Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Для исследования трехмерных эффектов, возникающих при взаимодействии пограничного слоя и затупленного тела в сверхзвуковом потоке, подготовлены экспериментальные стенды на базе лаборатории газодинамики ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Часть исследований выполнено на экспериментальном стенде Малой Ударной Трубе (МУТ), который включает в себя саму ударную трубу, сопловую вставку и рабочую камеру с возможностью монтажа модели перпендикулярно смотровым окнам. Была настроена шлирен система, позволяющая визуализировать ударно-волновую конфигурацию вблизи обтекаемого тела. Для возможности проведения исследований при низких числах Маха был подготовлен экспериментальный стенд Прямоугольная Ударная Труба (ПУТ), который позволяет получать и исследовать картину обтекания модели спутным потоком без необходимости использования сопловой вставки. Для визуализации течения используется высококачественная шлирен система. На основе анализа параметров течения, характерных для исследуемых явлений, выбраны датчики для измерения давления и теплового потока. Для измерения давления были выбраны датчики PCB Piezotronics, которые имеют времена нарастания фронта не более 1 мкс, что позволяет использовать их для исследования высокоскоростных процессов. Для измерения теплового потока выбраны датчики на анизотропных термоэлементах, которые также обладают достаточным быстродействием (~1 мкс). Проведена работа по настройке и калибровке датчиков. Проведен анализ возможных режимов течения, достижимых на подготовленных экспериментальных стендах, и выбраны режимы течения с учетом особенностей установок, а также возможностей измерительной аппаратуры. Первая серия включала три газодинамических режима, реализуемых на экспериментальном стенде МУТ, с числом Маха на срезе сопла 5 и различными числами Рейнольдса (по диаметру модели 2 см) от 4000 до 20000, рабочий газ азот. Проведена серия экспериментов по исследованию течения в сопле без установленной модели, по результатам которой получены осциллограммы давления на стенке сопловой вставки, а также полного давления на оси сопла. Показано, что для этой серии режимов рабочее время, соответствующее стационарному течению в сопле, очень мало (не более 150 мкс), а для некоторых режимов практически не наблюдается. Для выбранных режимов проведено также численное моделирование течения в сопле. Показано, что расчёты хорошо воспроизводят нестационарные процессы установления течения в сопле, однако расчет дает меньшее время выхода на установившийся режим, чем в эксперименте, причем предсказываемый в расчете уровень давления в установившемся режиме оказывается несколько ниже. На основе анализа полученных экспериментальных и расчетных данных были сформулированы рекомендации по выбору второй серии режимов. В качестве рабочего газа использовался азот, а также ксенон, использование которого позволяет получить большее рабочее время. Число Маха на срезе сопла 5 для азота и 7.26 для ксенона, числа Рейнольдса в диапазоне от 8200 до 45000. Для исследования явлений вязко-невязкого взаимодействия при сверхзвуковом натекании потока на трёхмерное препятствие была изготовлена модель в виде затупленного тела с вмонтированными на ее поверхности датчиками давления. Разработана конструкция, согласно которой датчики давления установлены внутри модели и соединены с поверхностью тонкими каналами, что позволило расположить на модели несколько датчиков на разном расстоянии от стенки. Модель была смонтирована на оси сопла перпендикулярно смотровым окнам. Проведена серия экспериментов для выбранных режимов, в которых получены осциллограммы давления на поверхности боковой стенки в области перед телом и на поверхности модели, а также теневые картины обтекания модели в различные моменты времени. Осциллограммы давления показывают, что вблизи модели реализуется сложная нестационарная картина обтекания. На теневых фотографиях наблюдается «расщепление» фронта ударной волны, что можно интерпретировать как искривление фронта ударной волны, вызванное вязко-невязким взаимодействием вблизи сочленения модели с боковой стенкой. Для исследования возникающей ударно-волновой структуры течения без учета пограничных слоев на стенке сопла были проведены расчеты нестационарного обтекания затупленного тела в двумерной постановке. Расчетные картины обтекания затупленного тела сопоставлены с теневыми фотографиями, полученными в эксперименте, получено хорошее соответствие между расчётной и экспериментальной ударно-волновой структурой течения. Для исследования трехмерных эффектов, возникающих при взаимодействии пограничного слоя и затупленного тела, проведены расчеты в предположении однородности набегающего на тело потока, то есть без учета расходящегося потока в сопле и влияния ограничивающих поток стенок. Расчеты проведены с использованием параллельного «неструктурированного» кода SINF/Flag-S, разрабатываемого в СПбПУ. В качестве граничных условий на входе в расчетную область задавались параметры потока, полученные в расчетах сверхзвукового течения в сопле в двумерной постановке. Для режимов, которые характеризуются относительно низкими числами Рейнольдса (8000-14000), были получены стационарные картины обтекания. Структура течения характеризуется обширной отрывной областью с системой подковообразных вихрей, огибающих тело. Вне пограничного слоя формируется головной скачок уплотнения, который взаимодействует с косыми волнами уплотнения, индуцируемыми вихрями. Для условий натекания, соответствующих относительно высоким числам Рейнольдса (30000-45000), реализуется нестационарный колебательный режим течения, при этом основные нестационарные колебания наблюдаются внутри отрывной области. Для проведения исследований на экспериментальном стенде ПУТ выбраны два режима, в которых параметры спутного потока характеризуются низкими числами Маха (1.3-1.6) и относительно большими числами Рейнольдса (22000-146000), рабочий газ – воздух. Проведена серия экспериментов, в которых исследовалось течение в трубе без обтекаемого тела, измерены значения теплового потока на стенке трубы за падающей ударной волной. На графиках зависимости теплового потока от времени отчетливо виден участок, соответствующий ламинарному участку течения (до ~150 мкс), и дальше участок резкого роста теплового потока, который соответствует переходу к турбулентному режиму течения. Проведены вспомогательные RANS расчеты течения в ударной трубе, показано, что предсказываемые расчетные значения теплового потока согласуются с экспериментальными данными. Проведена серия отладочных экспериментов по исследованию взаимодействия сверхзвукового спутного потока с цилиндрической моделью (диаметрами 6 и 12 мм). Для вертикально закрепленного цилиндра получены теневые картины ударно-волновой структуры в области сочленения цилиндра и стенки трубы. Для горизонтально закрепленного цилиндра проведены измерения давления на стенке трубы в области перед цилиндром. Показано, что при формировании течения вблизи сочленения цилиндра с поверхностью стенки образуются две зоны повышенного давления, которые с течением времени немного меняют свою положение. Для выбранных режимов работы стенда ПУТ проведены предварительные RANS расчеты сверхзвукового обтекания цилиндра (без учета ограничивающих стенок) в квазистационарной постановке: на входной границе задавались профили спутного потока, полученные в нестационарном расчете в двумерной постановке. Исследована трехмерная структура течения: перед телом образуется отрывная область, которая для осредненного течения содержит лишь один подковообразный вихрь. На поверхности пластины перед цилиндром, а также на поверхности цилиндра наблюдаются ярко выраженные локальные максимумы давления. Исследовано влияние толщины набегающего слоя на картину обтекания.