CC BY
34
Механика жидкости и газа Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (3), с. 1132-1134
УДК 532.529.5
ГАЗОТЕРМОДИНАМИКА И ЭЛЕКТРОФИЗИКА МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА У БЫСТРО ДВИЖУЩЕГОСЯ ТЕЛА
© 2011 г. А.Л. Стасенко, Г.В. Моллесон, А.В. Кашеваров
Центральный аэрогидродинамический институт им. Н.Е. Жуковского, г. Жуковский
Поступила в редакцию 16.05.2011
Рассмотрен круг проблем, связанных: 1) с входом затупленных тел в запыленную атмосферу, 2) с обледенением тела в переохлажденном облаке. Дан обзор полученных ранее результатов и представлены новые данные.
Ключевые слова: дисперсный поток, падающие и отраженные частицы, вращение, электризация и оптика частиц.
Обтекание тел двухфазными потоками, несущими твердые частицы или капли, реализуется во многих ситуациях, представляющих научный и практический интерес, например при входе быстро движущихся тел в запыленные атмосферы планет, движении летательных аппаратов в переохлажденных облаках, обработке поверхностей пескоструйными аппаратами и т.д. Для таких потоков характерны некоторые общие явления, относящиеся к механике жидкостей и твердых тел, такие как инерционная сепарация линий тока несущего газа и траекторий частиц, непредсказуемая изменяющаяся со временем форма обтекаемого тела (при его обледенении или абляции). Кроме того, взаимодействие двухфазного потока с твердым телом может сопровождаться оптическими и электрофизическими явлениями, уверенно регистрируемыми в аэродинамических экспериментах [1, 2].
1. Измерения интенсивности зондирующего излучения, рассеиваемого частицами, распределения плотностей потоков тепла или электрического заряда по поверхности обтекаемого тела содержат богатую информацию об «элементарных» процессах взаимодействия частиц друг с другом и твердыми телами. Однако для извлечения этой информации из экспериментальных данных необходимо решать обратные задачи, относящиеся к так называемым некорректно поставленным проблемам [3]. Поэтому (в качестве первого шага в этом направлении) в настоящем исследовании рассмотрены при-
ближенные оценки влияния оптических и электрофизических явлений, происходящих в сжатом слое, на результаты измерений в типичных экспериментах со сверхзвуковыми газопылевыми потоками.
В этом случае физико-математическая модель учитывает многочисленные экспериментальные данные (других исследователей) по коэффициентам восстановления компонент скорости после отскока твердой частицы от поверхности [4]; вращение [5] и электрический заряд отразившихся частиц; интегральные законы сохранения для падающих, отраженных и хаотизированных частиц в режиме «штатных» столкновений. Типичный набор параметров обтекания: либо почти равновесный (по скорости и температуре) натекающий из «бесконечности» двухфазный поток, несущий мелкие (субмикронные) частицы металла (Fe) или окислов (А1203, Fe2Oз, SiO2), которые после отражения остаются у обтекаемого тела; либо двухфазная затопленная струя с крупными (радиусом ~10 -50 мкм) частицами, образующими после отражения каустику, частично выходящую даже за скачок уплотнения.
Проиллюстрированы результаты численного исследования газотермодинамических и электрофизических параметров обтекания шара в условиях, характерных для экспериментов в сверхзвуковых аэродинамических трубах. Часть этих результатов представлена на рис. 1. Кроме того, построены векторные линии электрического поля у обтекаемого тела. Дано сравне-
ние расчетных и опытных данных по распределению концентрации частиц в сжатом слое, плотностей потока тепла и электрического тока по поверхности сферы. Показано, что при восстановлении концентрации частиц на основе экспериментальных данных по рассеянию зондирующего монохроматического излучения необходимо учитывать поглощение и рассеяние частицами света, попадающего в регистрирующий прибор из «картинной плоскости» лазерного «ножа».
На рисунке изображены линии равных значений в области между срезом сопла и обтекаемой сферой: а) числа Маха; б) массовой плотности отраженных частиц, кг/м3; в) электрического потенциала, В. Частицы БЮ2, радиус 7 мкм, ускоряющий газ — воздух. Условия в фор-камере: давление 2 МПа, температура 300 К.
ряда с их поверхности. Дано сравнение результатов расчета как в приближении идеально изолирующей «наледи», так и при реальных электрофизических параметрах льда (удельная электропроводность ~10—6 См/м; диэлектрическая проницаемость ~50—100). Показано, что отдельные компоненты тензора суммарных механических напряжений в наледи могут приводить к ее разрушению, что объясняет систематические расхождения между экспериментальными данными и результатами численных исследований, проведенных по различным сертифицированным кодам.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы (государственный контракт № 14.740.11.0576) и при поддержке РФФИ (гранты 10-08-00820, 10-01-00745).
а)
2. Второй круг проблем исследован на при-
мере обтекания цилиндра с циркуляцией (моделирующей подъемную силу крыла) в предположении «сухого» обледенения, при котором метастабильные капли мгновенно примерзают к поверхности (температура атмосферы < -15 оС). Численно исследовано распределение механических напряжений в толще наледи, связанных с градиентами температуры, вызванными выделением теплоты кристаллизации [6] и джоу-левыми потерями. Расчеты проведены для «типичных» условий полета и аэродинамического эксперимента. Примеры рассмотрены в предположении максимально возможного заряда капель, определяемого пределом коронного раз-
б) Рис. 1
б)
Список литературы
1. Vasilevskii E.B., Ershova T.P., Mikhatulin D.S., Jakovleva L.V. // Proc. 13th Intern. Heat Transfer Conf. 13-18 Aug. 2006. Sydney, Australia. Published by Begell House Inc. Book of Abstracts. P. 38.
2. Василевский Э.Б. и др. // Труды 52-й научн. конф. МФТИ. М.-Жуковский. 2009. Ч. VI. С. 59-62.
3. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы исследования некорректных задач. М.: Наука, 1986. 288 с.
4. Стасенко А .Л. // ИФЖ. 2007. Т. 80, №5. С. 38-44.
5. Моллесон Г.В., Стасенко А.Л. // ТВТ. 2011. Т. 49, №1. С. 73-80.
6. Кашеваров А.В., Стасенко А.Л. // Мат. моделирование. 2010. Т. 22, №10. С. 119-126.
GAS- AND THERMODYNAMICS AND ELECTROPHYSICS OF A MULTIPHASE FLOW AROUND A QUICKLY MOVING BODY
A.L. Stasenko, G.V Molleson, A.V. Kashevarov
A group of problems discussed, concerning 1) the entry of blunted bodies into dusted atmospheres, and 2) icing of bodies in a supercooled cloud. The previous results are reviewed, and new results are presented.
Keywords: disperse flow, impinging and rebounding particulates, rotation, electrization and optics of the particulates.
