Комплексное исследование тепловых потоков в высокоскоростных течениях за ударными волнами в широком диапазоне чисел Маха.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-19-00096

НазваниеКомплексное исследование тепловых потоков в высокоскоростных течениях за ударными волнами в широком диапазоне чисел Маха.

Руководитель Сысоев Николай Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-202 - Теплофизические свойства веществ и материалов, в том числе в экстремальных состояниях

Ключевые слова Тепловые потоки; ударные волны; инфракрасная термография; высокоскоростное течение; пограничный слой; панорамные методы

Код ГРНТИ29.03.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на комплексное решение задачи измерения тепловых потоков за ударными волнами включая излучательную, теплопроводностную, конвективную составляющие в различных сверхзвуковых течениях за ударными волнами на экспериментальных стендах МГУ им. М.В. Ломоносова. Актуальность проекта связана с необходимостью получения данных для прогнозирования нагрева поверхностей летательных аппаратов, движущихся с высокими скоростями в условиях неравновесного тепло- и массообмена. В контролируемых лабораторных условиях это возможно на малых газодинамических установках при условиях корректного физического моделирования высокоскоростных течений и измерений тепловых потоков. Оснащение газодинамических стендов МГУ (Физический факультет и НИИ Механики) современной высокоскоростной цифровой аппаратурой позволяет решить поставленную задачу на качественно новом уровне, соответствующем мировым стандартам. Достижимость решения поставленной задачи обусловлена наличием необходимого для этого современного оборудования, специалистов, имеющих опыт его использования и потенциалом для его дальнейшего освоения в применении к поставленным задачам. Возможности получения предполагаемых результатов связаны также с объединением усилий специалистов научных групп смежного профиля. Научная новизна, решаемой в проекте задачи, состоит в комплексном подходе к исследованию тепловых потоков при сверхзвуковом обтекании, включающем анализ всех механизмов теплопередачи, широкий диапазон скоростей и давлений потоков, использование современных цифровых методов исследований и анализа данных. Эксперименты проводятся в диапазоне чисел Маха ударных волн M0 от 2 до 17 и сверхзвуковых потоках за ними соответственно Mп от 1,1 до 3-4. Задействованы 4 стенда МГУ: УТРО-3, АР-2 и 2 ударные трубы лаборатории кинетических процессов в газах. Используется панорамные методы - инфракрасная термография высокого разрешения (диапазон 1.5-5.1 мкм, экспозиция от 100 мкс), высокоскоростная теневая съемка и др. Одновременная регистрация суммарных (радиационные и конвективные) и радиационных тепловых потоков в широком диапазоне чисел Маха позволит оценить долю вклада радиационной составляющей в суммарный тепловой поток. Для регистрации суммарного теплового потока предлагается использование оригинальных термоэлектрических детекторов с временным разрешением 1 мкс. Измерения абсолютных значений интенсивности спектров излучения газов будет проводиться в диапазоне длин волн от 120 до 1100 нм (т.е. от области вакуумного ультрафиолета до инфракрасной). Используются оригинальные подходы – регистрация тепловых полей при взаимодействии сложных потоков воздуха со стенками каналов и моделей через ИК – прозрачные окна рабочих камера и с внешней стороны стенок канала. Ожидаемые результаты комплексных измерений за ударными волнами: радиационных и конвективных характеристик высокоэнтальпийных потоков в области вакуумного ультрафиолета; визуализация и анализ нестационарных тепловых полей нагретых обтекаемых поверхностей являются принципиально новыми.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Козлов П.В., Быкова Н.Г., Герасимов Г.Я., Левашов В.Ю., Котов М.А., Забелинский И.Е. Radiation properties of air behind strong shock wave Acta Astronautica, Volume 214, Pages 303-315 (год публикации - 2024)
10.1016/j.actaastro.2023.10.033

2. Котов М. А., Козлов П. В., Левашов В. Ю., Герасимов Г. Я., Соловьев Н. Г., Шемякин А. Н., Якимов М. Ю., Глебов В. Н., Дуброва Г. А., Малютин А. М. Регистрация радиационного теплового потока в ударной трубе с помощью термоэлектрического детектора Письма в ЖТФ, том 49, вып. 17, с. 36-38 (год публикации - 2023)
10.21883/PJTF.2023.17.56086.19633

3. Знаменская И.А., Муратов М.И., Карнозова Е.А., Луцкий A.E. Визуализация тепловых потоков в высокоскоростном течении за ударной волной Научная визуализация, номер 3, том 15, с. 92-100 (год публикации - 2023)
10.26583/sv.15.3.10

4. Знаменская И.А., Долбня Д.И., Копылов А.Я., Кули-заде Т.А. Исследования полосчатых структур в высокоскоростном пограничном слое газа оптическими методами Оптические методы исследования потоков: Труды XVII Международной научно-технической конференции, НИУ МЭИ, с. 147-154 (год публикации - 2023)

5. Знаменская И.А., Муратов М.И., Карнозова Е.А., Луцкий А.Е. Термографическая визуализация в высокоскоростных газодинамических потоках Оптические методы исследования потоков: Труды XVII Международной научно-технической конференции, НИУ МЭИ, с. 138-146 (год публикации - 2023)

6. Знаменская И.А., Муратов М.И., Копылов А.Я. Исследование теплообмена в пограничном слое за ударной волной в канале Материалы V Отраслевой конференции по измерительной технике и метрологии для исследований летательных аппаратов, с. 110-116 (год публикации - 2023)

7. Знаменская И.А., Муратов М.И., Карнозова Е.А., Луцкий А.Е. Thermographic visualization of non-stationary high speed flow in a channel Proceedings of The 4th Quantitative InfraRed Thermography conference, Publisher: QIRT Council ISSN: 2371-4085 (год публикации - 2024)
10.21611/qirt.2023.10

8. Знаменская И. А., Карнозова Е. А., Сысоев Н. Н. Эволюция тепловых полей на поверхностях канала, нагретых ударной волной и импульсным разрядом Научная конференция «ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ». Сек- ция физики. Сборник тезисов докладов / Под ред. В.В. Белокурова. — М., Физический факультет МГУ, 2024 г. 287 c., Сборник тезисов докладов / Под ред. В.В. Белокурова. — М., Физический факультет МГУ, 2024 г. 287 c. ISBN 978-5-0294-2 (год публикации - 2024)

9. Быкова Н. Г., Кусов А. Л., Козлов П. В., Герасимов Г. Я., Левашов В. Ю., Забелинский И. Е. Spectral Model for Calculation of Radiation Characteristics of a Shock-Heated Gas Russian Journal of Physical Chemistry B , Russian Journal of Physical Chemistry B, 2024, Vol. 18, No. 3, pp. 732–739. (год публикации - 2024)
10.1134/S1990793124700222

10. Знаменская И.А. СОВРЕМЕННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ ГИДРОДИНАМИКИ Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Десятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 23 - 25 октября 2024 г., Москва: Материалы конференции, Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Десятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 23 - 25 октября 2024 г., Москва: Материалы конференции (год публикации - 2024)

11. Попович С.С., Здитовец А.Г., Козлов П.В., Котов М.А., Загайнов И.А. Экспериментальное исследование теплового потока при течении сжимаемого газа на плоской стенке М., Физический факультет МГУ, 2024 г, Ломоносовские чтения 2024, секция Физики, сборник тезисов докладов. С. 228–231. (год публикации - 2024)

12. Попович С.С., Здитовец А.Г., Виноградов Ю.А., Козлов П.В. Сравнительное исследование методов определения теплового потока в стенку, обтекаемую потоком сжимаемого газа Издательство Московского университета, Москва, НЕЛИНЕЙНЫЕ ЗАДАЧИ ТЕОРИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ И ТУРБУЛЕНТНОСТЬ. Материалы XXV Международной конференции. Москва, 2024. С. 151-152. (год публикации - 2024)

13. Знаменская И. А., Карнозова Е. А. Динамика тепловых полей на обтекаемой поверхности, нагретой ударной волной и импульсным разрядом Журнал Технической Физики, Журнал технической физики. — 2024. — Т. 94, № 6. — С. 849–856. (год публикации - 2024)
10.61011/JTF.2024.06.58125.45-24

14. Знаменская Ирина Александровна Визуализация тепловых полей в потоках с плоской ударной волной 2024 «Всероссийская конференция молодых учёных-механиков» МГУ. , Издательство Московского университета Москва: 2024. — С. 63–63. (год публикации - 2024)

15. Знаменская И. А., Дорощенко И. А. НОВЫЕ МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ И ЦИФРОВОГО АНАЛИЗАПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ПОТОКАХ ГАЗА И ПЛАЗМЫ МАТЕРИАЛЫ XVII Минского международного форума по тепло- и массообмену 20–24 мая 2024 г., Материалы XVII Минского международного форума по тепло- и массообмену. — Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси Минск: 2024. — С. 732–733. (год публикации - 2024)

16. Козлов П.В., Попович С.С., Здитовец А.Г., Загайнов И.А. Экспериментальное исследование тепловых потоков в газодинамических установках непрерывного и кратковременного действия Физико-химическая кинетика в газовой динамике, Т.25, вып. 6. 13 с. (год публикации - 2024)
10.33257/PhChGD.25.6.1156

17. Козлов П. В., Герасимов Г. Я., Левашов В. Ю., Быкова Н. Г., Забелинский И. Е., Котов М.А. Measurement of the Electron Concentration in the Vicinity of a Strong Shock Wave Russian Journal of Physical Chemistry B, Russian Journal of Physical Chemistry B, 2024, Vol. 18, No. 3, pp. 725–731 (год публикации - 2024)
10.1134/S1990793124700210

18. Козлов П. В., Котов М.А., Герасимов Г. Я., Левашов В. Ю., Быкова Н. Г., Забелинский И. Е. Experimental Study of the Ignition of a Stoichiometric Propylene–Oxygen–Argon Mixture Behind a Reflected Shock Wave Russian Journal of Physical Chemistry B, Russian Journal of Physical Chemistry B, 2024, Vol. 18, No. 4, pp. 1019–1024. (год публикации - 2024)
10.1134/S1990793124700568

19. Козлов П. В., Забелинский И. Е., Быкова Н. Г., Герасимов Г. Я., Левашов В. Ю. SPECTROSCOPIC MEASUREMENT OF ELECTRON CONCENTRATION IN SHOCK-HEATED GAS Journal of Applied Spectroscopy, Journal of Applied Spectroscopy, Vol. 91, No. 4, September, 2024, pp. 775-779 (год публикации - 2024)
10.1007/s10812-024-01784-y

20. Карнозова Е.А., Знаменская И.А., Дорощенко И.А., Сысоев Н.Н., Луцкий А.Е. Energy conversions at shock wave interaction with pulse discharge in profiled channel Physics of Fluids, Physics of Fluids 36, 126120 (2024) https://doi.org/10.1063/5.0241376 (год публикации - 2024)
10.1063/5.0241376

21. Попович С.С., Здитовец А.Г., Козлов П.В., Загайнов И.А. Экспериментальное исследование влияния падающей ударной волны на тепловой поток в стенку М.: Издательство Московского университета, 2024, Всероссийская конференция молодых ученых-механиков YSM-2024. Тезисы докладов (4 − 14 сентября 2024 г., Сочи, «Буревестник» МГУ), с. 97 (год публикации - 2024)

22. Герасимов Г.Я., Козлов П.В., Левашов В.Ю., Быкова Н.Г., Забелинский И.Е. Методы регистрации радиационных характеристик ударно-нагретых газов Химическая физика, № 10, том 44, с. 24—33 (год публикации - 2025)
10.7868/S3034612625100031

23. Попович С.С., Знаменская И.А., Муратов М.И., Загайнов И.А. Study of a Shock Wave Turbulent Boundary Layer Interaction by Means of Optical Methods Scientific Visualization, Vol. 17. N. 3. P. 67-76 (год публикации - 2025)
10.26583/sv.17.3.07

24. Карнозова Е.А., Знаменская И.А., Луцкий А.Е., Сысоев Н.Н. Преобразование энергии при инициировании импульсного разряда в высокоскоростном нестационарном потоке Инженерно-физический журнал, т. 99, № 4 (год публикации - 2026)

25. Карнозова Е.А., Знаменская И.А., Луцкий А.Е. Тепловые и газодинамические процессы при взаимодействии ударной волны с плазмой наносекундного разряда в канале с препятствием ОИВТ РАН, Москва, Тезисы XXIV Международного Совещания по магнитоплазменной аэродинамике (год публикации - 2025)

26. Карнозова Е.А., Губанов В.В., Филатов А.А., Знаменская И.А. Нестационарные газодинамические и тепловые процессы при взаимодействии ударной волны с затупленным цилиндром Издательство Московского университета, Москва, Всероссийская конференция молодых ученых-механиков YSM-2025. Тезисы докладов (4 - 14 сентября 2025 г., Сочи, Буревестник МГУ) (год публикации - 2025)

27. Карнозова Е. А., Попович С. С. Термографическое исследование тепловых потоков в высокоскоростных течениях за ударными волнами Рыбинск: Издательство РГАТУ имени П.А. Соловьева, Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: тезисы докладов XXV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева (год публикации - 2025)

28. Попович С.С., Здитовец А.Г., Киселев Н.А., Виноградов Ю.А. Experimental study of aerodynamic heating in the region of an incident shock wave boundary layer interaction Acta Astronautica. Pergamon Press Ltd., V. 229. P. 804-813 (год публикации - 2025)
10.1016/j.actaastro.2025.01.062

29. Знаменская И.А., Попович С.С. ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВОЙ ТЕРМОГРАФИИ К АНАЛИЗУ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ В ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ТЕЧЕНИЯХ ГАЗА В КАНАЛАХ 51 школа-конференция «Актуальные проблемы механики», Великий Новгород, 19-21 июня 2024 года, с. 92-93, 2024 (год публикации - 2024)

30. Карнозова Е.А., Знаменская И.А., Луцкий А.Е., Сысоев Н.Н. Визуализация нестационарных тепловых полей в сверхзвуковом потоке при инициировании импульсного разряда Оптические методы исследования потоков: Труды XVIII Международной научно-технической конференции, 30 июня – 04 июля 2025. , с. 137-143 (год публикации - 2025)

31. Попович С.С., Знаменская И.А., Козлов П.В., Загайнов И.А. Исследование взаимодействия ударной волны с турбулентным пограничным слоем на пластине НИУ МЭИ, Москва, ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТОКОВ ТРУДЫ XVIII МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ 30 июня – 04 июля 2025 года МОСКВА (год публикации - 2025)

32. Козлов П.В., Попович С.С., Здитовец А.Г., Загайнов И.А. Experimental Research of Heat Fluxes in Wind Tunnels and Shock Tubes Fluid Dynamics, Volume 60, article number 58, (2025) p. 1-9 (год публикации - 2025)
10.1134/S0015462825601093

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На стенде УТРО-3: Получены количественные данные об эволюции быстропротекающих (субмиллисекундного диапазона) тепловых полей на всех внутренних поверхностях рабочей камеры через боковые окна камеры в течение 40-50мс после начала нестационарного газодинамического процесса при прохождении ударной волны через прямоугольное препятствие 6х2х48мм на нижней стенке. Получены количественные данные о динамике тепловых полей в пограничном слое 1) на верхней плоской поверхности канала рабочей камеры и 2)нижней поверхности - при наличии на ней прямоугольного препятствия, расположенного между окнами поперек канала. Получены количественные результаты по эволюции тепловых потоков на боковых плоских поверхностях канала, на основе регистрации нестационарного теплопроводностного нагрева внутренних стенок (окон) камеры в зоне препятствия изменяющимся сверхзвуковым пограничным слоем. Получены количественные данные о зависимости тепловых полей на стенках камеры и препятствия от числа Маха набегающей ударной волны (M=2 - 4,5) и от времени после прохода ударной волны (до 40 мс). Получены результаты калибровки тепловизионного метода регистрации нестационарных процессов в рабочей (разрядной) камере стенда при визуализации двух различных физических явлений в рабочей (разрядной) камере: 1. инициирования импульсного объемного разряда в канале и визуализации тепловых полей в газоплазменном потоке с плоской ударной волной и 2.при прохождении плоской ударной волны через препятствие. Проведено сравнение данных термографии, полученных при регистрации тепловых полей импульсного энергоподвода перед плоской ударной волной (плазма импульсного объемного разряда с предионизацией) и тепловых полей за прошедшей ударной волной (ударно-волновой нагрев стенок пограничным слоем в профилированном канале). Показано, что при регистрации излучения (инфракрасный и видимый свет) визуализируют область излучения плазмы разряда перед ударной волной; при этом плазма не соприкасается с поверхностью окон. Показано, что время теплового воздействия плазменного образования локализованного перед ударной волной не превышает 100-150 мкс. Время теплового воздействия (теплопроводностного нагрева боковых стенок) не превышает 500 мкс. Время теплового излучения наветренной стороны прямоугольной вставки достигает 2-3 мс. Проведено сравнение и анализ полученных панорамных термографических полей на стенках канала в рабочей камере с расчётными двумерными полями термодинамических параметров (температура, давление), полученными на основе численного моделирования нестационарных уравнений Навье-Стокса для условий эксперимента. Установлена возможность использования термоэлектрических датчиков как на основе хрома и теллурида германия для измерения времен задержки воспламенения горючих смесей в экспериментах на ударных трубах для температур до 2500 К и давлениях до 35 атм. Датчики позволяют с высокой точностью определять малые времена задержек воспламенения горючих смесей (до 2-5 мкс). Впервые получены экспериментальные спектры излучения от ударной волны вдоль оси трубы (излучение «вперед») в спектральном диапазоне 200-670 нм. Полученные спектры излучения «вперед» имеют такой же спектральный состав, что и спектры, регистрируемые при прохождении ударной волны из бокового окна. Установлено влияние заряженных частиц на сигналы, регистрируемые термоэлектрическими датчиками на основе хрома при высоких числах Маха ударной волны. На экспериментальном стенде АР-2 НИИ механики МГУ проведено исследование влияния падающей ударной волны на параметры теплоотдачи при обтекании пластины сверхзвуковым потоком. Произведен монтаж клина-генератора ударной волны в рабочей части установки. Клин был вынесен на высоту 20 мм от верхней стенки с целью исключения влияния нарастающего пограничного слоя. Число Маха набегающего потока изменялось от 1.75 до 3.0, давление торможения – от 300 до 550 кПа, температура торможения – от 291 до 296 К. В качестве моделей использовались 2 пластины: первая с отборниками статического давления и запрессованными на поверхности термопарами, вторая модель – без перфораций для исключения их влияния на исследуемые закономерности теплообмена. Обе модели выполнены из оргстекла – материала с низким коэффициентом теплопроводности (λ=0.2 Вт/(м∙К)). Вторая модель выполнена с возможностью подогрева с обратной стороны. Тепловой поток определялся решением обратной задачи теплопроводности при измерении с помощью ИК-камеры темпа охлаждения предварительно нагретой стенки. Пластина в начальный момент времени была нагрета до 55 градусов. Распределение продольной и поперечной составляющей скорости потока в области взаимодействия падающей ударной волны с плоской стенкой определялось с помощью метода PIV. В качестве трассеров использовались аэрозольные частицы DEHS после генератора аэрозоля Dantech. Также проведена визуализация картины течения в области взаимодействия падающей ударной волны со стенкой с помощью теневого прибора Теплера ИАБ-451. В результате 1-ой части экспериментов получены распределения статического давления на гладкой стенке (без воздействий в потоке) и при наличии падающей ударной волны от клина-генератора. Также получены поля продольной и поперечной составляющей скорости с помощью метода PIV для двух сравниваемых режимов течения. В начале области отрыва пограничного слоя фиксируется характерная точка перегиба на графике распределения статического давления на стенке на расстоянии 35 мм от начала модели. Максимум давления фиксируется на расстоянии 73 мм и соответствует области присоединения пограничного слоя. На теневой и PIV визуализациях отчетливо видны падающая и отраженная ударная волна, а также отрывная область. По мере увеличения градиента давления на стенке профиль скорости становится менее заполненным, толщина пограничного слоя увеличивается, наблюдается отрыв и зона обратного течения. Ниже по потоку пограничный слой снова присоединяется к стенке. На 2-м этапе исследования была проведена инфракрасная съемка области взаимодействия ударной волны с нагретой пластиной. Отмечено снижение температуры стенки за передней точкой отрыва пограничного слоя на оси симметрии до значения 0.883, характерного для безотрывного обтекания стенки. Максимум адиабатной температуры стенки (коэффициент восстановления около 0.9) наблюдается ниже за областью присоединения. Далее по течению температура стенки снижается вследствие нарастания нового пограничного слоя. Для течения с ударной волной в начале области отрыва наблюдается плато по коэффициенту теплоотдачи, после чего происходил рост до максимального значения 452 Вт/(м2К) (в сравнении со значением на гладкой стенке – 340 Вт/(м2К)) в координате, соответствующей максимуму статического давления.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На стенде Утро-3 проведены экспериментальные исследования нестационарных тепловых и газодинамических полей на обтекаемых потоком поверхностях после дифракции плоской ударной волны на осесимметричной модели. Модели (цилиндры, затупленные по сфере), диаметром 10 и 7,5 мм устанавлвливались в прямоугольном канале рабочей камеры ударной трубы под нулевым углом атаки. Проведена высокоскоростная теневая съемка с лазерной подсветкой и термографическая съемка нестационарных тепловых полей внутри рабочей камеры после прохождения ударной волны с числами Маха от 2 до 4,5 и потока за ней. Использовался Регистратор Photron Fastcam (частота съемки 150 тыс. к/с, экспозиция 1 мкс) и инфракрасная камера Telops FAST M200. Спектральный диапазон фиксируемого камерой теплового излучения с учетом полосы пропускания кварцевых окон рабочей камеры– 1.5÷2.8 мкм, максимальная частота регистрации ИК-изображений 2000 Гц. Исследован процесс дифракции, установления сверхзвукового обтекания осесимметричной модели с головной ударной волной, затем переход к дозвуковому обтеканию, замедление и остановка потока. Проведен на основе полученных экспериментальных данных количественный анализ эволюции газодинамических и сопутствующих тепловых полей в зоне пограничного слоя 1) на стенках канала при его пересечении с потоками, формирующимися при обтекании модели; 2). в зоне пограничного слоя на обтекаемых моделях (затупленные цилиндры) в различных точках в течение всего времени обтекания – вплоть до остановки течения. Исследованы зависимости величины отхода отраженной от модели ударной волны, величины ударного слоя от чисел Маха. Получены последовательные термографические изображения нестационарных тепловых полей обтекаемых поверхностей внутри рабочей камеры (окон рабочей камеры и поверхности модели) на стадии сверхзвукового и дозвукового режимов течения за время до 40 мс. Проведено сравнение теневых и термографических изображений для соответствующих условий эксперимента. Получены графики зависимостей интенсивности теплового излучения от времени в зонах пограничного слоя на модели (боковая поверхность цилиндра, точка торможения) в течение 20-30 мс времени обтекания и изменения тепловых полей. Общий анализ результатов сравнений характерных времён теплового излучения от обтекаемых поверхностей различных конфигураций и свойств показал, что нагретые в сложном нестационарном ударно-волновом потоке поверхности кварцевых стекол и модели остывают за время до 500÷700 мкс и 40 мс, соответственно. Выполнена серия экспериментов на ударных трубах НИИ механики МГУ по измерению суммарного и радиационного теплового потока ударно нагретого воздуха при числах Маха от 2 до 25. В режиме отраженной ударной волны эксперименты проводились на установке ударная труба метрологическая (УТМ) при числах Маха от 2 до 10 с использованием трех различных типов термоэлектрических детекторов на основе хрома и теллурида германия. Результаты проведенных экспериментов показывают, что все термоэлектрические детекторы устойчиво работают до числа Маха, равного 7. Радиационная составляющая общего теплового потока, измеренная термоэлектрическим детектором, равна примерно 10%. В режиме падающей ударной волны эксперименты проводились на установке ударная труба двух-диафрагменная (УТД) на основе апробированной ранее конструкции поворотного зеркала и термоэлектрического детектора. Измерялись суммарный и радиационный тепловые потоки ударно нагретого воздуха при числах Маха от 10 до 25. Сравнение радиационной составляющей теплового потока в воздухе, измеренной, на ударной трубе УТД с помощью поворотного зеркала (в направлении вдоль оси ударной трубы) и традиционным методом (через окно в боковой поверхности ударной трубы перпендикулярно оси трубы), показывает, что в ультрафиолетовой области спектра оба метода дают примерно одинаковые результаты. В видимой области спектра, где преобладают атомарные линии кислорода и азота, наблюдается превышение данных, полученных с помощью зеркала. На основании полученных данных рекомендуется использовать термоэлектрические детекторы на основе хрома и теллурида германия для измерения полных тепловых потоков за падающими ударными волнами с числами Маха до 25 и за отраженными ударными волнами с числами Маха до 7. На аэродинамической установке АР-2 проведено исследование параметров газодинамики и теплоотдачи при обтекании прямоугольного выступа сверхзвуковым потоком воздуха. Высота преграды варьировалась от 3 до 10 мм при толщине невозмущенного пограничного слоя около 6 мм. Скорость набегающего потока варьировалась за счет поджатия критического сечения сопла в диапазоне чисел Маха 2.0-3.0. Проведена теневая визуализация картины течения в окрестности преграды с помощью прибора Теплера. По мере роста статического давления при приближении к выступу температура стенки увеличивается на величину от 10 до 17 градусов (при увеличении высоты преграды от 3 до 10 мм) и достигает максимальной величины в рассматриваемой области. За выступом максимальная температура стенки наблюдается в непосредственной близости к задней поверхности выступа с дальнейшим резким снижением до минимальных значений в рассматриваемой области, на 7-10 градусов ниже начальной температуры стенки. Коэффициент восстановления температуры в начале области отрыва перед выступом локально снижается до уровня 0.85-0.87 (меньшие значения для больших высот преграды), при приближении к выступу происходит резкий рост до уровня 0.91-0.93 (большие значения при больших высотах преграды). За выступом коэффициент восстановления снижается от величин сравнимых с максимальными значениями перед преградой до уровня 0.81-0.85 (меньшие значения соответствуют большей высоте выступа) и в дальнейшем такие низкие значения сохраняются во всей рассматриваемой области следа. Плотность теплового потока достигала максимальной величины около 2300 Вт/м2 в непосредственной окрестности выступа и снижалась до уровня 700-800 Вт/м2 при течении в следе.

Публикации