double arrow

Ударные трубы

Ударная труба представляет собой экспериментальную установку для исследования газодинамики и физики потоков с высокой температурой.

В простейшем виде ударная труба представляет собой закрытый с обоих концов длинный канал, разделенный диафрагмой на два неравных отсека (рис. 2.60).

В левый (малый) отсек под большим давлением (порядка сотен атмосфер) нагнетается толкающий газ. Толкающий газ за счет энергии горения, электромагнитного поля, взрыва, движения поршня или просто перепада давления разрывает диафрагму и создает плоскую ударную волну во внутреннем канале трубы,

В правом отсеке, занимающем до 75% всей длины труба, находится рабочий газ с низким давлением.

Вправо от точки разрыва диафрагмы по покоящемуся рабочему газу распространяется ударная волна OA с постоянной скоростью N. За ударной волной с постоянной скоростью движется контактная поверхность OK, разделяющая толкающий и рабочий газы.

Влево от точки разрыва диафрагмы по толкающему газу распространяется центрированная волна разрежения, головной фронт которой ОС движется со скоростью d4, а хвостовой фронт OB — со скоростью d3, причем d3 < d4, так как температура в зоне разрежения падает.

Этими волнами движение газа в трубе разделено на четыре области, В области 1 рабочий газ с параметрами p1p1T1 находится в покое (u1=0).

В области 2 между ударной волной и контактной поверхностью располагается так называемая рабочая пробка с параметрами рабочего газа

Ее длина определяется выражением

где N — скорость распространения ударного фронта; u2 — скорость распространения контактного разрыва.

Между контактной поверхностью и хвостовым фронтом волны разрежений располагается область 3 с параметрами толкающего газа

Эта область движется вслед за рабочей пробкой с той же скоростью u2 = u3.

Область 4 — область покоящегося толкающего газа с параметрами

Отобразим (см. рис. 2.62) расположение волн и значения параметров толкающего и рабочего газов в момент времени t=τ в координатах: X от t, X от p, X от T. Отсчет времени ведется с момента разрыва диафрагмы.

Когда ударная волна достигнет конца рабочего канала трубы, весь рабочий газ будет сжат, нагрет и приведен в движение в направлении перемещения ударной волны. Отразившись от конца трубы, ударная волна будет двигаться навстречу потоку и приводить его в состояние покоя, дополнительно нагревая и сжимая его. Достигнув контактной поверхности, ударная волна начинает многократное движение между стенкой и контактной поверхностью и тем самым сильно увеличивает температуру T2.

Для исследования обтекания тела высокотемпературным потоком используется течение в рабочей пробке. Продолжительность работы трубы tраб зависит от места расположения исследуемой модели. Чем дальше от диафрагмы расположена модель, тем больше длина рабочей пробки. Однако здесь имеются пределы, поскольку по мере удаления от диафрагмы интенсивность ударной волны вследствие трения уменьшается.

Обычная продолжительность рабочего времени трубы составляет от 0,1 до 1 мс.

Эффективность ударной трубы при создании высоких температур связана со скоростью перемещения начальной ударной волны по рабочему газу, которая зависит от перепада начальных давлений в обоих отсеках трубы, скоростей звука в толкающем и рабочем газах в начальный момент и удельных теплоемкостей обоих газов.

Скорость ударной волны можно увеличить, если обеспечить больший перепад давлений толкающего и рабочего газов и выбрать легкие толкающие газы, в которых скорость звука больше. В мощных ударных трубах в качестве толкающего газа применяются водород и гелий.

Для повышения температуры в качестве толкающего газа используют смесь из кислорода и водорода, в которую для уменьшения возможности детонации добавляют гелий.

После воспламенения смеси, когда температура в отсеке высокого давления достигает 2 500°С, диафрагма разрушается при давлении, превышающем 108Па. Скорость ударной волны после разрыва диафрагмы достигает 15 — 18 км/с, а температура за ней — около 16 ООО К.

Другой метод увеличения скорости ударной волны при заданном отношении давлений состоит в использовании схемы ударной трубы с двумя или несколькими диафрагмами. При разрыве первой диафрагмы ударная волна проникает в промежуточную камеру, заполненную, например, аргоном, а затем, после разрушения второй диафрагмы, волна проходит в рабочий газ. Увеличение скорости ударной волны достигается в этом случае за счет уменьшения времени установившегося потока.

Ударные трубы в основном применяются для получения высокотемпературного газа при исследовании физико-химических явлений, возникающих при полете, таких, как диссоциация и ионизация. Кроме того, в ударных трубах исследуют структуру ударной волны, воздействие ударных волн на преграды, отражение косых ударных волн и т.д.

Ударные трубы используются для создания ударных аэродинамических стендов.

В ударных аэродинамических трубах (рис. 2.61) газ в рабочей пробке разогревается до высоких температур, однако скорость его невелика. Скорость движения газа в рабочей пробке можно увеличить, если в ударной трубе на выходе из отсека низкого давления установить сопло Лаваля.

Тогда модель можно испытывать в высокотемпературных газовых потоках со сверхзвуковыми скоростями порядка 20 — 25 M и выше.

Принцип работы трубы следующий: по достижении расчетного давления в отсеке 1 разрывается диафрагма 2 и газ устремляется в отсек 3. Образовавшаяся ударная волна распространяется по рабочему газу, нагревая и сжимая его. Когда волна достигнет конца отсека низкого давления, диафрагма 4 на входе в сопло разрушится — произойдет отражение ударной волны, а сжатый и разогретый газ за отраженной ударной волной истечет через сопло 5 в вакуум-камеру 8.

После встречи отраженной ударной волны с контактной поверхностью произойдет ее преломление и отражение, и эта волна возвратится к соплу. Начиная с этого момента, установившееся движение газа в сопле прекращается. Течение становится нестационарным, и работа трубы заканчивается.

В ударных аэродинамических трубах достигается давление торможения 2 000 105 Па и температура торможения 8 000 К. Время работы около 6 мс.

Использование аэродинамических и ударных труб для изучения закономерностей движения тел при гиперзвуковых скоростях связано со следующими трудностями:

1. Необходимо создавать высокий перепад давлений рабочего газа на входе и выходе аэродинамической трубы. Так, например, при создании воздушного потока с M = 20 потери в трубе настолько велики, что отношение давлений на входе и выходе составляет порядка миллиона. При этом, чтобы поток был не слишком разреженным, т.е. чтобы значения Re были не слишком малы, в форкамере давление должно быть порядка сотен и даже тысяч атмосфер.

2. Необходимо предварительно подогревать газ, чтобы он при расширении в сопле не замерз, и для M = 20 Tгаз в форкамере должна быть равна 3 000 К.


Сейчас читают про: