импульсного истечения из канала разрядной камеры заключалась в определении влияния профиля выходного канала и энергии, выделившейся в искровом разряде, на динамику распространения ударной волны и высокотемпературной струи. Измеряемыми параметрами являлись: скорость распространения контактной поверхности струи, скорость газа внутри струи, размер вихревого кольца, диаметр ядра вихря и значение циркуляции вихревого кольца. Задача исследования обтекания плоскости с присоединенным клином (рампы) сверхзвуковым потоком заключалась в изучении влияния нагрева поверхности на протяженность зоны отрыва турбулентного пограничного слоя и на колебательные движения скачка уплотнения и зоны отрыва.

Научная новизна

С помощью современных методов диагностики с высоким пространственным разрешением проведено исследование распространения вихревой структуры в процессе импульсного истечения высокотемпературной струи из канала разрядной камеры. Экспериментально обнаружено вторичное вихревое кольцо, формирующееся перед основным вихревым кольцом в импульсной струе и закрученное в том же направлении, что и основное вихревое кольцо. Изучено формирование и распространение вихревой структуры при истечении нагретого газа из канала разрядной камеры. Обнаружено убывание значения циркуляции в области вихревого кольца или

системы вихревых колец (в случае двух вихревых колец) до момента отрыва вихревого кольца. Обнаружено, что расширяющаяся геометрия канала способствует более раннему отрыву вихревой структуры от спутной струи, что позволяет сделать вывод о том, что в данном случае процесс аккумуляции энергии вихревой структурой происходит быстрее, чем в случае цилиндрического канала.

С помощью качественных и количественных методов диагностики исследовано взаимодействие скачков уплотнения, образующихся при обтекании рампы, с турбулентным пограничным слоем на нагретой поверхности рампы.

Определено, что увеличение зоны отрыва имеет линейную зависимость от отношения температуры поверхности к температуре набегающего потока. Показано, эффект увеличения зоны отрыва нельзя полностью объяснить с помощью теории свободного взаимодействия. Также показано, что нагрев поверхности влияет на профиль течения в присоединенном пограничном слое и усиливает колебания границ зоны отрыва.

Практическая значимость

Экспериментальное изучение структуры импульсной струи и эволюции параметров вихревой структуры в зависимости от энергии, вложенной в газ и геометрических параметров выходного канала представляют значительный научный интерес, позволяя проверить теоретические модели, описывающие процессы распространения ударных волн и формирования нестационарных струй в результате локализованного энерговыделения. Данные исследования также имеют практическую ценность для изучения влияния геометрии выходного канала на распространение струи и оптимизации конструкций мультикамерных разрядников, использующихся в нелинейных ограничителях перенапряжения (ОПН) на высоковольтных линиях.

Экспериментальное изучение отрыва турбулентного пограничного слоя на нагреваемой поверхности имеет научную значимость, так как полученные результаты позволяют скорректировать законы подобия для протяженности отрыва пограничного слоя в условиях неадиабатической поверхности и изучить влияние теплообмена на нестационарное взаимодействие скачка уплотнения с пограничным слоем.

Основные результаты, представляемые к защите

1. Результаты скоростной шлирен-визуализации распространения ударной волны и головной поверхности высокотемпературной импульсной струи, на основании которых получена зависимость распространения ударной волны и головной поверхности струи от величины энергии, выделенной в разрядном промежутке.

2. Экспериментальная зависимость пространственно-временных характеристик вихревой структуры для различных типов каналов разрядной камеры (цилиндрического и расширяющегося канала).

3. Зависимость длины отрыва турбулентного пограничного слоя от отношения температуры стенки к температуре набегающего сверхзвукового потока при М=2.

4. Экспериментальные результаты визуализации методом PIV возвратного течения в зоне отрыва и в зоне присоединения турбулентного пограничного слоя.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях, в том числе: 1. Тезисы на международной конференции «Equation of State for Matter»

(Эльбрус, 2012);

2. Тезисы на 54-й научной конференции МФТИ. (Долгопрудный, 2011);

3. Тезисы на 55-й научной конференции МФТИ. (Долгопрудный, 2012);

4. Тезисы на международной конференции «Equation of State for Matter» (Эльбрус, 2012);

5. Тезисы на IX Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях» (Алушта, 2012);

6. Тезисы на международной конференции «Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter» (Эльбрус, 2013);

7. Тезисы на 56-й научной конференции МФТИ. (Долгопрудный, 2013);

8. Тезисы на 2-й всероссийской научной конференция «Механика наноструктурированных материалов и систем». (Москва, 2013).

Личный вклад автора

Создание экспериментальной установки для изучения процесса импульсного истечения из канала разрядной камеры. Создание экспериментальной установки для исследования процесса взаимодействия скачка уплотнения с турбулентным пограничным слоем. Разработка и создание модели рампы с подогревающейся поверхностью и изменяемым углом наклона рампы к потоку. Отладка методик диагностики импульсного истечения и методик диагностики отрыва турбулентного пограничного слоя. Обработка и анализ полученных экспериментальных данных. Выступление на конференциях с результатами работы по теме диссертации, в том числе и на международных конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и списка цитируемой литературы (54 ссылки). Объем диссертации составляет 114 страниц. Работа содержит 62 рисунка.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах, включая 3

статьи, 8 тезисов и докладов на тематических конференциях, которые

перечислены ниже.

Статьи в журналах:

1. ГлуишеваА.В., Савельев А. С., Сон Э.Е. Экспериментальное исследование импульсного истечения высокотемпературного газа из разрядной камеры с цилиндрическим и расширяющимся каналом // ТВТ. 2013. Т. 51. № 3. С. 381391.

2. Глушнева А.В., Савельев А.С., Сон Э.Е. Взаимодействие скачка уплотнения с турбулентным пограничным слоем на нагретой поверхности // ТВТ. 2013. Т 51. №6. С. 891-896.

3. Glushniova A.V., Saveliev A.S., SonE.E., Tereshonok D.V. ShockWave-Boundary Layer Interaction on the Non-adiabatic Ramp Surface // High Temperature. 2014. Vol. 2. P. 221-225.

В сборниках тезисов:

4. ГлуишеваА.В., Сон Э.Е. Исследование истечения нагретого газа из канала цилиндрического профиля // Труды 54-й научной конференции МФТИ, г. Долгопрудный, 2011. С. 70-71.

5. Glushniova А. V., Saveliev A.S. Experimental study of gas outflow from discharge chambers // Equations of State for Matter. Elbrus, 2012. P. 156-157.

6. Glushniova A. V., Saveliev A.S., SonE.E., Tereshonok D.V. Investigation of Gas Outflow from Discharge Chambers with Different Channel Geometry // Тезисы на IX Международную конференцию по неравновесным процессам в соплах и струях. Алушта, 2012. С. 158-160.

7. Глушнева А.В., Сон Э.Е. Исследование взаимодействия нагретого пограничного слоя и ударной волны образованной при обтекании клина сверхзвуковым потоком // Труды 55-й научной конференции МФТИ, г. Долгопрудный, 2012. С. 85-86.

8. Glushniova A.V., Saveliev A.S., SonE.E. Experimental investigation of shock wave/boundary layer interaction in heated ramp surface // Interaction of Intense Fluxes with Matter. Elbrus, 2013. P. 91.

9. Глушнееа A.B., Савельев A.C., Сон Э.Е. Исследование взаимодействия ударной волны с пограничным слоем при обтекании сверхзвуковым потоком нагретой рампы // Тезисы на XVIII Международную конференцию по вычислительной механике и современным прикладным программным системам. Алушта, 2013. С. 545-546.

10.Глушнееа A.B., Савельев A.C., Сон Э.Е., Терешонок Д.В. Исследование взаимодействия турбулентного пограничного слоя с ударной волной в условиях интенсивного теплообмена // Труды 56-й научной конференции МФТИ, г. Долгопрудный, 2013. С. 51-52.

\\.Глушнееа A.B., Савельев A.C., Сон Э.Е., Терешонок Д.В. Исследование взаимодействия турбулентного пограничного слоя с ударной волной в условиях интенсивного теплообмена // Тезисы на 2-й всероссийской научной конференции Механика наноструктурированных материалов и систем. Москва, 2013. С. 110.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Нестационарное истечение из канала разрядной камеры

Задача импульсного истечения из канала изучается на протяжении многих лет, начиная с опытов Р. Вуда, изучавшего распространение дымовых колец в воздухе. Интерес к задаче импульсного истечения обусловлен ее практической важностью. В настоящее время импульсные истечения газа и плазмы используются в ряде энергетических устройств таких, как: электрические газовые детонаторы, реактивные двигатели и нелинейные ограничители перенапряжения (ОПН). В этих устройствах нестационарное течение газа создается благодаря интенсивному энерговыделению в локализованной области канала. В лабораторных условиях импульсное истечение из канала может быть также получено с помощью ударной трубы или поршня. При использовании ударной трубы импульсное истечение газа происходит благодаря ударной волне, образующейся внутри канала в момент разрыва диафрагмы. Ударная волна распространяется по каналу и увлекает за собой газ. Поршень используется для генерации импульсного истечения в несжимаемой среде (жидкости). Изучение процесса импульсного истечения несжимаемой жидкости из канала позволило исследователям понять ряд закономерностей имеющих место и для случая истечения сжимаемой среды. Основной особенностью импульсного истечения из канала является формирование вихревого кольца, возникающего в головной части струи при отрыве пограничного слоя от стенок на краях выходного отверстия [10]. Распространение вихревого кольца определяет распространение всей импульсной струи, поэтому исследование импульсного истечения сосредоточено на изучении образования, распространения и затухания вихревого кольца [10]. В [11] указаны основные параметры, которые характеризуют вихревую структуру: диаметр вихревого кольца Д диаметр поперечного сечения ядра вихря с1, циркуляцией вихревого кольца Г,

поступательная самоиндуцированная скорость W, величина импульса / и энергия Е. Также в [11] была проведена оценка импульса и энергии вихря для случая истечения несжимаемой жидкости и установлено, что объем жидкости, втекающий внутрь вихря из окружающей среды примерно в 3 раза больше объема втекающего через слой смешения. В [12] отмечено, что импульсную струю жидкости, вытекающую из отверстия, помимо плотности р и вязкости ц характеризуют также диаметр отверстия D и L — величина, имеющая размерность длины, равная объему газа, прошедшего через отверстие, к площади отверстия. В [10] за безразмерную временную шкалу принято отношение L/D, где L определяется через среднюю скорость поршня.

L = l'up(t)ât,

где ир - скорость поршня. Там же показано, что существует максимальное значение циркуляции, которую может получить вихревое кольцо в процессе распространения. После того, как циркуляция вихревого кольца достигает этого максимального значения, вихревое кольцо отрывается от струи и распространяется самостоятельно. Значение L/D, при котором происходит отрыв вихревого кольца, называется число образования (formation number) [10]. Существование максимального значения циркуляции вихревого кольца связано с тем, что, согласно вариационному принципу Кельвина-Бенджамина, стационарное вихревое кольцо, распространяющееся с постоянной скоростью, обладает максимумом энергии по отношению к импульсному возмущению с сохраняющимся распределением завихренности. Для случая генерации вихревого кольца с помощью поршня истечение струи описывается пробковой моделью потока, в которой полагается, что поток на выходе из отверстия имеет однородный профиль скорости, и скорость истечения совпадает со скоростью поршня [10, 13]. Пользуясь этой моделью, энергию, импульс и циркуляцию отнесенные к единице плотности струи можно представить следующим образом:

E = -TZD2LU 8

г2

7>'

I = -tzD2LU 4

Y — —Lun.

1 P

J_ 2

Предполагая, что в результате истечения формируется стационарное вихревое кольцо, и приравнивая данные выражения к энергии Ен, импульсу /д

и циркуляции Гд стационарного вихревого кольца, можно получить выражение

для ЬЮ\

где с - константа, определяющая часть энергии поршня, идущую на формирование кольца. Используя данные инварианты для пробковой модели можно ввести безразмерную энергию [14]:

Очевидно, что для истекающей струи значение безразмерной энергии, сообщаемой поршнем струе, а ,ои будет уменьшаться со временем. В то же

время при увеличении диаметра ядра вихря значение энергии вихревого кольца уменьшается до определенного минимального значения aUm [13]. Когда

аpiston < aiim поток уже не может сообщать энергию вихревому кольцу, и происходит отрыв вихревого кольца. Существование a!im для каждого семейства стационарных вихревых колец объясняется обобщением вихрей Норбури-Френкеля, являющихся стационарным решением для осесимметричных уравнений Эйлера. Значение а,1т для каждого семейства

вихревых колец определяется плотностью завихренности - со /г. Для вихрей Норбури-Френкеля со /r = const. В [10] было экспериментально найдено allm = 0.33 для семейства вихревых колец, исходя из Е, I и Г, вычисленных по полю векторов скорости вихревого кольца,

L/D = сл/о^СГ/2//2)/^

R '

а = £/(Г3/2/,/2).

где 1|/ - функция тока, х - расстояние вдоль оси симметрии, г — радиальное расстояние от оси симметрии струи. аПт рассчитывается в момент, когда

завихренность распространяется до оси симметрии кольца [10]. В этот момент вихревое кольцо отрывается от спутной струи и распространяется с постоянной самоиндуцированной скоростью Ж, которая зависит от импульса и циркуляции следующим образом [14]:

где В некая константа.

В случае, когда профиль скорости на выходе из канала неоднороден, необходимо учитывать двумерный вклад в циркуляцию. В [15] двумерный вклад в параметры вихревого кольца исследуется при истечении несжимаемой жидкости из конических сужающихся каналов, прямых каналов и камер с выходными отверстиями. Для учета двумерного вклада в циркуляцию используется следующая формула:

где ис1 - скорость в центре струи на выходе из канала, V - скорость в радиальном направлении. Там же показано, что при увеличении угла конического сопла двумерный вклад в циркуляцию возрастает.

Другая теория характеризует отрыв спутной струи от вихревого кольца моментом, когда скорость в струе за вихревым кольцом становится меньше скорости вихревого кольца [14]. В работе [12] показано, что истечение сжимаемого потока также характеризуется формированием вихревого кольца, которое описывается в тех же параметрах, что и для случая истечения

несжимаемой жидкости, но безразмерная шкала времени выражается через скорость газа за ударной волной /СД/Д так как скорость выхода газа определяется скоростью ударной волны. Также в работе [12] отмечено, что значение на безразмерной шкале времени, к которому происходит отрыв вихревого кольца значительно меньше соответствующего значения для несжимаемой жидкости. В данной работе это отличие объясняется различной динамикой истечения исхи(0 для случая сжимаемой и несжимаемой среды. В [12] было установлено, что скорость газа на выходе в процессе истечения возрастает в 2 раза, а затем падает, авторы объясняют эффект влиянием волны разряжения распространяющейся внутрь канала от выхода. В [5] проведена оценка плотности и давления в сжимаемом цилиндрическом вихре с равномерным распределением завихренности в ядре вихря. Согласно данной оценке плотность в центре вихря зависит от циркуляции следующим образом:

Р = Ра

1 (У1)1*

4 Л2а!

у-1

где ах - скорость звука на бесконечности, - плотность газа на бесконечности. Авторами было показано, что благодаря эффекту сжимаемости скорость вращения вихря ограниченна значением, при котором в центре ядра вихря образуется вакуум. В [16] определено, что отрыв вихревого кольца происходит при Шъ/й = 2. В [17] момент отрыва вихревого кольца от струи определен как момент, когда скорость подпирающей струи становится меньше скорости вихревого кольца, а характерным показателем процесса отрыва является прекращение роста значения циркуляции струи. В [5] показано, что импульсное истечение газа имеет еще одну особенность — образование ударной волны в вихре начиная с числа Маха дифрагирующей ударной волны 1.34. Причины, отвечающие за формирование вихревого кольца за дифрагирующей ударной волной, изучались в работе [18], где установлено, что основным источником вихрей является оторвавшийся пограничный слой, а

бароклинный эффект играет второстепенную роль. Там же исследована зависимость генерации вихря от угла, на котором дифрагирует ударная волна. Определено, что скорость роста размера вихря повышается в диапазоне углов от 30° до 60° и почти не меняется, начиная с 90°. Влияние геометрии канала на структуру истечения изучалось в [19], где обнаружено существование противоположно закрученного вихря, образующегося перед главным вихрем, при истечении из канала эллиптического сечения. В [5] описано взаимодействие двух, трех и четырех струй в блочной струе в зависимости от расстояния между осями каналов отнесенного к диаметру выходного отверстия. Таким образом, процесс импульсного истечения струи газа, возникающей в канале ударной трубы, подробно изучен. Исследование импульсной струи в ударной трубе не позволяет изучить все эффекты, возникающие при практическом применении импульсного истечения. На практике импульсная струя возникает в результате локализованного энергоподвода, а не получает мгновенный импульс в момент разрыва диафрагмы ударной трубы. Для импульсных струй, формирующихся в результате энерговклада, время энерговклада может быть сравнимо по порядку величины со временем истечения струи из канала, а температура газа в струе в момент истечения может составлять -1000 К. Высокотемпературные импульсные струи имеют место в том числе при работе плазмотронов [20]. В [21] описывается формирование плазменой тороидальной структуры в процессе истечения плазмы из плазмотрона. Авторами показано, что в тороидальной структуре возможно аномально долгое существование свечения. Использование импульсного истечения в разрядных камерах молниезащитных устройств привело к необходимости исследовать истечение газа из разрядных камер. Принцип работы молниезащитного устройства на основе разрядных камер заключается в гашении разряда за счет импульсного истечения газа из разрядной камеры. Важно обеспечить прекращение тока разряда как можно раньше. В связи с этим исследование процесса истечения из канала разрядной

камеры представляет определенный интерес. Формирование импульсной струи в разрядной камере происходит следующим образом. В момент пробоя между анодом и катодом прорастает стримерный канал [3]. Сильный электрический ток в стримере вызывает джоулев нагрев, который приводит к резкому повышению давления в токовом канале [3]. Скачок давления превращается в цилиндрическую ударную волну, расходящуюся от центра стримера [3, 22]. В результате взаимодействия со стенками фронт ударной волны становится плоским и распространяется вдоль оси канала наружу, сообщая импульс газу, находящемуся в канале [5]. При выходе из отверстия канала ударная волна диффрагирует и приобретает сферическую форму [5]. Газ, нагретый и частично ионизированный разрядом, выходит из камеры вслед за ударной волной. Ударная волна оказывает влияние на истечение струи, как показано в работе [18]. Таким образом, изучение распространения ударной волны позволит более подробно исследовать характер истечения.

Ударноволновые явления, возникающие при большом энерговкладе в малом объеме за короткий промежуток времени, например при искровых разрядах в воздухе подробно изучались во многих работах [22,23]. Основополагающие выводы были получены в результате исследований, выполненных сотрудниками С.Л. Мальдештама [1, 2, 24]. Следует отметить, что течение газа, вызванное искровым разрядом отличается от мгновенного взрыва, так как время движения ударной волны соизмеримо со временем энерговыделения. Теория взрывной волны при искровом разряде была развита С.И.Брагинским и С.И. Драбкиной [1,2], где показано, что температура в искровом канале может достигать 40000 К. В [22] изучается динамика энерговклада в искровой канал. Авторами показано, что основная часть

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Глушнева, Александра Владимировна, 2014 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Брагинский С.И. К теории развития канала искры // ЖЭТФ. 1958. Т. 34. С. 1548-1556.

2. Драбкина С.И. К теории развития канала искрового разряда // ЖЭТФ. 1951. Т. 21. С. 473—483.

3. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М: Наука, 1992. 536 с.

4. Чжен П. Отрывные течения. - М: Мир, 1973. 334 с.

5. Голуб В.В., Баженова Т.В. Импульсные сверхзвуковые струйные течения. -М: Наука, 2008. 279 с.

6. Подпоркин Г.В. Енькин Е.Ю., Калакутский Е.С., Пильщиков В.Е., СиваевА.Д Грозозащита В Л 10-35 кВ и выше при помощи мультикамерных разрядников и изоляторов-разрядников // Электричество. 2010. Т. 10. С. 11-18.

7. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. - М.: Энергоатомиздат, 1985. 320 с.

8. D. V. Gaitonde Higher-order solution procedure for three-dimensional nonideal magnetogasdynamics // AIAA J. 2001. Vol.39. P. 2111-2120.

9. Georgievskii P. Y., Levin V.A. Control of the Flow Past Bodies Using Localized Energy Addition to the Supersonic Oncoming Flow // Fluid Dyn. 2003. Vol. 38, № 5. P. 794-805.

10. Gharib M., RambodE., ShariffK. A universal time scale for vortex ring formation // J. Fluid Mech. 1998. Vol. 360. P. 121-140.

11. АхметовД.Г. Модель формирования вихревого кольца // Прикладная Механика и Техническая Физика. 2008. Т. 49. № 6. С. 25-36.

12. Arakeri J.H., Das D., Krothapalli A., Lourenco L. Vortex ring formation at the open end of a shock tube: A particle image velocimetry study // Phys. Fluids. 2004. Vol. 16. № 4. P. 1008-1019.

13. Diego S., Jolla L. The formation of "optimal" vortex rings, and the efficiency of propulsion devices // J. Fluid. Mech. 2001. Vol. 427. P. 61-72.

14. Shusser M., Gharib M. Energy and velocity of a forming vortex ring // Phys. Fluids. 2000. Vol. 12. № 3. P. 9-12.

15. RosenfeldM, KatijaK., DabiriJ.O. Circulation Generation and Vortex Ring Formation by Conic Nozzles I I J. Fluids Eng. 2009. Vol. 131, № 9. P. 091204.

16. MohseniK., Gharib M. A model for universal time scale of vortex ring formation//Phys. Fluids. 1998. Vol. 10, № 10. P. 2436-2438.

17. Dora C.L., Saravanan D., Karunakar K., Das D. Characteristics of Embedded-Shock-Free Compressible Vortex Rings: A Detailed Study Using PIV // Adv. Mech. Eng. 2011. Vol. 2011. P. 650871(13).

18. Sun M., Takayama K. Vorticity production in shock diffraction // J. Fluid Mech. 2003. Vol. 478. P. 237-256.

19. Zare-Behtash H., Kontis K, Gongora-Orozco N. Experimental investigations of compressible vortex loops //Phys. Fluids. 2008. Vol. 20, № 12. P. 126105(8).

20. Жарников M.H., Камруков A.C., Кожевников КВ., Козлов Н.П., Росляков И.А. Генерация крупномасштабных излучающих вихревых структур при торможении импульсных плазменных струй в воздухе // ЖТФ. 2008. Т. 78. № 5. С. 38-46.

21. Александров А. Ф., Тимофеев И.Б., Черников В.А., ЮсупалиевУ. Плазменный тороидальный вихрь в воздухе // ТВТ. 1988. Т. 26. № 4. С. 639-643.

22. Корытченко К.В., Болюх В.Ф., ГалакА.В. Обоснование динамики ввода энергии в газоразрядный канал при моделировании инициирования детонации искровым разрядом // Электроника и электромеханика. 2011. Т. З.С. 70-73.

23. Знаменская И.А., Латфуллин Д.Ф., Луцкий А.Е., Мурсенкова И.В. Энерговклад в пристеночный слой газа при инициировании наносекундного скользящего поверхностного разряда // ЖТФ. 2010. Т. 36, № 17. С. 35-41.

24. Долгое Г.Г., Мандельштам С.Л. Плотность и температура в искровом разряде//ЖЭТФ. 1953. Т. 24. С. 691-707.

25. SonE.E. Application of Riemann invariants to non-adiabatic 1D flows // Equations of State for Matter. Elbrus, 2014. P. 92-92.

26. Зельдович Я.Б., РайзерЮ.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. - М: Наука, 1966. 688 с.

27. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. - М.: Наука, 1977. 440 с.

28. ArnalD., DeleryJ. Laminar-Turbulent Transition and Shock Wave / Boundary Layer Interaction // Critical Technologies for Hypersonic Vehicle Development. Belgium: RTO-EN-AVT-116. 2004. 46 p.

29. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М: Наука, 1991. 600 с.

30. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М: Дрофа, 2003. 840 с.

31. Katzer Е. On the lengthscales of laminar shock/boundary-layer interaction // J. Fluid Mech. 2006. Vol. 206. № 1. P. 477-496.

32. Jensonz R., Rizzetta D.P., Burggraf O.R. Triple-deck solutions for viscous supersonic and hypersonic flow past corners // J. Fluid Mech. 1978. Vol. 89. P. 535-552.

33. Bleilebens M., Olivier H. On the influence of elevated surface temperatures on hypersonic shock wave/boundary layer interaction at a heated ramp model // Shock Waves. 2006. Vol. 15. № 5. P. 301-312.

34. Bleilebens M, Olivier H. Surface Temperature Effects on Shock-Wave Boundary-Layer Interaction of Ramp Flows // New Results Numer. Exp. Fluid Mech. III. 2002. P. 161-168.

35. StratfordB.S. The prediction of separation of the turbulent boundary layer // Fluid Mech. 1958. Vol. 5. P. 1-16.

36. Захаров H.H. Влияние теплообмена на отрыв турбулентного пограничного слоя // Труды ЦИАМ. 1971. Т. 507. С. 70-84.

37. Elfstrom G.M. Turbulent hypersonic flow at a wedge-compression corner // J. Fluid Mech. 2006. Vol. 53. № 1. P. 113.

38. Malik T.I., Tagirov R.K. Calculation of the length of the shock-boundary layer interaction zone // Fluid Dyn. 1987. Vol. 2. № 2. P. 180-183.

39. Zheltovodov A.A., ShileinE.K., Horstman C.C. Development of Sepatation in the Region Where a Shock Interacts With a Turbulent Boundary Layer Perturbed by Rarefaction Waves // Appl. Mech. Tech. Phys. 1993. Vol. 5. № 3. P. 346-354.

40. Scar сто F. Overview of PIV in Supersonic Flows // Appl. Physics. 2008. Vol. 112. P. 445—463.

41. Schrijer F.F.J., Scarano F., Van Oudheusden B.W. Application of PIV in a Mach 7 double-ramp flow // Exp. Fluids. 2006. Vol. 41. № 2. P. 353-363.

42. Humble R.A., Scarano F., Van Oudheusden B.W., Tuinstra M. PIV Measurements of a Shock Wave / Turbulent Boundary Layer Interaction 2 . Apparatus and Experimental Technique // 13th Int. Symp. Appl. Laser Tech. to Fuid Mech. Lisabon. Portugal, 2006. P. 26-29.

43. Spalding D.B. A Single Formula for the Law of the Wall // J. Appl. Mech. 1961. Vol. 28. P. 455-457.

44. Поливанов П.А., Сидоренко А.А., Маслов A.A. Корреляционные исследования пульсаций при взаимодействии ударной волны с турбулентным пограничным слоем // МЖГ. 2010. Т. 36. № 3. С. 23-30.

45. Grilli М. Schmid P. J., Hickel S., Adams N.A. Analysis of Unsteady Behavior in Shockwave Turbulent Boundary Layer Interaction // J. Fluid Mech. 2011. Vol. 700. P. 16-28.

46. WuM., Martin M.P. Direct Numerical Simulation of Supersonic Turbulent Boundary Layer over a Compression Ramp // AIAA J. 2007. Vol. 45. № 4. P. 879-889.

47. Piponniau S., Dupont P., Fermi R.E. Collin E. Reconstruction of velocity fields from wall pressure measurements in a shock wave/turbulent boundary layer interaction // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2012. Vol. 35. P. 176-186.

48. Morgan В., KawaiS., Lele S.K. A Parametric Investigation of Oblique Shockwave / Turbulent Boundary Layer Interaction Using LES // 41st AIAA Fluid Dyn. Conf. Exhib. Honolulu, 2011. P. 3430.

49. Желтоводов А.А. Закономерности развития и возможности численного моделирования сверхзвуковых турбулентных отрывных течений // Авиационно-космическая техника и технология. 2012. Т. 5. № 92. С. 95107.

50. Васильев JI.A. Теневые методы. - М.: Наука, 1968. 400 с.

51. Raff el М., Willert С.Е., WereleyS.T., Kompenhans J. Particle Image Velocimetry. - N.Y.: Springer-Verlag, 2007. 448 p.

52. Tuinstra M. A PIV Investigation on Shock Wave Boundary Layer Interaction: graduation thesis: 01.02.05. Delft, 2005. 90 p.

53. Chatterjee A. An introduction to the proper orthogonal decomposition // Curr. Sci. 2000. Vol. 78. № 7. P. 808-817.

54. Саффмэн Ф.Д. Динамика Вихрей. - M.: Научный мир, 2000. 376 с.

/