Развитие метода определения параметров потока в импульсной аэродинамической трубе

Внедрение: 2016 г.

В статье ученых из Новосибирска [1] предложен улучшенный алгоритм расчета параметров набегающего потока в рабочей части импульсной аэродинамической трубы с учетом реальных свойств газа и тепловых потерь, который использует экспериментальные значения скорости потока. Для получения этих данных на установке ИТ‑302М была реализована двухлучевая времяпролетная методика измерений (рисунок 1), когда поток газа с частицами просвечивается двумя параллельными лучами лазера, расположенными перпендикулярно направлению потока. По измерениям интенсивности рассеянного света определяется среднее время пролета частиц между двумя лучами лазера и определяется скорость потока (рисунок 2).

Рисунок 1. Схема двухлучевого времяпролетного метода.

В качестве подсветки использовался лазер постоянного действия с длиной волны 532 нм и максимальной мощностью 100 мВт. Луч лазера разделяется на два с помощью светоделительного куба и зеркала. В качестве приемников использовались фотоэлектронные умножители ФЭУ‑31а, с постоянной времени менее 1 мкс. Рассеянный на частицах свет через смотровое окно аэродинамической трубы фокусируется на ФЭУ объективом с F=180 мм и максимальной апертурой 1/2,8 и оцифровывается АЦП E20‑10. Далее сигнал обрабатывается с помощью специального алгоритма, во многом аналогичного методу обработки данных PIV на основе свойства корреляционной функции двух сигналов о соответствии ее пика наиболее вероятному смещению сигналов. 

На графике скорости от времени (рисунок 2) видно, что в интервале времени 5‑50 мс измеренные скорости потока (точки) хорошо совпадают с расчетными значениями, вычисленными с помощью алгоритма расчета режима течения без учета теплообмена (кривые). На временах больших 50 мс скорость, определенная времяпролетным методом, оказывается меньшей относительно расчетных данных за счет отводом тепла в стенки форкамеры. На временах 80‑100 мс происходит прекращение рабочего режима истечения газа из сопла. 

Рисунок 2. результаты определения скорости потока от времени истечения газа в трех различных экспериментах.

Далее экспериментальные данные по скорости были аппроксимированы полиномами второй степени и включены в рассмотренный в статье [1] модернизированный алгоритм расчета режима течения для учета процесса теплоотвода в стенки форкамеры. 

Результаты усовершенствования метода определения параметров потока в импульсной аэродинамической трубе представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Сравнение температуры торможения в первой форкамере, определённой алгоритмом без учета теплопотерь (пунктирные кривые), с учетом теплопотерь путем учета экспериментально измеренной скорости (сплошные кривые) и с учетом теплопотерь через коэффициент теплоотдачи (штрихпунктирные кривые).

На рисунке 4 представлены результаты учета потерь тепла для других параметров. Видно, что учет теплопотерь существенно повлиял на кривые числа Рейнольдса, уменьшив темп падения. При этом расхождение в величине начальной температуры торможения также существенно влияет на числа Рейнольдса, как, например, в случае в пуске № 3, где начальные числа Рейнольдса, определенные с учетом измеренной скорости, оказались несколько ниже ожидаемых. В то время как кривые числа Маха слабо изменились в сторону увеличения.

Рисунок 4. Результат учета потерей тепла для числа Рейнольдса (слева); результат учета потерей тепла для числа Маха (справа).

Работа выполнена при финансировании Российского фонда фундаментальных исследований (Грант № 16‑08‑00674 А) и гранта Правительства Российской Федерации для поддержки исследований под руководством ведущих ученых (контракт № 14Z50.31.0019) .

Источник:
Гавришев А.А., Цырюльников И.С. Развитие метода определения параметров потока в импульсной аэродинамической трубе // XX Всероссийская научная конференция с международным участием «Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии»: материалы конференции. – Томск. – 2016. – С. 144‑146.

Разработчик: Гавришев А.А. (Новосибирский гос. ун-т (НГУ), Цырюльников И.С. (Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, Новосиб-ск)