X Всероссийская конференция молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии"

23 - 25 апреля 2014, г. Новосибирск

Громыко Ю.В.   Бунтин Д.А.   Поливанов П.А.   Сидоренко А.А.   Маслов А.А.  

Исследование влияния локального охлаждения/нагрева на положение ламинарно-турбулентного перехода с помощью теневых методов

Докладчик: Громыко Ю.В.

Современные космические аппараты, возвращаемые с орбиты, ос-нащаются системой теплозащиты, для предотвращения перегрева ко-рабля вблизи передней кромки. В настоящее время основное влияние характеристик данной системы теплозащиты (ТЗС) (шероховатости, формы, теплопроводность) на устойчивость и ламинарно-турбулентный переход является хорошо изученной проблемой. Однако из-за неровностей поверхности ТЗС или на стыках плит с различной теплопроводностью вблизи его стенок образуются зоны с неравномерным распределением температуры, что создает дополнительные зоны роста возмущений.
В предыдущих работах [1, 2], было показано, что данные неравно-мерности распределения температуры значительно влияют на устойчи-вость в гиперзвуковом пограничном слое, и могут привести к изменению положения ламинарно-турбулентного перехода. Данное явление является важной проблемой при проектировании нового летательных аппаратов. 
Исследование влияния локальной неравномерности температуры на положение ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое было выполнено с помощью теневого метода на конусе с углом полураствора 7° с элементом локального нагрева/охлаждения встроенного в поверхность в зоне ламинарного течения. Нагрев элемента осуществлялся с помощью электрического нагрева, охлаждение осуществлялось жидким азотом.  Для обеспечения высокого градиента температуры на поверхности нагревателя/охладителя, модель конуса была изготовлена из пластика PEEK с сочетанием высоких механических свойств и теплостойкости. Это дало возможность провести эксперименты в большом диапазоне температур стенки элемента нагрева/охлаждения от 90 К до 450 К.
Эксперименты проводились в гиперзвуковой аэродинамической трубе «Транзит-М» и гиперзвуковой импульсной трубе ИТ-302М при числе М=6 в диапазоне чисел Рейнольдса Re1 = (7÷20)•106 м-1. Регист-рация обтекания модели выполнялась с помощью высокоскоростной камеры Phantom при высоком разрешении и экспозиции 1-2 μс.  При использовании шлирен визуализации нож Фуко был выставлен горизон-тально для регистрации продольных возмущений. Для регистрации ло-кализации турбулентности и турбулентных пятен, положение ножа бы-ло выставлено таким образом, чтобы пограничный слой у стенки моде-ли был светлым (увеличение света при уменьшении плотности). На ос-нове данных полученных с помощью шлирен визуализации, был рас-считан коэффициент перемежаемости, как отношение количества кад-ров, где был зарегистрирован переход, к полному числу кадров для вы-бранного временного диапазона.
Было получено, что локальная температура поверхности имеет сильное влияние на устойчивость пограничного слоя и положение ла-минарно-турбулентного перехода. Эксперименты показали, что нагрев поверхности элемента ускоряет переход в пограничном слое вниз по течению. Охлаждение поверхности элемента значительно задерживает переход.