Размещено на http://www.allbest.ru/

2

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ТЕЧЕНИЯ В СВЕРХЗВУКОВОЙ НЕИЗОБАРИЧЕСКОЙ СТРУЕ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА piv

А.А. Пивоваров

Институт теоретической и прикладной механики

им. С.А. Христиановича СО РАН

В настоящее время интерес исследователей направлен на исследование структуры и особенностей течения в высокоскоростных струях с применением количественного оптического панорамного бесконтактного метода PIV. Изучение структуры сверхзвуковой неизобарической струи при наличии искусственных возмущений продолжает оставаться актуальной задачей. Такие возмущения порождаются с помощью различных вихреобразующих устройств, например, шевроны, дольчатые смесители, табы и т.п. При наличии таких устройств перестраивается структура течения, интенсифицируется смешение и уменьшается уровень шума, создаваемого сверхзвуковой струей [1, 2]. Струйные течения на практике используются в эжекторных системах, системах подачи топлива, в нефтегазодобывающих установках и других устройствах, в которых большую роль играют процессы смешения.

Использование PIV совместно с современным оборудованием позволяет получить новые данные о скоростных характеристиках сложных сверхзвуковых струйных потоков. Визуализация течения с короткой экспозицией порядка 10^-9 с. дает возможность регистрировать неоднородности (вихревые образования) в сжимаемых слоях смешения сверхзвуковых потоков.

Одним из важнейших преимуществ PIV является отсутствие возмущающего влияния на поток. К достоинствам метода можно также отнести широкий динамический диапазон измеряемых скоростей, что позволяет использовать его для исследования сложных турбулентных течений. Область применения метода PIV довольно обширна. Она включает в себя фундаментальные научные исследования, направленные на изучение динамики и масштабов вихревых структур в потоках жидкости и газа, получение дифференциальных и статистических характеристик, а также оценку достоверности математического моделирования и верификацию численных моделей для турбулентных потоков.

На протяжении последних двух десятилетий развития и применения метода обозначились направления, связанные с оптимизацией и совершенствованием методов обработки экспериментальных данных с целью улучшения качества получаемых результатов, а именно: увеличение динамического диапазона измеряемых скоростей; улучшение пространственного разрешения метода, применение кросскорреляционного анализа для течений с существенным градиентом скорости (слои смешения, скачки уплотнения).

Целью данной работы является прояснение структуры неизобарической струи, истекающей из сопла с вихрегенераторами различного типа, с использованием метода лазерного ножа и метода PIV.

В экспериментах использовалась PIV-система «Oxford Lasers PIV system DP3D», состоящая из: Nd:YAG - лазера, генерирующего два импульса с максимальной энергией 300 мДж, длительностью 5 нс и длиной волны 532 нм; CCD-камеры с минимальным интервалом между двумя кадрами в режиме двойной экспозиции - 500 нс; блока синхронизации; программного обеспечения по обработке изображений. Для засева потока в качестве трассеров использовались микрочастицы конденсационного типа (дым) с размерами частиц 1 мкм, создаваемых генератором дыма.

Эксперименты по исследованию поля течения в сверхзвуковой недорасширенной струе проводились в сверхзвуковой аэродинамической трубе периодического действия Т-326 ИТПМ СО РАН с использованием струйного модуля. Использовалось конвергентное сопло с геометрическим числом Маха в выходном сечении равным M_a= 1.0 и полированной внутренней поверхностью. Внутренний диаметр на срезе сопла равен 30 мм. Газодинамический режим течения определяется отношением давления в форкамере к давлению в окружающей среде Npr=5.0. Описание сопла с шестью шевронами на срезе приведено в работе [3], сопла с микроструйным блоком - в работе [4]. Поперечный вдув шести сверхзвуковых микроструй реализован при режиме Npr_j=9.0. Засев потока организован только в основной струе, в микроструи дым не подавался. Подробная схема эксперимента приведена в работе [5].

Представлены изображения в плоскости лазерного ножа, проходящего через ось струи, сформированные рассеянным светом мелкодисперсных частиц, введенных в поток сверхзвуковой недорасширенной струи, истекающей из осесимметричного сопла, из сопла с шевронами и из сопла с микроструями. На рис. 1 (а) видны темные пятна различного размера, положение которых соответствует слою смешения, формирующегося за тройной точкой (точка пересечения диска Маха, висячего и отраженного скачков уплотнения) и могут быть обусловлены наличием гидродинамической неустойчивости Кельвина-Гельмгольца.

Вблизи оси струи при наличии шевронов не наблюдается вихревых образований (см. рис. 1 (б)). Регистрируется существенное изменение картины течения по сравнению с осесимметричной струей: отсутствует внутренний слой сдвига, отчетливо видны крупномасштабные вихри во внешнем слое смешения, поток в ядре струи остается ламинарным вниз по течению вблизи оси струи, по крайней мере, в рассматриваемой области.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Рис. 1. Визуализация сверхзвуковой недорасширенной струи (экспозиция 5 нс), полученная с помощью метода лазерного ножа.

а ? осесимметричное сопло; б ? сопло с шевронами; в ? сопло с микроструями.

На рис. 1 (в) для сверхзвуковой неизобарической струи, истекающей из сопла с поперечным вдувом микроструй, при качественном сравнении с осесимметричной струей не наблюдается существенного изменения в ударно-волновой структуре течения: отчетливо прослеживается диск Маха, отраженный скачок уплотнения, слои смешения. Видно несущественное увеличение поперечных размеров струи.

На рис. 2 приведены изотахи со значениями средней скорости в характерных областях для струи без шевронов и с шевронами. Отчетливо видно, что картина течения перестраивается с наличием шевронов: скорость вдоль оси струи остается сверхзвуковой вниз по потоку вплоть до x/Ra=7.5 (граница измерительной области), уменьшаются пульсации и градиенты скорости, увеличивается поперечный размер струи, происходит пространственное перераспределение расхода газа.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Рис. 2. Изолинии равных значений средней скорости потока, измеренные с помощью PIV.

а ? без шевронов; б ? с шевронами.

Представлены результаты экспериментального исследования структуры течения осесимметричной невозмущенной сверхзвуковой неизобарической струи и струи с двумя типами вихрегенераторов. Зарегистрировано увеличение поперечных размеров струи, что связывается с интенсификацией смешения при установке вихрегенераторов на срезе сопла. Показано, что шевроны сильнее влияют на структуру сверхзвуковой струи по сравнению с микроструями и более эффективны для интенсификации смешения на границе сверхзвуковой неизобарической струи.

Автор выражает благодарность д.т.н. В.И. Запрягаеву за постановку задачи и Н.П. Киселеву за помощь в выполнении экспериментальной части работы. сверхзвуковой струя скорость шум

Список литературы

Samimy M., Zaman K. B. M. Q., Reeder M. F. Effects of tabs on the flow and noise field of an axisymmetric jet // AIAA J. 1993. V. 31, N 4. P. 609-619.

Alkislar M.B., Krothapalli A., Butler G.W. The effect of streamwise vortices on the aeroacoustics of a Mach 0.9 jet // J. Fluid Mech. 2007, vol. 578, PP. 139?169.

Запрягаев В.И., Кавун И.Н., Киселев Н.П. Структура течения на начальном участке сверхзвуковой струи, истекающей из сопла с шевронами // ПМТФ. 2010. Т. 51, №2, С. 71?80.

Губанов Д.А., Запрягаев В.И., Киселев Н.П. Структура течения сверхзвуковой недорасширенной струи с вдувом микроструй // Вестник НГУ. 2013. Т. 8, Вып. 1, С. 44?55.

Бойко В.М., Достовалов А.В., Запрягаев В.И., Кавун И.Н., Киселев Н.П., Пивоваров А.А. Исследование структуры сверхзвуковых неизобарических струй // Ученые записки ЦАГИ. 2010. Т.41, No.2. С. 44-58.

Размещено на Allbest.ru