Физический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова
Исследование тепловых потоков в ударно-волновых течениях со сложной структурой требует комплексного подхода с использованием современных цифровых методов регистрации и анализа данных. Целью данной работы является комплексный анализ нестационарных газодинамических и тепловых процессов в высокоскоростных газовых потоках с ударными волнами.
Экспериментальное исследование нестационарного процесса дифракции и обтекания аэродинамической модели – тела вращения (затупленный по сфере цилиндр), установленного вдоль оси симметрии течения, проводилось в рабочей части камеры низкого давления ударной трубы с прямоугольным сечением 24×48 мм. Регистрация тепловых полей, формирующихся с течением времени на обтекаемых поверхностях газодинамического канала, проводилась совместно с высокоскоростной теневой визуализацией ударно-волновых структур, образующихся в результате дифракции плоской ударной волны с числом Маха в диапазоне М=2,5–4,0 на модели (см. Рис.1а).
Тепловое излучение, сопровождающее происходящие внутри рабочей секции газодинамические процессы, регистрировалось через боковые кварцевые стенки рабочего участка в диапазоне порядка 1,5–2,8 мкм с помощью инфракрасной камеры Telops FAST M200. Частота съемки достигала 2000 Гц, время экспозиции одного кадра варьировалось от 200 до 500 мкс.
Процесс дифракции ударной волны на модели (10–15 мкс), установление стационарного обтекания (15–300 мкс), дальнейшие взаимодействия ударно-волновых конфигураций регистрировались теневым методом при скорости регистрации 150000к/с.
Рис. 1. Кадр теневой съемки (а) и термограмма (б)– обтекание модели потоком за ударной волной с М=3,3.
Показано, что тепловое излучение, регистрируемое при обтекании стенок канала (окон камеры) и поверхности модели (см. Рис.1б), соответствует периодам времени до 200–400 мкс после начала взаимодействия ударной волны с моделью в зависимости от числа Маха падающей ударной волны.
1. Karnozova E., Znamenskaya I., Doroshchenko I., Sysoev N., Lutsky A. Energy conversions at shock wave interaction with pulse discharge in profiled channel // Physics of Fluids. 2024. Vol. 36, № 12. P. 126120.
2. Карнозова Е.А., Попович С.С. Термографическое исследование тепловых потоков в высокоскоростных течениях за ударными волнами // сборник Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Тезисы докладов XXV Школы-семинара молодых ученых и специалистов академика А.И. Леонтьева. 9-13 июня 2025.
Елизавета Андреевна Карнозова
НИИ механики МГУ
В области сверхзвуковых внутренних течений в каналах актуальным представляется учёт при определении теплового потока и коэффициента теплоотдачи локальных изменений определяющей температуры – адиабатной температуры стенки. Как показано в ряде работ, погрешность в определении коэффициента теплоотдачи, рассчитанного без учета локальных изменений равновесной температуры стенки, может составлять до 50% [1-3]. При исследовании высокоскоростного аэродинамического нагрева дальнейшее повышение точности определения закономерностей теплоотдачи при обтекании сверхзвуковым потоком поверхностей сложной формы требует тщательного исследования локальных значений адиабатной температуры стенки.
Доклад посвящен исследованию динамических (распределение статического давления на стенке, поле скорости) и тепловых (адиабатная температура стенки, коэффициенты восстановления температуры и теплоотдачи) параметров в потоке сжимаемого газа при обтекании плоской стенки и наличии/отсутствии выступа на поверхности. Исследования проводились на аэродинамической установке АР-2 периодического действия. Тепловой поток в стенку определялся аналитическим методом: решением обратной задачи теплопроводности по измеренному темпу охлаждения стенки и теплофизическим свойствам материала модели. Для определения локальной скорости течения потока использовался PIV-метод.
Работа выполняется при поддержке гранта РНФ №23-19-00096.
1. Леонтьев А.И., Попович С.С., Лущик В.Г., Макарова М.С. Коэффициент восстановления температуры в сжимаемом турбулентном пограничном слое // ТВТ. 2022. Т. 60, №3. С. 455-480.
2. Popovich S.S., Zditovets A.G., Kiselev N.A., Vinogradov U.A. Experimental study of aerodynamic heating in the region of an incident shock wave boundary layer interaction // Acta Astronautica. 2025. V. 229. P. 804–813.
3. Popovich S.S. Aerodynamic cooling of the wall in the trace of a supersonic flow behind a backward-facing ledge // Fluid Dynamics. 2022. V. 57. N. 1. P. 57–64.
Сергей Станиславович Попович
НИИ механики МГУ
В литературе известен эффект снижения адиабатной температуры стенки до значений ниже термодинамической температуры при поперечном обтекании дозвуковым сжимаемым потоком цилиндра в области задней критической точки (эффект Эккерта-Вайзе). За цилиндром (или, например, за выходной кромкой лопатки турбины) образуется вихревой след с температурной стратификацией по сечению вихря: в центре вихря полная температура ниже начальной, а на периферии – выше. Для сверхзвуковых потоков [1] снижение адиабатной температуры стенки фиксируется в следе за плохо обтекаемым препятствием в виде клина, ребра или ступеньки.
По-видимому, впервые данный результат был опубликован в работе Хилтона У.Ф. Было отмечено, что температура задней стенки цилиндра практически равняется статической температуре набегающего потока. В то же время в передней части температура близка к температуре торможения [2]. Данный результат был подтвержден в ряде последующих работ, а также интенсифицирован за счет взаимного влияния пары круговых цилиндров [3].
В данной работе представлены результаты исследования методом инфракрасной термографии и визуализации методом PIV поперечного обтекания цилиндра дозвуковым потоком воздуха. Экспериментальное исследование проводится на базе аэродинамической установки АР-2 на стационарном режиме при числах Маха набегающего потока до 0.7, давлении торможения до 150 кПа, температуры торможения до 20⁰С.
Работа выполняется при поддержке гранта РНФ №24-79-10035.
1.Popovich S.S. Aerodynamic cooling of the wall in the trace of a supersonic flow behind a backward-facing ledge // Fluid Dynamics. 2022. Vol. 57. N. 1. P. 57–64.
2. Леонтьев А.И., Лущик В.Г., Макарова М.С., Попович С.С. Коэффициент восстановления температуры в сжимаемом турбулентном пограничном слое // Теплофизика высоких температур. 2022. Т. 60. № 3. С. 455-480.
3.Zditovets A.G., Kiselev N.A., Popovich S.S., Vinogradov Y.A. Experimental investigation of the Eckert-Weise effect (aerodynamic cooling) of pair side-by-side circular cylinders in a compressible cross-flow // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2024. Vol. 233.
Сергей Станиславович Попович
