WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

На правах рукописи

ПОПОВ Павел Аркадьевич

МАГНИТОГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛООБМЕНОМ НА ПОВЕРХНОСТИ ТЕЛА В СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ

01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2012

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН и Санкт-Петербургском государственном политехническом университете

Научный консультант: Бобашев Серг ей Васильевич доктор физико - мате матических наук, профессор

Официальные оппоненты: Шарков Алекса н др Васильевич доктор техниче ских наук, профессор (ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский нацио­ нальный исследовательский университет ин­ формационных технологий, механики и оптики, заведующий кафедрой) Куранов Александр Леонидович доктор техниче ских наук, профессор (ОАО «Научно-исследовательское предприятие гиперзвуковых систем», г. Санкт-Петербург, ге­ неральный директор)

Ведущая организация: ФГУП Научно-исс ледовате льский ин­ ститут эле ктрофизической а пп а рату­ ры им. Д. В. Ефре мов а, г. Санкт -Петер­ бург

Защита состоится 24 мая в 18 часов на заседании диссертационного сове­ та Д 212.229.06 при ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургском государственном политехническом университете, расположенном по адресу: 195251, Санкт­ Петербург, ул. Политехническая, д. 29, Главное здание, ауд. 2

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургского государственного политехнического универси­ тета.

Автореферат разослан « » 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Талалов В.А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы Известно, что движение тела со сверхзвуко­ выми скоростями сопровождается сильным аэродинамическим нагревом его поверхности. Обязательным конструктивным элементом любого высокоско­ ростного летательного аппарата является тепловая защита, предотвращаю­ щая его разрушение вследствие перегрева. В традиционных способах теп­ ловой защиты, применяются абляционные материалы, которые постепенно сгорают и уносятся набегающим потоком газа, отводя тепло от поверхности летательного аппарата. Наряду с совершенствованием существующих спосо­ бов, ведется поиск новых подходов к решению данной задачи. Учитывая, что нагретый газ вблизи поверхности сверхзвукового летательного аппарата частично ионизован, рассматриваются методы магнитной газодинамики как инструмент управления структурой обтекания и, соответственно, тепловыми потоками.

Экспериментальные исследования, посвящённые магнитогазодинамиче­ скому (МГД) управлению сверхзвуковыми течениями, как правило, прово­ дятся на установках импульсного действия, таких как ударные трубы. На­ ряду с известными преимуществами и удобством применения ударных труб, исследование МГД управления на установках такого типа сопряжено с неко­ торыми сложностями. Одной из них является создание сверхзвукового потока газа с высокой электрической проводимостью, достаточной для реализации эффективного МГД воздействия. Наличие сильного импульсного магнитно­ го поля с индукцией, достигающей одного тесла, представляет определённую сложность для техники измерений. В частности, традиционные средства из­ мерения тепловых потоков оказываются неприменимыми. Этим объясняется малое количество экспериментальных работ, посвящённых изучению тепло­ обмена при МГД управлении сверхзвуковыми течениями на установках им­ пульсного действия.

В настоящей работе исследовалось МГД устройство, позволяющее воз­ действовать на структуру сверхзвукового обтекания и управлять теплообме­ ном на поверхности модели в широком диапазоне электрической проводимо­ сти набегающего потока газа. Измерение теплового потока, действующего на поверхность модели, осуществлялось с помощью градиентных датчиков теп­ лового потока на анизотропных термоэлементах. В настоящее время эти дат­ чики являются единственным средством измерения, надежно работающим в условиях сильных магнитных полей, что позволило провести тепловые изме­ рения при всех режимах работы МГД устройства.

Целью диссертационной работы является экспериментальное иссле­ дование возможностей магнитогазодинамического управления теплообменом на поверхности модели в сверхзвуковом потоке газа.

Задачи диссертационной работы:

1. Разработка способа магнитогазодинамического воздействия на сверх­ звуковой поток в широком диапазоне электрической проводимости га­ за. Создание экспериментальной модели, внутри которой должны быть расположены все элементы, необходимые для реализации МГД воздей­ ствия;

2. Проведение экспериментов, посвящённых исследованию МГД воздей­ ствия на структуру сверхзвукового обтекания и возможности управле­ ния тепловым потоком на поверхность модели с помощью разработан­ ного устройства;

3. Создание методики обработки сигнала градиентного датчика теплового потока на анизотропных термоэлементах, позволяющей рассчитывать величину импульсного теплового потока в диапазоне времен, характер­ ном для газодинамических экспериментов на ударных трубах;

4. Анализ экспериментальных результатов и определение оптимальных па­ раметров МГД воздействия, позволяющих эффективно управлять теп­ ловым потоком на поверхность тела в сверхзвуковом потоке.

Научная новизна 1. Предложен новый способ МГД воздействия на структуру сверхзвуко­ вого обтекания тела, эффективность которого не зависит от электри­ ческой проводимости набегающего потока газа. Разработана конструк­ ция устройства, реализующая предложенный способ МГД воздействия и позволяющая управлять тепловыми потоками, действующими на по­ верхность тела;

2. Изучены особенности динамики газового разряда при различных усло­ виях обтекания модели и параметрах МГД воздействия;

3. Исследованы особенности работы градиентного датчика теплового пото­ ка на анизотропных термоэлементах в условиях импульсных тепловых воздействий. Предложен алгоритм расчёта величины импульсного теп­ лового потока по сигналу датчика в диапазоне времен, характерном для экспериментов на ударных трубах.

Практическая значимость 1. Определены режимы работы МГД устройства, наиболее эффективные с точки зрения максимального воздействия на сверхзвуковой поток га­ за. Признано целесообразным использование устройства с магнитным сердечником и подключение кольцевого электрода к отрицательному полюсу источника тока;

2. Предложенный способ МГД воздействия может быть использован при моделировании аэродинамического нагрева поверхности тела, что позво­ ляет расширить возможности газодинамической установки. В описыва­ емых экспериментах, была достигнута плотность импульсных тепловых потоков составляющая 10 МВт/м2.

3. Предложенный алгоритм обработки сигнала ГДТП показал свою при­ менимость для расчёта теплового потока в газодинамических экспери­ ментах на ударных трубах в диапазоне времен от 1 мкс до 1 мс;

Основные положения, выносимые на защиту 1. Метод магнитогазодинамического воздействия на структуру сверхзву­ кового обтекания, позволяющий управлять тепловым потоком на по­ верхность тела в широком диапазоне электрической проводимости на­ бегающего потока газа;

2. МГД устройство, с помощью которого достигнуто изменение до 200 % величины теплового потока на поверхность модели при изменении ин­ дукции магнитного поля на 15 %;

3. Алгоритм обработки сигнала градиентного датчика теплового потока, являющийся удобным инструментом исследования импульсных тепло­ вых потоков в газодинамических экспериментах.

Апробация работы Основные результаты работы были представлены на 8 международных конференциях:

46th AIAA Aerospace Sciences Meeting. 7 - 10 January, 2008, Reno, Nevada, USA; XIV Международная конференция по методам аэрофизических иссле­ дований (ICMAR 2008). 30 июня - 6 июля, 2008, Новосибирск, Россия; XVII Всероссийская конференция «Теоретические основы и конструирование чис­ ленных алгоритмов и решение задач математической физики с приложением к многопроцессорным системам». 15 - 21 сентября, 2008, Абрау-Дюрсо, Ново­ российск, Россия; 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting. 5 - 8 January, 2009, Orlando, Florida, USA; 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting. 4 - 7 January, 2010, Orlando, Florida, USA; VIII Международная конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики». 20 - 26 сентября, 2010, Алушта, Украина; IX Международная конференция «Импульсные про­ цессы в механике сплошных сpед». 15 - 19 августа, 2011, Николаев, Украина;

50th AIAA Aerospace Sciences Meeting. 9 - 12 January, 2012, Nashville, Tennessee, USA.

Публикации Основные материалы диссертации опубликованы в 5 ста­ тьях в реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК: Журнал техни­ ческой физики, Письма в Журнал технической физики.

Личный вклад автора Автор участвовал в постановке задач исследо­ ваний, планировании и выполнении экспериментов. Им разработан алгоритм и созданы программы обработки данных измерений, проведена обработка ре­ зультатов экспериментов. Представление изложенных в диссертации и вы­ носимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.

Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, заключения и библиографии. Общий объём дис­ сертации составляет 159 страниц, включая 75 рисунков и 6 таблиц, библио­ графия включает 115 наименований цитируемой литературы.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сфор­ мулированы цели и отмечена научная новизна исследований, показана прак­ тическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В обзоре литературы приведен краткий анализ теоретических и экс­ периментальных исследований в области магнитогазодинамических (МГД) способов воздействия на структуру сверхзвукового обтекания тела и тепло­ вые потоки на его поверхность. Из рассмотренной литературы следует, что воздействие магнитного поля на ионизованный газ вблизи поверхности тела приводит к перестроению картины обтекания и существенному изменению ве­ личины теплового потока. Необходимо отметить, что в основном разработке данной проблемы посвящены теоретические и расчётные работы. Проведение экспериментальных исследований МГД воздействия на сверхзвуковые тече­ ния связано с рядом сложностей, среди которых отмечается малая проводи­ мость газа и необходимость создания сильных магнитных полей. Отмечается также отсутствие надежных средств измерения теплового потока, устойчи­ вых к сильным магнитным полям. Указанные трудности объясняют сравни­ тельно малое количество экспериментальных работ, посвящённых изучению теплообмена при МГД воздействии на импульсных газодинамических уста­ новках.

Вторая часть обзора литературы посвящена анализу современных датчи­ ков теплового потока, применяющихся в газодинамическом эксперименте. Из рассмотренной литературы следует, что традиционные датчики оказываются неприменимыми в условиях сильных магнитных полей. Проанализированы возможности новых типов датчиков на основе поперечного эффекта Зеебека, в особенности градиентного датчика теплового потока (ГДТП) на анизотроп­ ных термоэлементах. Из обзора литературы следует, что в настоящее время ГДТП является единственным измерительным прибором, надежно работаю­ щим в условиях сильных магнитных полей порядка одного Тесла.

В первой главе приведено описание экспериментальной установки, ис­ следуемых моделей, а также применяемых методов оптической и тепловой диагностики.

Описываемые исследования были выполнены на импульсных газодина­ мических установках, созданных на базе Большой Ударной Трубы ФТИ им.

А.Ф.Иоффе. Эксперименты проводились в сверхзвуковом потоке азота с чис­ лом Маха M = 4. Длительность стационарного течения газа составляла 1.5 мс.

В качестве формы исследуемых моделей был выбран конус, сопряжён­ ный с цилиндром. Корпус моделей был изготовлен из капролона, угол рас­ твора конуса составлял 60, диаметр цилиндра 34 мм, а его длина 38 мм. Экс­ перименты проводились на трёх моделях, две из которых были оборудованы В настоящей работе применялись ГДТП разработанные Н.П.Дивиным, В.Ю.Митяковым, С.З.Сапожниковым и А.В.Митяковым в СПбГПУ. Датчики защищены патентом EP1223411 от 17.07.20(см. С.З.Сапожников, В.Ю.Митяков, А.В.Митяков. Градиентные датчики теплового потока в теплотех­ ническом эксперименте. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2007).

МГД устройством. Третья модель не имела МГД устройства и использовалась только для измерения теплого потока при невозмущённом сверхзвуковом об­ текании. Для этого на её конической и цилиндрической поверхности были установлены шесть ГДТП размером 2.2 2.2 мм.

МГД устройство, установленное на первой (рис. 1) и второй модели (рис. 2), состоит из элементов, необходимых для инициирования электрического раз­ ряда и создания магнитного поля. Разрядный промежуток находится на ко­ нической поверхности между кольцевым и центральным электродом. Маг­ нитное поле генерируется катушкой, установленной внутри цилиндрической части модели.

Рис. 1. Модель с сердечником и единой це­ Рис. 2. Модель без сердечника и раздель­ пью разряда и катушки. ными цепями разряда и катушки.

В первой модели электрические цепи разряда и катушки были соедине­ ны последовательно и образовывали единую схему питания. Внутри модели был установлен металлический сердечник, выполнявший функции усилителя магнитного поля и магнитопровода. Вторая модель, в которой отсутствовал сердечник, имела раздельную схему питания, что позволяло независимо из­ менять ток в цепи разряда и катушки.

Перед началом эксперимента внешний источник питания заряжался до напряжения 500 В. Пробой разрядного промежутка и запуск МГД устрой­ ства осуществлялся подачей в цепь разряда инициирующего высоковольтного импульса длительностью 1 мкс. В экспериментах на обеих моделях форма импульса тока, его максимальное значение и время существования разряда (рис. 3) были примерно одинаковы. При одинаковой силе тока в цепи катуш­ ки, распределение индукции магнитного поля вблизи поверхности моделей ных термоэлементов ГДТП исследовано влияние анизотропии теплопровод­ ности на распределение температуры. Установлено, что отклонение темпе­ ратуры вблизи торцов термоэлемента не превышает 15 % от её значения в среднем сечении. Показано, что при отношении длины к ширине анизотроп­ ного термоэлемента > 10 в основном объёме можно пренебречь краевыми эффектами и рассматривать одномерную тепловую задачу.

Проведен анализ основных термоэлектрических процессов в анизотроп­ ных термоэлементах при импульсном нагреве. Показано, что при отношении длины к ширине > 10 в основном объёме термоэлемента можно пренебречь вкладом продольной термоэдс и учитывать только поперечную термоэдс.

Данное упрощение позволило провести анализ термоэлектрических процес­ сов в одномерной постановке. Получено соотношение, связывающее электри­ ческий сигнал датчика с распределением температуры в анизотропном термо­ элементе и учитывающее основные характерные особенности термоэлектри­ ческих процессов при импульсном нагреве. [1].

На основе полученных результатов, предложен алгоритм и создана про­ грамма, позволяющие рассчитать величину теплового потока по сигналу ГДТП, в диапазоне времен, характерном для импульсных газодинамических экспери­ ментов ( 1 мкс 1 мс). Тестирование алгоритма выполнено при обработке результатов серии газодинамических экспериментов на импульсной аэроди­ намической трубе ИТ-302 (ИТПМ СО РАН, Новосибирск) [2]. В выходном сечении сопла была установлена пластина под нулевым углом атаки. Уста­ новленные на ней датчики ГДТП и ALTP одновременно регистрировали дей­ ствующий на них тепловой поток. В условиях данного эксперимента, датчик ALTP непосредственно измерял проходящий через него тепловой поток. На рис. 4 показан тепловой поток, измеренный датчиком ALTP и рассчитанный по сигналу ГДТП с помощью предлагаемого алгоритма для одного из экспе­ риментов.

На представленном рисунке видно, что формы кривых совпадают, на­ блюдается хорошая корреляция низкочастотной составляющей теплового по­ тока 1 кГц. Отличие результатов измерения теплового потока с помощью ALTP и расчёта по сигналу ГДТП в этом диапазоне частот не превыша­ ет 10 %. Отличие высокочастотной составляющей может быть вызвано локальными неоднородностями сверхзвукового потока газа вблизи каждого из датчиков.

структуру разряда и его распределение по конической поверхности мо­ дели и основные закономерности вращения токового канала;

результаты измерения теплового потока, действующего на цилиндриче­ скую поверхность моделей.

Оптическая диагностика сверхзвукового обтекания моделей проводилась как при МГД воздействии, так и без него. В данных экспериментах цепи раз­ ряда и катушки на модели без сердечника были соединены последовательно, что соответствовало электрической схеме модели с сердечником. Сила тока в цепи разряда и катушки обеих моделей была одинакова и достигала 1.5 кА.

На рис. 7 показаны фотографии сверхзвукового обтекания модели без МГД устройства (фото 1), модели с МГД устройством и магнитным сердеч­ ником (фото 2) и модели с МГД устройством без магнитного сердечника (фо­ то 3). Теневая фотосъемка сверхзвукового течения осуществлялась с выдерж­ кой 50 нс. Экспозиция светлой области вблизи конической поверхности на фотографии (2) и (3) происходила за счёт свечения разряда в течение всего времени его существования ( 2 мс).

Рис. 7. Фотографии сверхзвукового обтекания моделей: (1) - без МГД воздействия, при МГД воздействии с помощью модели с сердечником (2) и без него (3).

Из представленных фотографий видно, что МГД устройство на обеих мо­ делях существенно изменяет структуру сверхзвукового обтекания. Головная ударная волна меняет свое положение и деформируется. Заметны различия в структуре обтекания и формы разряда вблизи модели с сердечником (2) и без него (3). В первом случае турбулентные возмущения вблизи цилиндрической поверхности выражены значительно сильнее, засветка области разряда вбли­ зи конической поверхности, практически равномерная, а её интенсивность заметно выше. Поскольку сила тока в цепи разряда и катушки на обеих мо­ делях совпадала, то указанные особенности вызваны различным распределе­ нием индукции магнитного поля.

Применение высокоскоростной фотосъемки позволило определить струк­ туру разряда, его распределение по конической поверхности и изучить осо­ бенности вращения.

Установлено, что на модели без сердечника (3) разряд не имеет ярко вы­ раженных границ и распределен по значительной части конической поверх­ ности. В силу малой яркости разряда не удалось точно определить частоту вращения и его форму, т.к. период обращения оказался сопоставим с длитель­ ностью эксперимента ( 1 мс).

На модели с магнитным сердечником разряд представляет собой лока­ лизованный токовый канал, имеющий спиралевидную форму, а его вращение носит периодический характер. Обнаружено, что частота вращения разряда существенно зависит от полярности подключения кольцевого электрода. При прочих равных условиях в случае отрицательной полярности частота враще­ ния примерно в два раза выше чем при положительной. В данных экспери­ ментах она равнялась 30 кГц и 15 кГц соответственно. Также обнаружено, что при положительной полярности кольцевого электрода вращение разря­ да происходит по направлению действия пондеромоторной силы, а в случае отрицательной полярности разряд вращается против действия силы. Прове­ дённые дополнительные исследования данного эффекта показали, что в этом случае вращение разряда определяется особенностями движения катодных пятен в магнитном поле, а не действием пондеромоторной силы.

Измерение теплового потока на поверхность моделей, как уже отмеча­ лось, проводилось с помощью градиентного датчика теплового потока, по­ скольку в настоящее время это единственный измерительный прибор, надеж­ но работающий в условиях сильных магнитных полей.

Первая серия тепловых измерений была выполнена на модели без МГД устройства, оборудованной шестью ГДТП [3]. Измерения проводились при невозмущённом обтекании модели потоком азота с числом Маха M = 4. В результате проведённых экспериментов было получено распределение тепло­ вого потока, действующего на коническую и цилиндрическую поверхности модели при различных параметрах сверхзвукового течения. Результаты из­ ответствующих прохождению разряда вблизи ГДТП. Таким образом, МГД воздействие на набегающий поток газа становится более равномерным. Дан­ ный эффект, по-видимому, связан с особенностями взаимодействия двух фи­ зических явлений: процессов, определяющих динамику катодного пятна на кольцевом электроде в магнитном поле, и действия пондеромоторной силы на газовый разряд.

Представленные результаты экспериментов демонстрируют возможность управления теплообменом на поверхности модели с помощью разработанного МГД устройства. Указанные выше обстоятельства позволяют рассматривать модель с магнитным сердечником при отрицательной полярности кольцево­ го электрода как наиболее перспективную с точки зрения МГД управления тепловым потоком.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Предложен новый способ магнитогазодинамического воздействия на сверх­ звуковой поток газа, эффективность которого не зависит от электри­ ческой проводимости среды. Созданы две экспериментальные модели, внутри которых установлены все элементы, необходимые для реализа­ ции МГД воздействия.

2. С помощью оптической диагностики установлено, что обе модели за­ метно изменяют структуру сверхзвукового обтекания. Головная удар­ ная волна меняет своё положение, а её фронт заметно искривляется по сравнению с невозмущённым обтеканием. Изучена структура и особен­ ности вращения разряда вблизи конической поверхности моделей. Уста­ новлено, что на модели с магнитным сердечником разряд локализован и имеет чёткие границы, а его вращение носит периодический характер.

Частота вращения составляет 15 30 кГц в зависимости от поляр­ ности подключения кольцевого электрода. На модели без сердечника разряд распределен по значительной части конической поверхности, а период вращения сопоставим с временем эксперимента.

3. На основе результатов численного моделирования тепловых процессов в анизотропных термоэлементах ГДТП создан алгоритм расчёта вели­ чины теплового потока по сигналу датчика. Тестирование алгоритма показало, что относительная погрешность расчёта теплового потока в диапазоне времен, характерном для экспериментов на ударных трубах ( 1мс), не превышает 10 %.

4. Проведено измерение с помощью ГДТП теплового потока на поверх­ ность модели при МГД воздействии и без него. Величина теплового по­ тока на коническую поверхность модели при невозмущённом обтекании, рассчитанная по сигналу ГДТП и по данным численного моделирова­ ния, совпадает с точностью до 15 %. На модели с МГД устройством и магнитным сердечником обнаружена сильная зависимость величины теплового потока от полярности подключения кольцевого электрода.

Установлено, что в случае отрицательной полярности кольцевого элек­ трода увеличение тока в цепи разряда на 15 % сопровождается практи­ чески двукратным уменьшением теплового потока на цилиндрическую поверхность модели.

Публикации по теме диссертации 1. П.А.Попов, Б.И.Резников, В.А.Сахаров, А.С.Штейнберг. Измерение теп­ лового потока анизотропным термоэлементом в импульсных процессах // Письма в Журнал технической физики. 2011. Т. 37, № 1. С. 26–31.

2. С.В.Бобашев, Н.П.Менде, П.А.Попов и др. Использование анизотропных датчиков теплового потока в аэродинамическом эксперименте // Письма в Журнал технической физики. 2009. Т. 35, № 5. С. 36–42.

3. Б.И.Резников, Н.П.Менде, П.А.Попов и др. Определение теплового потока по измерениям температуры поверхности в импульсных газодинамических процессах // Письма в Журнал технической физики. 2008. Т. 34, № 15.

С. 49–54.

4. С.В.Бобашев, Н.П.Менде, П.А.Попов и др. Применение градиентного дат­ чика теплового потока в исследованиях импульсных процессов на ударной трубе // Журнал технической физики. 2008. Т. 78, № 12. С. 103–104.

5. С.В.Бобашев, Н.П.Менде, П.А.Попов, В.А.Сахаров. Экспериментальное исследование магнитогидродинамического воздействия на тепловой поток к поверхности модели // Журнал технической физики. 2010. Т. 80, № 12.

С. 51–56.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.