Термографическая визуализация динамики тепловых полей при высокоскоростном обтекании прямоугольного препятствия

Автор: Мурат Ильмдарович Муратов

Соавторы: Долбня Д.И.

Организация: Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова

Теплообмен, возникающий между высокоскоростным газовым потоком и обтекаемыми стенками в нестационарных пограничных слоях вносит значительные изменения в характер обтекания и состояние среды. За последние годы большое распространение в теплофизических задачах изучения характеристик теплообмена приобрел эмпирический метод регистрации температурных полей – инфракрасная термография [1]. В настоящей работе продемонстрирована возможность бесконтактной визуализации тепловых полей на обтекаемых поверхностях в разрывных течениях с использованием инфракрасной термографии. Исследуется эволюция нестационарного нагрева и охлаждения внутренних поверхностей канала ударной трубы (24х48 мм) сверхзвуковым пограничным слоем в зоне препятствия до 50 мс после прохода ударной волны (УВ).

Панорамная тепловизионная визуализация проводилась при помощи высокоскоростной инфракрасной камеры с рабочим диапазоном 1.5 – 5.1 мкм при дифракции плоской УВ и установлении сверхзвукового обтекания на прямоугольном препятствии (6х2х48 мм), вмонтированном на нижней стенке канала рабочей камеры поперек течения. Изменяющаяся скорость течения в канале ударной трубы измерялась трассированием потока на основе теневого метода высокоскоростной камерой с частотой съемки 100 кГц и экспозицией 1 мкс. Время изменения скорости потока в канале по оценке трассерной визуализации 30 – 40 мс.

Изменение температуры газа на фронте УВ и в сверхзвуковом потоке за ней приводит к соответствующему изменению во времени тепловых потоков на обтекаемых поверхностях [2]. В наветренной области у кромки препятствия последовательные изменения конфигурации течения и состояния пограничных слоев реализуют набор тепловых полей на стенках канала, отвечающих взаимодействию нестационарного течения с препятствием и эволюции приповерхностного спутного потока на них. Таким образом, тепловизором за время интеграции камеры регистрируется изменение тепловых потоков на поверхностях канала – в приповерхностном пограничном слое (Рис. 1).

Интенсивные области инфракрасного излучения на первом кадре (после дифракции УВ, M = 2.6), отражают нагрев поверхностей канала за счет энергообмена с формирующейся зоной двойного ударного сжатия перед препятствием в спутном потоке (Рис. 1 левый). Затухание потока с приходом в область рабочей камеры холодного газа (контактной поверхности, 400 – 600 мкс от прохода УВ) существенно снижает температуру потока с соответствующим охлаждением поверхностей стенок канала. Визуализируются области остаточного нагрева у наветренной стенки препятствия, где ввиду наличия зоны отрыва минимален унос тепла. После τ ≈ 10 мс регистрируется снижение интенсивности теплового излучения от ранее нагретых участков до уровня фона. В дальнейшем наветренная сторона препятствия продолжает охлаждаться вплоть до времени τ ≈ 25 мс (Рис. 1 правый), с последующим медленным восстановлением на временах τ ≈ 50 мс.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 23-19-0096.

[1] Carlomagno G.M., Cardone G. Infrared thermography for convective heat transfer measurements // Exp. Fluids. 2010. V. 49. № 6. P. 1187-1218.

[2] Знаменская И.А., Муратов М.И., Карнозова Е.А., Луцкий А.Е. Визуализация тепловых потоков в высокоскоростном течении за ударной волной // Научная Визуализация. 2023. Т. 15. № 3. С. 92-100.