1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Механика жидкости и газа
  4. № 5, 2020

Известия РАН. Механика жидкости и газа, 2020, № 5, стр. 130-136

ИЗМЕРЕНИЕ АДИАБАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СТЕНКИ ПЛОСКОЙ ПЛАСТИНЫ, ОБТЕКАЕМОЙ СВЕРХЗВУКОВЫМ ВОЗДУШНО-КАПЕЛЬНЫМ ПОТОКОМ

Ю. А. Виноградов a, А. Г. Здитовец a, Н. А. Киселев a, Н. В. Медвецкая b, С. С. Попович a, *

a МГУ им. М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский институт механики
Москва, Россия

b Объединенный институт высоких температур РАН
Москва, Россия

* E-mail: pss@imec.msu.ru

Поступила в редакцию 24.01.2020
После доработки 12.03.2020
Принята к публикации 12.03.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены результаты измерения температуры поверхности плоской пластины, обтекаемой сверхзвуковым воздушно-капельным потоком. Пластина из дюралюминия устанавливалась вертикально в рабочем канале аэродинамической установки. Капли жидкости (дистиллированная вода) в воздушный поток распылялись в форкамере через центробежные форсунки. Массовая концентрация жидкости составляла ≈0.36, 0.27% средний диаметр капель по Заутеру – ≈110 мкм, число Маха набегающего потока М = 2.5, 3.0. Температура поверхности измерялась тепловизором. Результаты измерений температуры поверхности пластины для случая однофазного (без капель) воздушного потока сравнивались с результатами для воздушно-капельного потока при одинаковых параметрах (по воздуху) в форкамере. Также для интенсификации осаждения капель жидкости на пластину использовался генератор скачка уплотнения в виде клина, установленного вертикально перед пластиной.

Ключевые слова: сверхзвуковой газокапельный поток, дисперсные газовые потоки, адиабатная температура стенки

Исследованию взаимодействия двухфазных (дисперсных) потоков с обтекаемыми телами посвящено множество работ (см., например, обзор [1]). Наличие даже небольшого количества примеси (доли процента) в основном потоке может приводить к существенным изменениям его параметров на поверхности обтекаемого тела. В данной работе внимание сконцентрировано на влиянии примеси водных капель в сверхзвуковом воздушном потоке на температуру поверхности обтекаемого тела.

Известно, что чем больше число Маха потока, тем больше его термодинамическая температура T отличается от температуры адиабатического торможения T$_{0}^{*}$. Например, при звуковой скорости течения воздушного потока это отличие (T$_{0}^{*}$ – T)/T$_{0}^{*}$ составляет 17%, а при числе Маха 3–65%. При этом газ непосредственно на адиабатной (непроницаемой для теплового потока) поверхности принимает температуру Taw, отличную как от температуры торможения набегающего потока, так и от его термодинамической температуры. В отечественной научной литературе используется несколько равнозначных терминов для ее обозначения: адиабатная температура стенки, температура восстановления, собственная температура стенки, температура теплоизолированной стенки, равновесная температура стенки. В настоящей работе будем называть ее адиабатной температурой стенки, как рекомендовано в работе [2]. Адиабатная температура стенки определяется выражением [3]

(1)
${{T}_{{aw}}} = T_{0}^{*}\left( {1 + r\frac{{\gamma - 1}}{2}{{M}^{2}}} \right){{\left( {1 + \frac{{\gamma - 1}}{2}{{M}^{2}}} \right)}^{{ - 1}}} \approx \left\{ \begin{gathered} T_{0}^{*},\quad ~{\text{M}} \ll 1 \hfill \\ r \cdot T_{0}^{*},~\quad {\text{M}} \gg 1 \hfill \\ \end{gathered} \right.$
где Taw – адиабатная температура стенки, K; T$_{0}^{*}$ – температура торможения в основном потоке, K; М – число Маха; γ – показатель адиабаты газа; r – коэффициент восстановления температуры. Величина r зависит от многих факторов, но, как показали многочисленные экспериментальные и численные исследования [3, 4], при турбулентном безотрывном обтекании пластины и тел вращения с гладкими образующими (цилиндр, конус) однофазным потоком с числом Прандтля Pr ≈ 0.7, r = 0.89 ± 0.01.

Тогда из (1), для воздуха (Pr ≈ 0.7) при M = 1 величина (T$_{0}^{*}$ – Taw)/T$_{0}^{*}$ составляет ≈2%, а при числе Маха 3 – ≈7%, т.е. она фактически близка к T$_{0}^{*}$, а не к Т, следовательно, далека от минимальной температуры в обтекаемом потоке.

Во многих прикладных задачах (теплозащита, безмашинное энергоразделение и т.п.) снижение адиабатной температуры стенки относительно температуры торможения приводит к существенному повышению положительного эффекта [5–11]. Например, данное обстоятельство может использоваться для повышения эффективности устройств без машинного энергоразделения, работающих по схеме, предложенной в работе [5].

В работах [12, 13] экспериментально показано, что при расширении в сопле влажного водяного пара (пар с каплями воды влажностью до 4.5%) температура адиабатной стенки сопла снижается по сравнению с течением перегретого пара. В [12] коэффициент восстановления принимал значение r = 0.7 во влажном паре, и r = 0.9–0.8 в перегретом паре в зависимости от начальной степени перегрева. В [13] показано, что адиабатная температура стенки зависит как от начальной влажности, так и от начальной дисперсности капель. При размерах капель d > 70 мкм и начальной влажности m > 2% капли выпадали на стенку и образовывали пленку жидкости с температурой, равной температуре насыщения.

В работах [14–16] численно показано, что наличие даже очень малой концентрации (до 3%) капель в основном газовом потоке может приводить к значительному снижению адиабатной температуры стенки обтекаемого тела.

В настоящей работе проведено измерение температуры адиабатной стенки при обтекании плоской пластины сверхзвуковым однофазным/двухфазным потоком при наличии и отсутствии падающего скачка уплотнения.

1. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводились на сверхзвуковой установке АР-2, с закрытой рабочей частью и плоским регулируемым сверхзвуковым соплом (рис. 1). Размеры рабочего канала: длина – 450 мм, ширина – 70 мм, высота – 98 мм. Пластина высотой 87 мм, шириной 3 мм и длиной 170 мм из дюралюминия устанавливалась вертикально, вдоль центральной линии рабочего канала на расстоянии 30 мм от среза сопла.

Рис. 1.

Схема сверхзвукового экспериментального стенда: 1 – форкамера; 2 – сборка конусов; 3 – хонейкомб (спрямляющая решетка); 4, 5 – датчики для измерения давления и температуры торможения; 6 – набор центробежных форсунок; 7 – плоское регулируемое сопло; 8 – рабочий канал; 9 – датчики статического давления и термопары; 10 – ИК-камера; 11 – иллюминатор; 12 – экспериментальная модель; 13 – пластина из оргстекла; 14 – диффузор; 15 – клин – генератор скачка уплотнения.

Установка оснащена как оптическими окнами, так и инфракрасным иллюминатором из ZnSe, что позволяет фиксировать теневую картину течения с помощью прибора Теплера и температуру нижней и боковой поверхности рабочего канала – с помощью тепловизора InfraTEC 8855 IR. Капли в воздушный поток распылялись в форкамере через пять центробежных форсунок Lechler серии 220.185 с известными характеристиками (распределение диаметра по размерам в зависимости от перепада давления воды на форсунке). Также установка оборудована системой визуализации течения газокапельного потока, состоящей из лазерного ножа и фотоаппаратуры, которая позволяет качественно оценивать структуру потока.

В настоящем исследовании число Маха набегающего потока на срезе сопла составляло 2.5, 3.0. Массовая концентрация воды m – 0.27 и 0.36% соответственно. Согласно представленной производителем форсунок характеристике, средний диаметр Заутера (средний объемно-поверхностный диаметр частиц) для впрыскиваемых капель составлял 110 мкм для перепада давления на форсунках 300 кПа. Производились измерения температуры поверхности нижней стенки канала и боковой поверхности пластины. Данная температура принималось равной адиабатной температуре стенки. Результаты измерений для воздушного однофазного потока сравнивались с результатами для воздушно-капельного потока при одинаковых параметрах (по воздуху) в форкамере. Температура впрыскиваемых капель была близка (в пределах 2 С) к температуре торможения воздушного потока. Также проведена серия экспериментов, в которых для интенсификации осаждения капель на поверхность пластины использовался генератор скачка уплотнения в виде клина, установленного вертикально перед пластиной.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 2 приведены термограммы поверхности пластины при обтекании воздушным (рис. 2а) и воздушно-капельным потоком (рис. 2б) при m = 0.36%. Число Маха на срезе сопла М = 3.0. При добавлении капель в поток температура кромки пластины снижалась на 4°С и далее на расстоянии 18 мм восстанавливалась до значений, полученных в случае однофазного потока (рис. 2в).

Рис. 2.

Термограммы поверхности пластины, обтекаемой воздушным потоком (а) и воздушно-капельным потоком (б); распределения адиабатной температуры стенки по центру пластины при двух режимах обтекания (в): T$_{0}^{*}$ = 18.3°С, M = 3.0, m = 0.36%; 1 – температура торможения T$_{0}^{*}$, 2 – однофазный воздушный поток, 3 – воздушно-капельный поток.

Расположение генератора скачка уплотнения перед пластиной (рис. 3) при том же числе Маха набегающего потока М = 3.0 практически не изменило характер распределения температуры поверхности пластины при обтекании однофазным потоком. Однако в случае воздушно-капельного потока температура кромки пластины уменьшилась на 6°С, и расстояние, на котором температура поверхности восстанавливалась до значений в однофазном потоке, – возросло в 1.5 раза до 28 мм. Более существенное влияние генератор скачка уплотнения оказал на режиме М = 2.5 и m = 0.27% (рис. 4). В этом случае происходило выпадение льда в центральной области пластины (темные области рис. 4б), что приводило к локальному снижению температуры поверхности на 10–13°С (на рис. 4в показано распределение температуры по центру пластины).

Рис. 3.

Термограммы поверхности пластины, обтекаемой воздушным потоком (а) и воздушно-капельным потоком (б); распределения адиабатной температуры стенки по центру пластины при двух режимах обтекания (в): T$_{0}^{*}$ = 20.5°C, M = 3.0, m = 0.36%; 1 – температура торможения T$_{0}^{*}$, 2 – однофазный воздушный поток, 3 – воздушно-капельный поток.

Рис. 4.

Термограммы поверхности пластины, обтекаемой воздушным потоком (а) и воздушно-капельным потоком (б); распределения адиабатной температуры стенки по центру пластины при двух режимах обтекания (в): T$_{0}^{*}$ = 19°C, M = 2.5, m = 0.27%; 1 – температура торможения T$_{0}^{*}$, 2 – однофазный воздушный поток, 3 – воздушно-капельный поток.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведены результаты измерения температуры поверхности плоской пластины, обтекаемой сверхзвуковым потоком. Исследовались два режима обтекания. Первый – однофазный поток сухого воздуха, второй – воздушно-капельный поток, состоящий из смеси сухого воздуха и мелкодисперсных водных капель (средний диаметр по Заутеру 110 мкм). При числе Маха М = 3 и массовой концентрации m = 0.36% наличие капель привело к небольшому (до 4°С) снижению температуры передней кромки пластины. Далее на расстоянии 18 мм от кромки температура восстанавливалась до значений, полученных при обтекании однофазным потоком. Установка генератора скачка уплотнения перед пластиной увеличила область пластины с пониженной температурой в 1.5 раза. Наибольшего снижения температуры поверхности пластины удалось добиться на режиме М = 2.5 при наличии генератора скачка уплотнения перед пластиной. Из-за увеличения расхода воздуха массовая концентрация воды упала до m = 0.27%. В этом случае на поверхности пластины происходило выпадение осадка в виде льда, что приводило к локальному снижению температуры поверхности на 10–13°С по сравнению со случаем обтекания пластины однофазным потоком.

Работа выполняется в рамках госбюджетной темы АААА-А16-116021110200-5 НИИ механики МГУ при частичной поддержке гранта РФФИ № 17-08-00130.

Список литературы

  1. Вараксин А.Ю. Обтекание тел дисперсными газовыми потоками (обзор) // Теплофизика высоких температур. 2018. Т. 56. № 2. С. 282–305.

  2. Теория теплообмена. Терминология / Отв. ред. проф., д.т.н. Б.С. Петухов. М., 1967.

  3. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М: Наука, 1974. 711 с.

  4. Лапин Ю.В. Турбулентный пограничный слой в сверхзвуковых потоках газа. М.: Наука, 1970. 344 с.

  5. Леонтьев А.И. Газодинамические методы температурной стратификации (обзор) // Изв. РАН. МЖГ. 2002. №4. С. 6–26.

  6. Здитовец А.Г., Виноградов Ю.А., Стронгин М.М. Экспериментальное исследование температурной стратификации воздушного потока, протекающего через сверхзвуковой канал, с центральным телом в виде пористой проницаемой трубки // Изв. РАН. МЖГ. 2013. № 5. С. 134–145.

  7. Leontiev A.I., Zditovets A.G., Vinogradov Y.A., Strongin M.M., Kiselev N.A. Experimental investigation of the machine-free method of temperature separation of air flows based on the energy separation effect in a compressible boundary layer // Exp. Therm. Fluid Sci. 2017. № 88. P. 202–219.

  8. Leontiev A.I., Zditovets A.G., Kiselev N.A., Vinogradov Y.A., Strongin M.M. Experimental investigation of energy (temperature) separation of a high-velocity air flow in a cylindrical channel with a permeable wall // Experimental Thermal and Fluid Science. 2019. V. 105. P. 206–215.

  9. Leontiev A.I., Popovich S.S., Vinogradov Y.A., Strongin M.M. Experimental research of supersonic aerodynamic cooling effect and its application for energy separation efficiency // Proc. 16th Int. Heat Transfer Conf., IHTC-16. V. 212244. Beijing, China, 2018. P. 1–8.

  10. Хазов Д.Е. Численное исследование безмашинного энергоразделения потоков сжимаемого газа // Тепловые процессы в технике. 2018. Т. 10. № 1–2. С. 25–36.

  11. Makarov M.S., Makarova S.N. Efficiency of energy separation at compressible gas flow in a planar duct // Thermophysics and Aeromechanics. 2014. V. 20. № 6. P. 757–767.

  12. Жуковский В.С., Мадиевский В.А., Резникович К.И. О собственной температуре стенки в потоке перенасыщенного пара // Теплофизика высоких температур. 1966. Т. 4. № 3. С. 399–406.

  13. Игнатьевская Л.А. Исследование двухфазного пограничного слоя на плоской стенке. Дисс. … к.т.н. МЭИ, 1971.

  14. Леонтьев А.И., Осипцов А.Н., Рыбдылова О.Д. Пограничный слой на плоской пластине в сверхзвуковом газокапельном потоке. Влияние испаряющихся капель на температуру адиабатической стенки // Теплофизика высоких температур. 2015. Т. 53. № 6. С. 910–917.

  15. Азанов Г.М., Осипцов А.Н. Влияние мелких испаряющихся капель на температуру адиабатической стенки в сжимаемом двухфазном пограничном слое // Изв. РАН. МЖГ. 2016. № 4. С. 67–76.

  16. Голубкина И.В., Осипцов А.Н. Влияние примеси неиспаряющихся капель на структуру течения и температуру адиабатической стенки в сжимаемом двухфазном пограничном слое // Изв. РАН. МЖГ. 2019. № 3. С. 58–69.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Механика жидкости и газа

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал