Диссертация (Исследование быстропротекающих процессов в течениях с ударными волнами цифровыми оптическими методами)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА. ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиГлазырин Фёдор НиколаевичИССЛЕДОВАНИЕ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВВ ТЕЧЕНИЯХ С УДАРНЫМИ ВОЛНАМИЦИФРОВЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИСпециальность 01.04.17 – химическая физика, горение и взрыв, физикаэкстремальных состояний веществаДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель –доктор физико-математических наук,профессор Знаменская И.А.Москва – 2016СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ .....................................................................................................................

4ГЛАВА 1.ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................... 111.1 Методы диагностики быстропротекающих процессов .................................................... 111.1.1Теневая и фотографическая визуализация ........................................................ 121.1.1Теневой фоновый метод ..................................................................................... 151.1.2Цифровая трассерная анемометрия ................................................................... 231.2 Импульсные ударно-волновые процессы ........................................................................... 29ГЛАВА 2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКАЭКСПЕРИМЕНТА ......................................................................................................

352.1 Экспериментальный стенд УТРО-3..................................................................................... 352.2 Измерения параметров разрывных течений теневым фоновым методом .................. 382.3 Модификация ТФМ-метода для больших градиентов плотности ................................ 412.4 ЦТА-измерения ........................................................................................................................ 462.5 Динамика трассирующей частицы на фронте ударной волны ..................................... 522.6 Теневая визуализация на основе высокоскоростной видеосъемки.

............................. 60ГЛАВА 3.ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РАЗРЫВНЫХТЕЧЕНИЙ В УДАРНОЙ ТРУБЕ ПАНОРАМНЫМИ ОПТИЧЕСКИМИМЕТОДАМИ ................................................................................................................ 633.1 Общая характеристика течения внутри ударной трубы ................................................. 633.2 ТФМ-измерения на фронте движущейся плоской ударной волны ............................... 653.3 ЦТА-измерения на фронте движущейся плоской ударной волны ................................

673.4 Общая характеристика течения, развивающегося при выходе ударной волны изоткрытого конца ударной трубы .................................................................................................... 703.5 ТФМ-визуализация течения, развивающегося при выходе ударной волны изударной трубы ..................................................................................................................................... 723.6 ЦТА-визуализация течения, развивающегося при выходе ударной волны из каналаударной трубы ..................................................................................................................................... 753.7 Численная коррекция данных ЦТА .................................................................................... 853.8 Исследование течения за плоской ударной волной, бегущей внутри ударной трубы892ГЛАВА 4.ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ, СОЗДАВАЕМОГОНАНОСЕКУНДНЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ РАЗРЯДОМ ................................

954.1 Общая характеристика течения, создаваемого импульсным наносекунднымскользящим разрядом ....................................................................................................................... 954.2 Исследование течения теневым методом ........................................................................... 974.3 Исследование скоростных характеристик течения ........................................................ 100ЗАКЛЮЧЕНИЕ .........................................................................................................

110СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО МАТЕРИАЛАМ РАБОТЫ: ......... 112БЛАГОДАРНОСТИ .................................................................................................. 113ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ............................................................................ 1143ВведениеАктуальность данной исследовательской работы обусловлена важностьюэкспериментальных исследований импульсных высокоскоростных течений.Быстропротекающие и импульсные процессы составляют большую группунестационарных газодинамических явлений.

Как правило, быстропротекающиепроцессы инициируются состоянием вещества, существенно неравновесным покакому-либо из параметров: плотности, температуре, скорости газа и т.д.Высокоинтенсивнымипроцессамитепломассообменасопровождаютсяэкстремальные состояния вещества, характеризующиеся высокими удельнымизначениями запасённой энергии. Подобные состояния представляют широкийнаучный и практически интерес, в том числе с точки зрения астрофизики ифизики фундаментальных взаимодействий, вопросов перспективной энергетики.По сравнению со стационарными течениями, импульсные процессы существеннохуже исследованы как в теоретическом, так и в экспериментальном плане.

Теорияимпульсных течений, как правило, осложнена учётом неустойчивостей инеравновесныхсостояний.Приэтомимпульсныетечениябольшойинтенсивности, как правило, сверхзвуковые, сопровождаются формированиемгазодинамических разрывов.Ударно-волновое воздействие является одним из наиболее удобныхспособов направленного инициирования течений с высокой плотностью,скоростью и температурами газа. Существует много разнообразных способовсоздания ударно-волновых течений: детонация взрывчатых веществ, мощныеакустические, лазерные, пучковые воздействия, использование резервуароввысокого давления, ударных труб различных принципов действия.

Одним изнаиболее технически удобных способов генерации ударных волн являетсяиспользование сильноточных электрических газовые разрядов. Для газовыхразрядов как генераторов ударных волн характерна достаточно высокая степеньвоспроизводимости параметров явления, отсутствие необходимости в расходныхматериалах.4Особый интерес представляют перспективы применения газовых разрядов вкачестве средств управления обтеканием тел газодинамическими потоками(плазменных актуаторов). Вопросы применения различных разрядов дляуправления внешней и внутренней аэродинамикой летательных аппаратов,реактивных и турбореактивных двигателей интенсивно исследуются в течениепоследних десятилетий, несмотря на очевидные трудности в практическойреализацииэтихконцепций.Принципиальнаявозможностьоптимизациипроцессов обтекания с помощью плазменных актуаторов была показанодостаточно давно, однако разработать энергоэффективные и технологическиприемлемые методы такой оптимизации пока не удалось.

Следует указать на то,что в большинстве ведущихся работ используются слаботочные разряды(например, диэлектрический барьерный разряд). Применение сильноточныхразрядов для управления потоком может оказаться перспективным, посколькусоздаваемые такими разрядами течения существенно более интенсивны, и ихвлияние на поток может не исчерпываться лишь тепловым эффектом.Из-заявленияконтракциивбольшинствеслучаеворганизациясильноточного плазменного актуатора в управляемой неконтрагированной формеявляется нетривиальной технической задачей. Импульсный наносекундныйскользящийразряд,исследуемыйвданнойработе,имеетплоскую(квазидвумерную) конфигурацию протекания тока.Экспериментальные исследования быстропротекающих течений требуюторганизации измерений с высоким временным разрешением.

При этомконтактные измерения, как правило, осложнены тем, что зонды и датчики вносятсущественные изменения в высокоскоростной поток, если не интегрированы вгеометрию течения. Оптические методы измерений и исследований, будучипрактическинеинвазивными,имеякрайнемалыйтеоретическийпределинерционности, представляют собой подходящие инструменты для применения вфизике импульсных, быстропротекающих и высокоэнергетических процессов.Важным достоинством является также то, что оптические методы зачастую могут5быть организованы как панорамные методы (тж.

методы визуализации),собирающие данные одновременно с целой области течения вместо одной точки.Развитие цифровых методов хранения и обработки данных и, позднее,цифровой фоторегистрации за последние десятилетия существенно расшириловозможностиоптическихметодов,сделалоихболееудобнымидляэкспериментального применения. Применение автоматизированной цифровойобработки к полученным результатам в настоящее время позволяют существенноувеличить и качество, и количество получаемых данных об изучаемыхфизических явлениях. В ряде случаев качественные методы исследованияприобрели количественное измерение.