Введение к работе
Актуальность работы. Изучение теплообмена высокотемпературных газов на поверхностях обтекаемых тел представляет интерес в течение продолжительного времени вследствие большого разнообразия условий, сопровождающих такие течения, и в связи с разработкой или совершенствованием методов расчета.
Особый интерес представляет при этом изучение теплообмена при турбулентном обтекании тел высокотемпературными газами в условиях существенной переменности свойств газов в пограничных слоях на поверхностях, вследствии зависимости таких свойств газов как теплоемкость, теплопроводность, плотность и др. от температуры и больших перепадов температур в пограничных слоях, достигающих нескольких тысяч градусов. Это связано с практической важностью задачи расчета теплообмена в таких условиях в связи с разработкой летательных аппаратов нового типа - высотных самолетов, и с необходимостью иметь надежные метода его расчета и анализа tl). Используемые в настоящее время методы расчета основаны главным образом на экспериментальных дашшх, полученных в условиях слабой неизотермичности при небольших перепадах температур в пограничном слое (т /т > 0,3) и без совместного влияния факторов, определяющих практически важные условия турбулентного теплообмена.
Как и в целом проблема турбулентного течения, задачи исследования теплообмена в турбулентном сильно охлажденном пограничном слое и исследование перехода от ламинарного к турбулентному течению в этих условиях связаны прежде всего с получением представительных и надежных экспериментальных данных при совокупном проявлении таких определяющих факторов как низкие значения энталышйного фактора (і /і < а,I, где і - энтальпия на стенке; і - равновесная эк-
w dw w aw г
тальпия), при существенной переменности свойств, сверхзвуковой характер течения (м > I), широкий диапазон чисел Рейнольдса (от 10 до желательно более 10 ). Это определяет актуальность проведенной работа.
Целью работы является экспериментальное исследование конвективного теплообмена и характеристик перехода от ламинарного течения к турбулентному при обтекании плоской пластины сверхзвуковым потоком воздуха в области сильного охлаждения пограничного слоя (при значениях энтальпийного фактора і /х менее 0,1) и при существенной переменности свойств воздуха, определяемой высокими температурами в
потоке (до нескольких тысяч градусов).
Практическая важность работы определяется необходимостью разработки и совершенствования методов и моделей расчетов (теоретических, полуэмпирических, численных) турбулентных течений и теплообмена в сильно охлажденном сверхзвуковом пограничном слое, которая вызвана дальнейшим развитием в разных странах технических программ создания сверхзвуковых летательных аппаратов. То обстоятельство, что свойства материалов, используемгх в новой технике, близки к предельно достижимым, определяет большое значение повышения точности методов расчета и, следовательно, получения надежных и точных экспериментальных данных, причем непосредственно для реализуемых на практике областей параметров. Экспериментальные данные по характеристикам перехода от ламинарному к турбулентному течению в пограничном слое требуются для определения турбулентных зон на поверхностях летательных аппаратов при проектировании тепловой защиты.
Научная новизна. В работе впервые получены комплексные экспериментальные данные по характеристикам перехода от ламинарного к турбулентному течению в пограничном слое в условиях сильного охлаждения и существенной переменности свойств. Важной особенностью работы является то, что благодаря большому числу датчиков на экспериментальной пластине получены полные кривые перехода от ламинарного к развитому турбулентному течению, что позволяет непосредственно использовать полученные экспериментальные данные для разработки или анализа теоретических и численных методов расчета переходных режимов течения.
Впервые проведено систематическое исследование течения и теплообмена в пограничном слое высокотемпературного воздуха при совокупном проявлении сильного охлаждения пограничного слоя, существенной переменности свойств и сверхзвукового характера течения, значительно расширены диапазоны исследуемых параметров для плоской пластины: температура в потоке обтекающего пластину воздуха 1650-6690 К; давление в потоке 0,3-5,0 атм; скорость потока воздуха 1,45-6,45 км/с; числа Маха в потоке воздуха 1,8-3,5; энгальпийный фактор 0,007-0,115; числа Рейнольдса Ю5-Ю7.
На запдату выносятся следующие результаты: - метод исследования (и использование для этого экспериментальной установки на базе ударной трубы) конвективного теплообмена высокотемпературного газа при сильном охлаждении пограничного слоя, включая методики измерения параметров и методику обработки первич-
ных данных по плотности конвективных тепловых потоков;
экспериментальные данные по критическим числам Рейнольдса начала и конца перехода от ламинарного к турбулентному течению и по протяженности зон перехода в сильно охлажденном пограничном слое воздуха при значениях энтальпийного фактора 0,015-0,045 и числах Маха 2,2-3,1; в диапазоне единичных чисел Рейнольдса 1,4"10 -4,7"10 (что соответствует интервалу скоростей ударной волны 2,5-5,0 км/с, давлениям в потоке за ударной волной 0,4-3,5 атм, температурам в потоке за ударной волной 3000-5000 К);
экспериментальные данные по теплообмену в сильно охлажденном развитом турбулентном пограничном слое на плоской пластине при значениях энтальпийного фактора 0,015-0,115, числах Маха 1,8-2,9, и в диапазоне чисел Рейнольдса 4"10 -10 (интервал скоростей потока воздуха за ударной волной 1,45 4,45 км/с, диапазон давлений в потоке 0,65-5,0 атм, диапазон температур в потоке 1650-5570 К);
выводы о применимости ряда методов расчета для описания экспериментальных данных по турбулентному теплообмену в условиях сильного охлаждения пограничного слоя и существенной переменности и немонотонности поведения теплоемкости, теплопроводности и числа Прандтля воздуха;
результаты анализа возможных режимов развития пограничного слоя на плоской пластине за ударной волной, движущейся вдоль пластины.
Апробация работы. Результаты работы опубликованы в статьях в журнале Теплофизика высоких температур, докладывались и обсуждались на англо-советском семинаре "Моделирование процессов теплообмена" (Манчестер, Великобритания, апрель 1990 г.), на Межгосударственной конференции "Тепломассообмен и гидродинамика в турбулентных течениях" (Алушта, 1992 г.), на российско-американской рабочей встрече по высокотемпературному теплообмену (Остин, США, октябрь 1993 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, четырех .Глав, Заключения и Приложения; и содержит 84 страницы машинописного текста, 54 рисунка, 7 таблиц; Список литературы включает 68 наименований. В Приложении представлены первичные экспериментальные данные по теплообмену.