Корреляционные методы измерения скорости и температуры высокоскоростного воздушного потока и реагирующих смесей, страница 2

Отмечается, что полученные экспериментальные результаты являютсяважными для развития плазменной аэродинамики, газодинамики и физикиплазмы. Результаты работы могут быть использованы при исследованииразличных плазменных образований в потоке газа, в экспериментах по плазмоинициированному горению топливных смесей, а также в областях практическойаэродинамики. Представленные результаты также могут быть использованы дляоптимизации лабораторных установок, предназначенных для исследованияпредварительно подогретых потоков газа, в том числе в присутствии плазмы.В первой главе проведен обзор теоретических и экспериментальныхисследований,посвященныхвзаимодействиюплазмыгазовогоразрядас дозвуковыми и сверхзвуковыми потоками, сделан вывод о необходимостиразработки новых методов измерения скорости и температуры потока газа.В разделе 1.1 проведен обзор теоретических и экспериментальныхисследований,посвященныхвзаимодействиюплазмыгазовогоразрядас дозвуковыми и сверхзвуковыми потоками.

Отмечено разделение работ нанесколько узких направлений: фундаментальные исследования разряда в потоке,снижение лобового сопротивления с помощью разряда, воспламенение истабилизация горения топливных смесей в сверхзвуковом потоке. На основаниипроведенного обзора сделаны два важных вывода: 1) существует реальнаянеобходимость в разработке новых методов измерения скорости для расширенияинструментального набора экспериментатора; 2) свойства поперечного разряда впотоке можно использовать для разработки нового метода определенияскорости.В разделе 1.2 приведен обзор существующих методов определенияскорости потока. Особое внимание уделено методам определения скорости, независящим от температуры среды. Отмечено, что уже существует метод,вкоторомдляопределенияскоростииспользуетсявспомогательныйэлектрический разряд, однако он обладает рядом принципиальных ограниченийв отличие от метода, предлагаемого во второй главе данной диссертационной7работы.

Проведенный обзор позволил сделать вывод, что в литературеприсутствуют данные по определению скорости потока корреляционнымметодом, однако измерения осуществлялись либо по искусственным маркерам впотоке, либо по собственному излучению среды. Упоминания о примененииданного метода для измерения сверхзвуковых скоростей по естественныммаркерам в литературе отсутствуют.Во второй главе представлены метод определения скорости потока спомощью импульсного поперечного разряда и результаты измерений в холодноми подогретом потоках, а также в реагирующей смеси.Сечения: 25мм25×40мм963105поток71111841123213Рис. 1.

Схема импульсной аэродинамической трубы (МГУ)1 – компрессор; 2 – баллоны; 3 – электромагнитный клапан;4 – термостатированный нагреватель; 5 – термопара; 6 – сверхзвуковое сопло;7 – система подачи топлива; 8 – электроды; 9 – датчики давления;10 – формирующая секция; 11 – тестовые секции №1-№4 (слева направо);12 – барокамера; 13 – вакуумный насосВ разделе 2.1 приведено описание экспериментальной установки, а такжеиспользуемогооборудованияиметодовдиагностики.Исследованиявозможности применения импульсного поперечного разряда для определенияскоростипотокапроводилисьнаэкспериментальномстендекафедрыФизической электроники МГУ имени М.В.

Ломоносова. Аэродинамический8канал оснащен соплом, рассчитанным на число Маха М = 2, его выходнойдиаметр равен 25 мм. За секцией сопла размещена формирующая секция,представляющая собой канал с внутренним диаметром 25 мм и длиной 250 мм.За формирующей секцией следуют 4 тестовых секции прямоугольного сечения25×40 мм и длиной 200 мм каждая. Аэродинамическая труба оснащена 16-тиканальным аналого-цифровым преобразователем, подключенным к компьютеруи предназначенным для сбора данных с термопары и датчиков статического иполного давления.

Схема экспериментальной установки представлена на Рис. 1.В разделе 2.2 представлено обоснование метода импульсного разряда иописана методика измерения скорости. В экспериментах использован разрядмалой длительности импульса t = 20 – 100 мкс при частоте повторения 30 –50 Гц, что позволяет утверждать, что в среднем мощность разряда мала посравнению с мощностью набегающего потока. Электроды располагались так, чтопробой происходил поперек потока в плоскости, равноудаленной от боковых(бóльших) стенок канала. Скорость потока определяется как отношениепродольной протяженности разряда в потоке на интегральной фотографии (т.е.расстояния, на которое сносится поперечный потоку фрагмент разрядногоканала) к длительности импульса разряда. За один пуск воздуха по каналупроизводится серия фотографий, по каждой из которых производитсяопределение протяженности разряда и скорости потока, т.е.

в результатеполучается зависимость скорости от времени для каждого пуска. Затемвычисляются средние скорость потока и протяженность разряда за пуск.В разделе 2.3 приведены результаты исследований зависимости среднейпротяженности разряда и определенной по ней средней скорости потока отдлительности импульса. Показано, что измеряемая скорость уменьшаетсяс увеличением длительности импульса, что, предположительно, связанос увеличением влияния разряда на поток. В связи с этим, сделан выводо необходимости применения коротких длительностей импульса ~ 20 – 30 мкспри определении скорости потока.В разделе 2.4 представлено сравнение результатов, полученных методомимпульсного разряда, с результатами численного моделирования в программномкомплексе FlowVision и газодинамическими измерениями. Приведено описание9и результаты численного моделирования течения воздуха в канале, близком киспользуемому в экспериментах.

Рассчитано трехмерное пространственноераспределение параметров потока, что позволило сравнить смоделированныепродольныепрофилистатическогодавленияискоростивканалес экспериментальными результатами, полученными различными методами.Результатысозначениями,методаимпульсноговычисленнымичерезразряда,встатическоецеломисогласуютсяполноедавленияс использованием трубки Пито, и с результатами численного моделирования.Однако необходимо отметить, что в первой и второй секциях в сверхзвуковойструе потока скорость, определяемая с помощью разряда, оказалась ниже, а втретьей и четвертой – выше скорости, полученной в моделировании.

Объяснитьданное расхождение можно следующим образом: поток, проходя междуэлектродами, сужается, что для сверхзвукового потока приводит к торможению,а для дозвукового – к росту скорости. Продольный профиль скорости в каналепредставлен на Рис. 2. Координата со значением 0 м соответствует стыку междусоплом и формирующей секцией.Скорость, (м/с)600МоделированиеПо давлениюПо разряду5004003002000,10,20,30,40,50,60,70,80,91X, (м)Рис. 2. Продольный профиль скорости в каналеВ разделе 2.5 приведен результат использования метода импульсногоразряда в случае горения в канале пропано-воздушной смеси. Пропан подавалсячерез фланцы формирующей секции, воспламенение проводилось в первойсекции с помощью разряда постоянного тока.

Показано, что метод применим дляслучая экзотермических реакций в потоке. Скорость реагирующей смесидостигала 500 м/с в третьей секции, при том, что средняя скорость потокавоздуха без пропана в той же секции составляла 260 м/с.10В разделе 2.6предварительнопредставленыподогретогопотокарезультатыопределениягаза.контроляДляскоростиизмеренийиспользовалась термопара, расположенная на стенке дозвуковой части канала.За характерное время пуска (1 – 2 c) термопара не успевала выходить нанасыщение, что потребовало применения компьютерной обработки кривойпрогрева.

Однако полученные с помощью аппроксимации значения температурыоказались ниже ожидаемых теоретических, рассчитанных через скорость потока.Полученныйрезультатнагляднодемонстрируетсложностиопределениятемпературы потока в установках кратковременного действия. В разделепоказано, что метод импульсного разряда применим в условиях подогретогопотокавоздухаипозволяетоценитьполнуютемпературугаза.На представленном на Рис. 3 графике приведены значения скорости,определенныеэкспериментальнометодомимпульсногоразряда,исоответствующие им значения температуры: измеренные с помощью термопарыи теоретические, т.е.

вычисленные через скорость потока.Температура полная, (К)950850Теоретич.750Термопара650550450350250450500550600650700750800850Скорость (по разряду) в 1й секции, (м/с)Рис. 3. Результаты измерений в потоке предварительно нагретого воздухаВ третьей главе диссертации представлены метод определения скоростисверхзвукового потока посредством корреляционной обработки сигналоврефракционных датчиков и лазерный метод определения спектра возмущений.В разделе 3.1 приведено описание экспериментальной установки ииспользуемого оборудования.

Исследования возможности применения лазернойсистемы для определения скорости потока проводились на экспериментальной11установке ИАДТ-50Н лаборатории Плазменной аэродинамики Объединенногоинститута высоких температур РАН. Аэродинамический канал оснащен соплом,рассчитанным на число Маха М = 2, его выходное сечение составляет 60×72 мми эквивалентно сечению тестовой секции. Конструкция тестовой секциипозволяет измерять статическое давление на стенке канала, устанавливатьразличные вставки с электродами и трубками подачи топлива для проведенияэкспериментов по воспламенению топлива в сверхзвуковом потоке.10213523.................114627282191213Рис. 4.

Схема импульсной аэродинамической трубы ИАДТ-50Н (ОИВТ РАН)1 – цистерна высокого давления, оснащенная компрессором; 2 – электромагнитный клапан;3 – форкамера; 4 – сопло; 5 – рабочая секция; 6 – электроды; 7 – трубки подачи топлива;8 – баллон с топливом для эксперимента; 9 – барокамера, оснащенная вакуумным насосом;10 – подогреватель воздуха; 11 – баллон с топливом для подогревателя;12 – лазерная рефракционная система; 13 – осциллографВ разделе 3.2 представлено описание взаимно-корреляционного методаопределения скорости сверхзвукового потока по сигналам рефракционныхдатчиков. Метод основан на определении времени t, которое требуетсявозмущениям плотности в потоке для преодоления известного расстояния Lмежду двумя лазерными лучами.

После прохождения сверхзвукового потокалучи попадают на фотодиоды, которые детектируют изменение интенсивностиизлучения, связанное с отклонением луча на градиентах плотности в потоке.Времяtравноинтервалусдвигалокальногомаксимумавзаимнойкорреляционной функции (ВКФ) для пар фрагментов U1 и U2 регистрируемыхрефракционной лазерной системой сигналов:Фрагмент ВКФ показан на Рис.

5.12∫.Рис. 5. Взаимная корреляционная функция (фрагмент)В разделе анализируется влияние на результаты измерений интервалапоиска локального максимума ВКФ и интервала разбиения исходного сигнала нафрагменты U1 и U2, по которым рассчитывается взаимная корреляционнаяфункция. Интервал поиска локального максимума задается через ожидаемыеминимальную и максимальную скорости.