Способ уменьшения толщины пограничного слоя газа на обтекаемой поверхности

 

Использование: экспериментальная аэродинамика, преимущественно вакуумные аэродинамические установки. Сущность изобретения: обтекаемую поверхность (исследуемую модель и/или аэродинамическое сопло) охлаждают до температур, при которых пограничный слой газа переходит в конденсированное состояние. 1 ил.

Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике, в частности, к вакуумным аэродинамическим установкам, обеспечивающим моделирование условий полета летательных аппаратов (ЛА) в верхних слоях атмосферы и в космическом пространстве.

Для исследований характеристик моделей ЛА используются аэродинамические трубы (АДТ), основное требование к которым - обеспечение прямолинейного и равномерного профиля скорости в рабочей части. Однако, из-за нарастания пограничного слоя (ПС) на стенках сопел особенно гиперзвуковых, ядро равномерного потока в рабочей части трубы может значительно уменьшиться, что приводит к уменьшению размеров исследуемых моделей.

Известны способы уменьшения толщины ПС и устройства для их реализации, связанные с отсосом или сдувом газа [1].

Недостатком этих способов и устройств является искажение потока, вызванное тем, что отсос или сдув газа осуществляются дискретным образом.

Известен способ, принятый за прототип, уменьшения толщины ПС, связанный с охлаждением обтекаемой поверхности, что позволяет затягивать переход ламинарного ПС в турбулентный и соответственно уменьшить толщину [2].

Недостатком этого способа является то, что в любом случае сохраняется ламинарный ПС.

Задачей изобретения является уменьшение толщины ПС при существенно меньших искажениях потока.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение толщины ПС за счет фазового перехода газа ПС в конденсат. Указанный технический результат достигается тем, что обтекаемую поверхность, например, аэродинамическое сопло и/или модель помещают в герметичную камеру, из которой откачивают газ до давлений, меньших давления насыщенных паров рабочего газа над его конденсатом, охлаждают обтекаемые газом поверхности сопла и модели до температур ниже температуры конденсации рабочего газа, осуществляют напуск газа и конденсируют пограничный спой газа на охлажденных поверхностях.

При исследовании по патентной и научно-технической литературе не обнаружены решения с признаками входными с отличительными признаками заявленного способа.

На чертеже представлена принципиальная схема одного из возможных устройств для осуществления предлагаемого способа.

Устройство для уменьшения толщины ПС газа на обтекаемой поверхности содержит герметичную камеру (1), исследуемую модель (2), насос (3) для откачивания газа из камеры, аэродинамическое сопло (4), трубки (5) с хладагентом для охлаждения стенок сопла и модели, образующие совместно с холодильной машиной (6) замкнутые контуры, систему напуска газа через сопло (7).

Способ состоит из следующих операций: - аэродинамическое сопло и модель размещают в герметичной камере, - откачивают газ из камеры, - охлаждают стенки сопла и модели, - осуществляют напуск газа и конденсируют ПС газа на охлажденных поверхностях.

Осуществление способа проиллюстрируем на примере работы устройства. В герметичную камеру (1) устанавливают модель (2) и сопло (4). С помощью насоса (3) откачивают газ из камеры до давлений ниже давления насыщенных паров рабочего газа над конденсатом. Далее охлаждают стенки сопла и модели до температур ниже температуры конденсации рабочего газа с помощью хладагентов, циркулирующих в трубках (5), образующих замкнутые контуры с холодильной машиной (6). По достижении требуемых значений давления в камере и температур на обтекаемых газом поверхностях включается система напуска газа через сопло (7) и проводятся необходимые измерения.

Протекающий по соплу ПС газа охлаждается и конденсируется на внутренней поверхности сопла. Аналогично, ПС газа на модели охлаждается и конденсируется на поверхности модели. Струйки тока в ПС газа в результате конденсации сгущаются в направлении, перпендикулярном обтекаемой поверхности. Степень уменьшения толщины ПС определяется отношением плотностей газа и его конденсата. Приближенная оценка показывает, что толщина слоя конденсата H на стенках сопла не превышает H <KV/S , где V - объем газа, прошедшего через сопло; K - отношение плотностей газа и конденсата; S - суммарная площадь внутренней и внешней поверхностей сопла и поверхности модели.

Для гиперзвуковых сопел, а именно в них наблюдается интенсивное нарастание ПС, при временах напуска газа t <1 сек величина H <10 ^-3 мм, поэтому наличие даже твердого конденсата на стенках сопла не влияет на расходные характеристики сопла и соответственно на расчетные параметры течения сопла. Более того, осаждение твердого конденсата на внутренней поверхности сопла уменьшает степень ее шероховатости, что также способствует уменьшению толщины ПС.

Формула изобретения

Способ уменьшения толщины пограничного слоя газа на обтекаемой поверхности, заключающийся в ее охлаждении и последующем напуске рабочего газа, отличающийся тем, что обтекаемую поверхность помещают в герметичную камеру и откачивают из нее газ до давлений, меньших давления насыщенных паров рабочего газа над его конденсатом, а охлаждение обтекаемой поверхности осуществляют ниже температуры конденсации рабочего газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1