Автореферат (1103110), страница 4
Текст из файла (страница 4)
При визуализации неплоскихскачков уплотнения эта задача будет усложняться ещё сильнее. Можно предположить,что определение точной геометрии ударно-волнового фронта потребуетдополняющую визуализацию с перпендикулярного ракурса.Параграф 3.3 описывает результаты экспериментов по ЦТА-визуализацииплоской бегущей УВ в канале ударной трубы. Течение было визуализировано приразличной плотности газа в секции низкого давления ударной трубы и,соответственно, за фронтом УВ. При проведении экспериментов пришлось решитьпроблему достижений необходимой плотности трассирующих частиц в рабочейсекции.
При пониженном давлении воздуха и отсутствии постоянного потокатрассеры чрезвычайно быстро оседают из газа на стенки канала трубы. Дляпредотвращения этого была разработана специальная процедура введения трассеров вэкспериментальный объём, откачки и напуска газа в ударную трубу. В результатеоказалось возможным получение ЦТА-изображений течения при давлении передфронтом УВ от атмосферного до 100 торр (см. Рис.
4). На результирующих поляхскорости отчётливо виден фронт УВ как граница, разделяющая области покоящегося идвижущегося газа. Также визуализирован спутный поток за фронтом УВ.Рис. 4. Результаты ЦТА-визуализации плоской ударной волны в каналеударной трубы. p0=100 торр, M=1,97Данные о скорости спутного потока, полученные ЦТА, сопоставлялись срасчётными величинами, вычисленными по измеренному числу Маха УВ исоотношениям Рэнкина-Гюгонио.
Сравнение (см. Рис. 5) показывает, что ЦТА даётдостаточно точные данные даже в условиях однократных нестационарных измерений.Погрешность определения скорости потока за фронтом УВ не превышает 3%.Рис. 5. Зависимость скорости спутногопотока от числа Маха УВВ параграфе 3.4 приведенаобщаяхарактеристикатечения,развивающегося при выходе плоскойударной волны из секции низкогодавления ударной трубы. Явления,связанные с выходом УВ из некоторогоограниченного объёма в свободноепространство или больший объём,нередко встречаются в практическихтехнологических процессах. Ими могутсопровождаться стартовые процессы вреактивныхитурбореактивныхдвигателях, работа взрывотехническихустройств и устройств, включающих всебя сильноточные разряды.Когда канал ударной трубы открыт в атмосферу, распространяющаяся по немуударная волна претерпевает дифракцию на его открытом конце, и начинаетраспространяться в открытом полупространстве. В зависимости от формы выходногоотверстия ход дифракции может быть различным, однако на большом удалении ототверстия фронт УВ принимает осесимметричный вид.
Спутный поток,сопровождавший УВ внутри канала трубы, образует осевую струю, выходящую впространство позади расширяющейся УВ. За счёт взаимодействия с окружающимгазом внешние слои этой струи формируют кольцевой вихрь, который затемразвивается во взаимодействии с осевой струёй. Дальнейшая эволюция течениязависит от исходных параметров, и может включать в себя формирование ивзаимодействие соосных пространственных вихрей, дополнительных скачковуплотнения, развитие газодинамических неустойчивостей и т.д.Наличие открытого конца в канале ударной трубы влияет и на течение внутринеё самой.
Когда плоская УВ дифрагирует на открытом конце ударной трубы, волнаразрежения начинает распространяться от этой точки внутрь трубы. Двигаясьнавстречу спутному потоку, она ускоряет его.Параграф 3.5 описывает результаты визуализации с помощью ТФМ течения,развивающегося после выхода УВ из открытого канала. Визуализация проводилась посхеме, описанной в п.2.2, с использованием вспышки в качестве источника света.Эффективная область визуализации составляла около 65×85 мм (высота×ширина) припространственном разрешении снимков 20 пк/мм. Пространственное разрешениерезультирующих полей смещения достигало 0,6 мм. Развитие течениярассматривалось на отрезке времени от 50 до 500 мкс после прохождения фронтом УВсреза канала трубы.
Число Маха исходной плоской ударной волны внутри канала всерии экспериментов равнялось M=1,5±0,1. На Рис. 6 приведены примеры результатоввизуализации.а) 60 мксб) 150 мксв) 450 мксРис. 6. Поле смещения (в пикселях), регистрируемое ТФМ, в различныемоменты времени после дифракцииТФМ демонстрирует несферичность формы продифрагировавшей ударнойволны на ранних этапах её распространения.
Также визуализируется развитие ядракольцевого вихря. Распределение плотности в вихре существенно отличается отосесимметричного, что согласуется с результатами исследования другими авторамикольцевых вихрей, возникающих на открытом конце канала квадратного сечения.Хорошее пространственное разрешение и чувствительность визуализации позволяеттакже прослеживать эволюцию малоразмерных и низкоинтенсивных структур впотоке. На поздних стадиях (Рис.
6, в) осевая струя обнаруживает развитиенеустойчивостей по типу Кельвина-Гельмгольца, также фиксируется формированиевторичной ударной волны внутри вихревого кольца.Смещение, регистрируемое ТФМ, прямо пропорционально градиенту показателяпреломления газа в данной точке, проинтегрированному вдоль луча зрения.Результаты численного моделирования течения могут быть представлены в видесинтетических полей этого градиента, и качественно сравнены с результатами ТФМвизуализации. На Рис. 7 приведены результаты такого сравнения. Трёхмерноечисленное моделирование течения выполнено с.н.с.
Е.Ю.Коротеевой. Несмотря нахорошее совпадение геометрии течения, следует отметить, что экспериментальнорегистрируемый эффект на фронте ударной волны существенно меньше расчётного,по сравнению с областью ядра кольцевого вихря. Это может быть связано и сэффектами преломления света на криволинейном фронте УВ (аналогично описанномув п.
2.3), так и с недооценкой градиентов плотности в вихре численныммоделированием.абРис. 7. Выход ударной волны из канал ударной трубы в атмосферу, t=150 мкс. а)ТФМ-визуализация; б) численное моделирование теченияВ параграфе 3.6 приведены результаты ЦТА-исследования течения,развивающегося после выхода УВ из открытого канала.
Визуализация была проведенана временном промежутке от момента дифракции до t=300 мкс после него. Лазерныйнож ЦТА-системы был расположен в осевом вертикальном сечении установки, приэтом визуализируемая область течения составляла примерно 100×140 мм(высота×ширина). Пространственное разрешение экспериментальных снимковсоставляло около 10 пк/мм, после обработки с минимальным размером области опроса16 пк результирующие поля скорости имели пространственное разрешение около0,6 мм.ЦТА довольно точно фиксирует положение фронта дифрагировавшей УВ какграницу между областями неподвижного и движущегося газа. Ошибка определенияположения фронта не превышает 5 мм.
Определяемая скорость спутного потока зафронтом УВ на оси течения уменьшается на этом расстоянии, от 190 м/с приположении фронта x=24 мм до 38 м/с при x=117 мм.Плотность трассирующих частиц в осевой струе и формирующемся из неё вихресущественно выше, чем перед ней. В некоторых областях изображения отдельныхчастиц становятсянеразличимы. Это отчасти обусловлено методикойпредварительного засева. Разница в количестве трассеров позволяет визуализироватьположение контактной поверхности, хотя она не выделяется на поле скорости.Измеренные величины скорости газа в осевой струе составляют 300–350 м/с.aбвРис.
8. Течение в момент времени t=230 мкс, M0=1,3:а) экспериментальный снимок, б) поле скорости (ЦТА),в) линии тока (ЦТА)ЦТА также позволила построить диаграмму распространения кольцевого вихря.По данным ЦТА было построено поле вращательной скорости газа относительно ядравихря. Полученные данные показывают, что кольцевой вихрь разделён на центральноеядро (с диаметром ≈4 мм) и внешний слой. В ядре вращательная скорость выше, ибыстро падает с увеличением расстояния до центра. В окружающем слоевращательная скорость ниже и уменьшается линейно с расстоянием до ядра.Параграф 3.7 описывает исследование искажений фронта УВ наэкспериментальных данных ЦТА и результаты применения процедуры коррекции,описанной в п.2.5.Профили скорости газа, построенные перпендикулярно фронту УВ, явнымобразом демонстрируют эффект размывания скачка скорости газа. Изменениескорости от нулевой перед фронтом УВ до скорости спутного потока за фронтом УВпроисходит на масштабе порядка нескольких миллиметров, что существенно большеизвестной толщины ударно-волнового фронта.
Основные факторы, приводящие кэтому искажению, описаны в п. 2.5, там же описан процесс их моделирования.Дляапробациимоделипроводилосьчисленноеприближениеэкспериментальных профилей скорости расчётными, построенными на основеописанной модели (см. Рис. 9). При этом варьируемыми параметрами были истинноеположение фронта УВ и трассирующие характеристики частиц в виде их среднегогазокинетического диаметра d p . Установившаяся скорость частиц принималась равнойэкспериментальнонаблюдаемойскоростиспутногопотока.Собственноаппроксимация проводилась путём численного поиска минимума функционала отдвух переменных, равного среднеквадратичному отклонению расчётной скорости отэкспериментальной.
Значения варьируемых параметров, реализующие минимум этогофункционала, принимались за действительные.Аппроксимация на серии экспериментов дала оценку для среднего диаметра d pкапель аэрозоля DEHS, используемых в качестве трассеров, 1,02 мкм с отклонением0,06 мкм. Это значение больше, чем можно ожидать от параметров распылителя. Однаиз возможных причин этого расхождения – влияние трассирующих частиц большогодиаметра, присутствующих в распределении.Рис.
9. Пример аппроксимации данных скорости ЦТА различными моделями:а – модель увлечения по работе Тедеши и др., б – модель увлечения спостоянным временем релаксацииПомимо основной используемой модели была проведена схожая аппроксимацияс использованием других моделей увлечения частиц потоком. Результаты приведены вТаблица 1. Чтобы оценить, насколько точно различные модели описывают реальнонаблюдаемый профиль скорости, для каждой модели и каждого экспериментальногонабора данных вычислялась остаточная сумма квадратов аппроксимации (residual sumof squares, RSS), и затем делилась на значение RSS для приближения основноймоделью.средняяМодель увлечения частицыприведённаяRSSТедеши и др.
(1999)1,020,061Хендерсон (1976)1,190,071,04Хайдер и Левеншпиль (1989)1,240,051,05Бойко и др. (1997)1,210,041,17Меллинг (1997)1,040,037,15Стоксовский режим1,080,037,15Таблица 1. Результаты численной коррекции экспериментальных данных сиспользованием различных теоретических моделейОценкаd p , мкм d , мкмpМодели Тедеши и др., Хендерсона, Хайдера и Левеншпиля одинаково хорошоприближают представленные экспериментальные данные (близкие значения RSS), ноосновная используемая в работе модель даёт меньшую оценку для диаметра капли.Качество аппроксимации данных стоксовской моделью было значительно хуже: всреднем RSS была в 7 раз больше. Разность между точностью приближения заметна ина графиках (ср.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
