Введение 4
Глава 1. Обзор литературы 8
Глава 2. Численное моделирование 16
Глава 3. Экспериментальное исследование 24
Заключение 37
Список литературы 38
Актуальность темы исследования:
Активное управление сверхзвуковыми потоками газа при помощи локального энерговложения является важной и перспективной задачей современной плазменной аэродинамики. Это связано с поиском альтернативных методов управления высокоскоростными летательными аппаратами, а также возможностью улучшения их аэродинамики и уменьшения тепловых нагрузок на поверхность летательного аппарата. Локальное энерговложение в сверхзвуковой поток газа позволяет управлять газодинамическими параметрами высокоскоростных потоков и воздействовать на характер обтекания различных тел: уменьшать коэффициент лобового сопротивления, увеличивать коэффициент подъемной силы, тем самым увеличивая аэродинамическое качество; проводить интенсификацию перемешивания, смену режима течения в пограничном слое. Вклад энергии при этом осуществляется различными типами газовых разрядов, например, с использованием СВЧ-разряда или лазерно- инициированного оптического пробоя. В зависимости от вида разряда можно получать необходимые геометрические конфигурации возмущенной области газа для изучения различных физических явлений.
Степень разработанности темы исследования:
Анализ литературы показывает, что проведено немалое количество экспериментальных и теоретических исследований эффекта от локального энерговложения в сверхзвуковой поток газа, но в основном проводилось исследование аэродинамики различных затупленных тел в условиях энергоподвода, в особенности много работ посвящено исследованию динамики давления в критической точке на лицевой поверхности и коэффициента сопротивления плохообтекаемых тел.
Цели и задачи исследования:
Целью данной работы является проведение комплексного исследования локального теплового потока на поверхности пластины в условиях локального энергоподвода в сверхзвуковой поток газа. Для проведения такого исследования необходимо было решить следующие задачи:
Подготовка экспериментальной установки ТБ-3 для стабильной реализации межэлектродного искрового разряда в сверхзвуковом потоке газа с числом Маха равным 2. Проверка равномерности распределения профиля скоростей по длине и радиусу сверхзвуковой струи.
Разработка методики для обработки данных, полученных при помощи градиентного датчика теплового потока. Подготовка экспериментальной модели для исследования динамики локального теплового потока.
Проведение численного моделирования процесса взаимодействия плотностной неоднородности с ударной волной. Оценка количества энергии, идущей в нагрев газа за время реализации импульсного межэлектродного разряда. Сравнение расчетных и экспериментальных данных.
Научная новизна:
Предложена методика обработки экспериментальных данных, полученных при помощи градиентного датчика теплового потока на основе монокристалла висмута, изготовленного в Санкт-Петербургском политехническом университете.
Впервые получены новые экспериментальные данные о динамике теплового потока на поверхности обтекаемого тела в условиях локального энергоподвода в сверхзвуковой поток газа с использованием градиентного датчика теплового потока.
В результате численного моделирования было получено, что даже в случае хорошо обтекаемого тела при взаимодействии ударной волны с плотностной неоднородностью образуется вихрь, движущийся вдоль поверхности.
Теоретическая и практическая значимость:
Полученные экспериментальные данные могут быть полезны для оценки тепловых нагрузок при конструировании высокоскоростных летательных аппаратов и верификации численных расчетов.
Методология и методы исследования:
Экспериментальное исследование теплового потока было выполнено при помощи градиентного датчика теплового потока. Численное моделирование взаимодействия нагретой области с ударной волной на теле проведено в рамках модели совершенного вязкого газа с использованием пакета ANSYS.
Степень достоверности и апробация результатов:
Основные результаты работы опубликованы в статьях:
1. Dobrov Y.V., Lashkov V.A., Mashek I.Ch., Khoronzhuk R.S. Investigation of heat flux on aerodynamic body in supersonic gas flow with local energy deposition. (2018) AIP Conference Proceedings 1959, 050009.
DOI: 10.1063/1.5034637
2. Dobrov Y.V., Lashkov V.A., Mashek I.Ch., Mityakov A.V., Mityakov V.Y., Sapozhnikov S.Z., Khoronzhuk R.S. Measurement of Essentially Nonstationary Heat Fluxes by a Bismuth-Based Gradient Sensor. (2021) Technical Physics 66(2), pp. 229-234.
DOI: 10.1134/S1063784221020109
3. Добров Ю.В., Лашков В. А., Машек И.Ч., Митяков В.Ю., Митяков А.В., Сапожников С.З., Хоронжук Р.С. Измерение существенно нестационарных тепловых потоков градиентным датчиком на основе висмута. (2021) ЖТФ 91(2), стр. 240-246.
DOI: 10.21883/JTF.2021.02.50357.209-20
А также представлены на следующих конференциях:
1. Международная научная конференция по механике «VIII Поляховские чтения», Санкт-Петербург, 30 января - 2 февраля 2018.
2. Международная научно-техническая конференция по фундаментальным исследованиям "Наука и технологии высокоскоростных ЛА" (HiSST-2018), Москва, 26-29 ноября 2018.
3. XXI Международная конференция по Вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМС1111С'2019), Алушта, 24-31 мая 2019.
4. XIII Международная конференция по Прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI'2020), Алушта, 6-13 сентября 2020.
5. XIX Международное совещание по магнитоплазменной аэродинамике, Москва, 15-17 сентября 2020.
6. XX Международная конференция по методам аэрофизических исследований (ICMAR 2020), Новосибирск, 1-7 ноября 2020.
7. Международная научная конференция по механике «IX Поляховские чтения», Санкт-Петербург, 9-12 марта 2021.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 19-31-90071). При расчетах использовались компьютерные ресурсы, предоставленные РЦ ’’Вычислительный центр СПбГУ“.
Выполнен численный двумерный и трехмерный расчет взаимодействия плотностной неоднородности с ударной волной на теле в рамках модели совершенного вязкого газа с применением ANSYS, сделана оценка вкладываемой в нагрев газа энергии. Проведено сопоставление экспериментальных данных и результатов численного расчета.
Показано, что и в случае с хорошо обтекаемым телом в результате взаимодействия плотностной неоднородности с ударной волной образуется вихрь, который движется вдоль поверхности тела.
Предложена методика для обработки экспериментальных данных, полученных при помощи градиентного датчика теплового потока. Использование предложенной методики обработки показаний датчика позволяет существенно скорректировать временные характеристики данных о тепловом потоке, получаемых из эксперимента. Также найдена вольт- ваттная чувствительность датчика при помощи экспериментальной калибровки квазистационарным тепловым потоком.
Проведено экспериментальное исследование взаимодействия нагретой электрическим разрядом области с косым скачком уплотнения на теле. Получены шлирен-фотографии процесса, на которых видно движение следа разряда в потоке и значительное колебание ударных волн на теле.
Впервые экспериментально получены данные о динамике плотности локального теплового потока на пластине, находящейся под углом атаки, после импульсного межэлектродного разряда в сверхзвуковом потоке газа. Обработка данных показывает, что в зависимости от расположения разряда можно как увеличить, так и уменьшить локальный тепловой поток на поверхности обтекаемого тела.
