Экспериментальное исследование путей снижения температуры теплоизолированной стенки в высокоскоростном газокапельном потокеНИР

Experimental investigation of the ways to reduce adiabatic wall temperature in the high speed gas-drop flow

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 6 апреля 2017 г.-1 декабря 2017 г. Экспериментальное исследование путей снижения температуры теплоизолированной стенки в высокоскоростном газокапельном потоке
Результаты этапа: На первом этапе выполнения Проекта была создана и отлажена систем впрыска жидкости в форкамеру сверхзвуковой аэродинамической установки. Впрыск происходит через калиброванные центробежные форсунки с известными характеристиками (кривая распределения капель по размерам в зависимости от перепада давления на форсунке). Расходы воды фиксируется мерными шайбами, реализована возможность подогрева до 30С впрыскиваемой воды. Проведены тестовые сравнительные экспериментальные исследования влияния наличия воды в жидкой(твердой) фазе на адиабатную температуру стенки обтекаемую сверхзвуковым газокапельным потоком. Температура обтекаемой поверхности фиксировалась тепловизором через специальный иллюминатор (поликристал ZnSe), а также заделанными в поверхность модели термопарами. Визуализация газодинамическая картины течения осуществлялась теневым прибором ИАБ-454. Были проведены первичные исследования с помощью температурного зонда в пограничном слое сверхзвукового потока. Зонд перемещался в поперечном направлении на высоту от 1 до 15 мм. При исследовании течения воздуха на гладкой стенке наблюдается выраженная область повышенной температуры до 21.5°С во внешней части пограничного слоя (от 3 до 8 мм) и снижение температуры возле стенки до 17.5°С. Температура в ядре потока составила 18.4°С. При течении газокапельного потока профиль температуры торможения был менее равномерным и изменялся от -3.8°С около стенки до -0.5°С в ядре потока. Температура торможения в форкамере при этом была около 15.5°С. Температура стенки, измеренная запрессованной в стенке термопарой в области расположения зонда, показала температуру от 4.3°С до 2.9°С (стенка в процессе работы зонда продолжала охлаждаться из-за снижения температуры в форкамере). Термопара зонда (расположенная так же в 1 мм от стенки) в процессе 90 секунд запуска установки показала снижение температуры до значения -5.5°C (при Т0=16°C, Tw=8…5°C – температура стенки снижалась в процессе эксперимента). Низкие значения температуры в пристенной области газокапельного потока сохранялись в течение всего эксперимента.
2 20 февраля 2018 г.-31 декабря 2018 г. Экспериментальное исследование путей снижения температуры теплоизолированной стенки в высокоскоростном газокапельном потоке
Результаты этапа: Проведена серия экспериментальных измерений темпа охлаждения теплоизолированной поверхности, обтекаемой сверхзвуковым газокапельным потоком. Цель - определить влияние примеси в виде мелких капель воды на температуру теплоизолированной стенки (адиабатную температуру стенки). Скорость набегающего потока, выраженная в числах Маха составляла М=2.0;2.5;3.0. Массовая концентрация капель варьировалась в диапазоне 0.05-0.75 %. Изменение температуры поверхности теплоизолированной стенки (темп охлаждения) регистрировался как термопарами, так и тепловизором. Измерения проводились в плоском канале как на нижней стенке, непосредственно стыкуемой к сверхзвуковому соплу, так и на боковой поверхности канала. Визуализация картины течения осуществлялась теневым методом при помощи прибора ИАБ-451. Также при помощи лазерного ножа и фотоаппаратуры визуализировалось распределение капель в поперечных и продольных сечениях канала. С целью интенсификации процесса осаждения капель на стенки сверхзвукового канала в проточной части создавались условия для возникновения скачка уплотнения. По измеренному темпу охлаждения восстанавливались значения температуры теплоизолированной стенки, которые сравнивались со значениями, полученными для случая сухого воздуха. На данном этапе в исследованном диапазоне параметров устойчивой работы оборудования не обнаружено заметного влияния капель на температуру теплоизолированной стенки. При концентрациях влаги 0.5% и выше, возникают нестационарные режимы работы стенда, сопровождающиеся выпадением льда на нижнюю и боковые стенки сверхзвукового канала.
3 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Экспериментальное исследование путей снижения температуры теплоизолированной стенки в высокоскоростном газокапельном потоке
Результаты этапа: В результате выполнения этапа 2019 года получен массив экспериментальных данных, отражающих влияние массовой концентрации капель на температуру теплоизолированной (адиабатной) стенки, обтекаемой воздушно-капельным потоком с числами Маха по параметрам сухого воздуха 2.0, 2.5 и 3.0. С целью устранения нестационарности течения в ходе работ принято решение перейти на каскадное расположение в форкамере малорасходных форсунок Lechler 220.185. Использование многофорсуночной системы дало возможность кратно изменять массовую концентрацию жидкости в воздушном потоке за счет изменения количества одновременно работающих форсунок. Такой способ регулирования позволил получать режимы с разными массовыми концентрациями жидкости. При этом размерные характеристики формируемых капель (диаметр Заутера) близки, поскольку перепад давления на форсунках не изменяется. Исследования проводились при изменении перепада давления жидкости и воздуха в диапазоне от 200 до 1000 кПа. Визуализация картины течения сверхзвукового воздушно-капельного потока с помощью лазерного ножа показала преимущественную фокусировку частиц в центральной части канала аэродинамической трубы. По мнению участников проекта, именно этот эффект препятствовал попаданию капель жидкости в пограничный слой, формируемый на модели, устанавливаемой в стык с нижней стенкой аэродинамической трубы. С целью преодоления данного эффекта была изготовлена новая модельная пластина из дюралюминия толщиной 3 мм, которая устанавливалась в центральной части канала вдоль направления потока. Температурные измерения проводились бесконтактным методом с помощью тепловизора, устанавливаемого напротив пластины за боковой стенкой трубы, изготовленной из ZnSe – материала прозрачного для инфракрасной области спектра. Кроме того, в поверхности пластины были запрессованы две термопары для контактного измерения температуры и темпа охлаждения модели. В данной постановке была проведена серия экспериментальных исследований также при числах Маха набегающего потока 2.0, 2.5 и 3.0 и перепадах давления на форсунках от 200 до 1000 кПа. Использование теплопроводного материала модели (дюралюминия) привело к ускорению процесса установления равновесного теплового режима при охлаждении модели в сверхзвуковом потоке. На режиме течения воздушно-капельного потока в центральной области канала на пластине образовывалась область с повышенной на 2-3 градуса адиабатной температурой стенки в сравнении с режимом течения сухого воздуха. При этом значение менялось так же незначительно в диапазоне всех исследованных перепадов давления на форсунках от 200 до 1000 кПа, а значит при изменении относительного массового расхода воды от 0.25 до 0.65%. Визуализация лазерным ножом показала, что пластина расположена непосредственно в области распространения капельного потока. Для установления влияния температуры подаваемой через форсунки воды на изменение адиабатной температуры стенки, было проведено дополнительное исследование с подогревом воды до 50-80⁰С (во всех остальных экспериментах вода подавалась с температурой равной температуре торможения воздуха в форкамере – около 20⁰С). В результате не было выявлено какого-либо влияния температуры подаваемой воды на адиабатную температуру стенки модельной пластины. Использование тепловизора позволило зафиксировать эффект снижения температуры нижней стенки модели, на которой была закреплена модельная пластина, на величину до 15 градусов на режиме течения воздушно-капельного потока. Расчет коэффициента восстановления температуры по параметрам набегающего потока свидетельствует о снижении значения до 0.82 по сравнению со значением на модельной пластине 0.91. Во время проведения эксперимента без тепловизора боковой инфракрасный иллюминатор заменялся на иллюминатор из прозрачного оптического стекла. В этом случае можно было наблюдать появление ледяных наростов на нижней стенке, примыкающей к модельной пластине. Причиной постоянства адиабатной температуры стенки в эксперименте может быть отклонение линий тока воздушно-капельного потока по фронту головного скачка уплотнения на носике модельной пластины. В результате капли не попадают в формирующийся на пластине пограничный слой, а напротив отталкиваются от него, следуя за фронтом скачка уплотнения. С целью фокусировки капель в направлении развивающегося на пластине пограничного слоя было проведено экспериментальное исследование с генератором скачка уплотнения, установленным перед пластиной. В качестве генератора использовался стальной клин с углом раствора 15 градусов. На режиме М=3.0 при варьировании перепада давления воды на форсунках наблюдалось снижение адиабатной температуры стенки в передней части пластины на 2-3 градуса по сравнению с режимом течения сухого воздуха. Так же, как и в эксперименте без клина, проведено дополнительное исследование с нагревом подаваемой в форкамеру воды до около 90 градусов. В данном случае также не было выявлено влияния температуры подаваемой воды на адиабатную температуру стенки модельной пластины. На режимах М=2.0 и особенно М=2.5 области со снижением температуры до 8-10 градусов зафиксированы с помощью тепловизора уже в центральной части пластины. Визуально в данной области наблюдалось образование ледяных наростов. Восстановленная с помощью масло-сажевой визуализации картина линий тока показала, что область снижения температуры расположена за падающим скачком уплотнения от клина.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".