Диссертация (1103111), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Усреднённая по этой области скорость газа, измереннаяЦТА, принималась за экспериментальное значение скорости спутного потока. НаРис. 3.6 приведено сравнение этих экспериментальных данных со скоростьюспутного потока, вычисленной по одномерной теории ударной волны (9). ДанныеЦТА хорошо согласуются с теорией, хотя стоит отметить существенныепогрешностиэкспериментальныхданных.Этиошибкиобусловлены69сложностями, вызванными нестационарным характером потока: неравномернымзасевом, невозможностью усреднения данных по ансамблю измерений, и т.д.Рис. 3.6. Зависимость скорости спутного потока от числа Маха УВ3.4 Общая характеристика течения, развивающегося при выходеударной волны из открытого конца ударной трубыЕсли секция низкого давления ударной трубы открывается в достаточнобольшой объём на достаточно большом расстоянии от точки установкидиафрагмы, то плоская ударная волна, распространяясь по секции, в итогевыходит из неё.
Это является одной из реализаций стартового процесса первогокласса по классификации В.В. Голуба и Т.В. Баженовой ([64], см. п.1.2). Выходударной волны из ударной трубы в атмосферу порождает спектр сложныхгазодинамическихявлений.Ударнаяволнапретерпеваетдифракциюнаотверстии. Характер этой дифракции зависит от формы краёв отверстия. Однакона достаточно большом расстоянии от отверстия форма дифрагированнойударной волны трансформируется из плоской в близкую к сферической,70непрерывно изменяющуюся во времени и в пространстве.
Спутный поток заударной волной, распространявшейся внутри ударной трубы, после выходаформирует струйное течения за фронтом УВ. Как правило, взаимодействиевнешних слоёв струи с неподвижным газом ведёт к формированию кольцевоговихря, связанного с осевой струёй. Дальнейшая эволюция течения зависит отисходных параметров, и может включать в себя формирование и взаимодействиесоосных пространственных вихрей, дополнительных ударных волн, развитиегазодинамических неустойчивостей и т.д.Рис.
3.7. Схема течения, развивающаяся при выходе ударной волны из ударнойтрубы (в осевом сечении):УВ – фронт дифрагировавшей ударной волны, КП –контактная поверхность, КВ – кольцевой вихрь, С – осевая струя, СП – спутныйпотокЯвления, связанные с выходом УВ из некоторого ограниченного объёма всвободноепространствоилибольшийобъём,нередковстречаютсявпрактических технологических процессах. Ими могут сопровождаться стартовые71процессывреактивныхитурбореактивныхдвигателях,работавзрывотехнических устройств и устройств, включающих в себя сильноточныеразряды [72]. В работе [17] исследовалось взаимодействие подобного течения соструйным пламенем, и была показана высокая способность создаваемого теченияк гашению пламени, что в перспективе может быть использовано в устройствахпожаротушения.Возникающее осесимметричное либо трёхмерное нестационарное течениеизучалось с помощью различных оптических методов: теневого и шлирен-метода[64], интерферометрии [78], интерферометрической томографии [108], цветногошлирен-метода [133], теневого фонового метода (ТФМ) [114].Наличие открытого конца секции низкого давления влияет и на течениевнутри самой ударной трубы.
Когда плоская ударная волна дифрагирует наоткрытомконцеударнойтрубы,другаяволнаразреженияначинаетраспространяться от этой точки внутрь трубы. Двигаясь навстречу спутномупотоку, она ускоряет его.3.5 ТФМ-визуализация течения, развивающегося при выходе ударнойволны из ударной трубыНаРис. 3.8приведеныпоследовательныеизображениятечения,возникающего после выхода ударной волны с числом Маха M=1,5±0,1 из каналаударной трубы на разных стадиях его развития, полученные ТФМ. Эффективнаяобласть визуализациисоставляла около 65×85 мм(высота×ширина)припространственном разрешении снимков 20 пк/мм. Данные ТФМ приведены в видеполя относительного смещения элементов фона. Направление течения на всехснимках – слева направо; на левой границе кадра располагается торец ударнойтрубы.
Кривая, ограничивающая область фонового шума в верхнем правом углуТФМ-изображений,обусловленанедостаточноймощностьюимпульснойподсветки.7260 мкс200 мкс130 мкс300 мкс150 мкс450 мксРис. 3.8. Поле смещения, регистрируемое ТФМ, на различных стадияхразвития теченияПри дифракции ударной волны с данным числом Маха в воздухе, когдаистечение газа из ударной трубы дозвуковое, возмущённая область течения73ограничена фронтом замедляющейся ударнойволны и фронтом волныразрежения, распространяющейся вверх по потоку в секции низкого давления.Структура потока за дифрагированной ударной волной в этом случае включаетвеер волны разрежения, контактную поверхность и тороидальный вихрь. Напоздних стадиях тороидальный вихрь отрывается от осевой струи и начинаеттерять устойчивость.
При достаточной скорости течения в нём формируетсявторичная ударная волна. В осевой струе развивается неустойчивость КельвинаГельмгольца.Результаты ТФМ-визуализации сравнивались с данными компьютерногомоделирования течения. Моделирование было проведено Е.Ю.Коротеевой.Численная конечно-объёмная схема представляла собой вариант метода Годуноваповышенного порядка точности [62]. На Рис. 3.9 приведены изображения теченияв момент t=150 мкс после дифракции исходной УВ с числом Маха М=1,5,полученные теневым фоновым методом и компьютерным моделированием.Результаты трёхмерного численного моделирования здесь представлены в видедвумерного поля градиента плотности, усреднённого вдоль Z-оси течения. Каквидно из приведённого сравнения, ТФМ и численное моделирование дают весьмасхожие картины течения. Экспериментальнаяирасчётнаявизуализациидостаточно чётко показывают фронт первичной ударной волны и вторичнуюударную волну, формирующуюся на более поздних стадиях развития течения.Следует отметить, что ТФМ демонстрирует существенно более слабый эффект нафронте плоской ударной волны (по сравнению, например, с ядром вихря).
Этоможет быть объяснено эффектами, описанными в разделе 2.3.74абРис. 3.9. Выход ударной волны из канала ударной трубы в атмосферу. t=150 мкс.а) ТФМ-визуализация; б) численное моделирование течения3.6 ЦТА-визуализация течения, развивающегося при выходе ударнойволны из канала ударной трубыВ отличие от движения плоской ударной волны внутри секции ударнойтрубы постоянного сечения, течение после дифракции ударной волны наоткрытом торце секции не является автомодельным.
Однако, благодаря хорошейвоспроизводимости условий эксперимента, результаты серии экспериментов и вэтом случае также можно рассматривать как статистический набор данных,представляющий течение на различных стадиях. Если за t=0 принять момент,когда фронт плоской ударной волны проходит торец ударной трубы (x=0), токаждое изображение может быть отнесено к конкретному моменту времени0 < t < 1 мс.ЦТА-визуализация ударной волны, распространяющейся от торца ударнойтрубы, была проведена на временном промежутке от момента дифракции доt=300 мкс после него.
Визуализируемая область течения составляла примерно75100×140 мм (высота×ширина), причём пространственное разрешение снимковсоставляло около 10 пк/мм. На Рис. 3.10 а приведён исходный ЦТА-снимокпотока в момент времени t=230 мкс после выхода ударной волны из торцаударной трубы. Уже на этом изображении за счёт различной плотности трассероввизуализированы контактная поверхность, охватывающая левую часть потока, атакже осевая импульсная струя и поперечное сечение вихревого кольца. Полескорости (Рис.
3.10 б), полученное обработкой, ясно показывает фронт ударнойволны как зону, отделяющую движущийся газ от покоящегося, а также основноевихревое кольцо и осевую струю. Плотность частиц позади контактнойповерхности весьма высока, в отдельных местах невозможно различитьизображения отдельных трассеров. В таких переэкспонированных областях дляопределенияскоростипотокаиспользовалисьметодыэкстраполяции,включённые в программу обработки. Высокая плотность частиц также частичнозатеняет нижнюю часть потока от излучения лазерного ножа.
Однако в остальныхобластях, по сравнению со съёмками плоской ударной волны, в этой серииэкспериментов плотность засева была существенно меньше, что привело кхудшему качеству данных ЦТА. Главным из эффектов было уменьшенноепространственное разрешение результирующих полей.Обработка экспериментальных изображений проводилась двухступенчатымкросс-корреляционным алгоритмом. Размеры окна опроса устанавливались как32×32 и 16×16 пк на первом и втором шаге соответственно, с перекрытием оконопроса 50%, к окнам опроса применялась круговая гауссовская весовая функция.После каждого шага обработки к промежуточному результату применяласьотсеивание векторов по значению отношения пиков корреляции Q 1, 5 , затеммедианный фильтр отклоняющихся значений с маской 3×3 и сглаживание с тойже маской.76aбвРис. 3.10.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
