Курсовая теория на тему Экспериментальные установки. Расчёт течение газа в ударной трубе

Содержание:

Введение. 3

1. Экспериментальные установки. 7

1.1. Актуальность экспериментальных
исследований. 7

1.2. Гиперзвуковая ударная труба. 7

1.3. Инициирование скользящего разряда
в газодинамическом потоке в ударной трубе. 9

1.4. Современные экспериментальные
установки. 10

Устройство
современной аэродинамической ударной трубы.. 10

2.
Расчёт течение газа в ударной трубе. 12

2.1.
Общий принцип расчета. 12

2.2. Коэффициент
сопротивления частиц. 18

2.3. Граничные условия. 19

Литература  21

Введение:

В течение последних нескольких десятилетий микрошоковые трубки
как устройства для создания ударных волн и сверхзвуковых потоков широко использовались
в областях механической, аэрокосмической и медицинской инженерии, таких как устройства
для микровгорения, взрыва и безыгольной доставки лекарств.
Обычно микрошоковая труба состоит из приводной секции высокого давления и
ведомой секции низкого давления, которые разделены тонкой диафрагмой.
Из-за разницы давлений между двумя секциями при мгновенном разрыве диафрагмы
возникают ударные волны [ 1 ].
Если степень сжатия диафрагмы очень высока, диафрагма разрывается естественным
образом. В противном случае его следует проколоть иглой вручную.
Падающая ударная волна, вызванная микроударной трубкой, всегда является нормальной
ударной волной, тогда как она становится наклонной ударной волной после того, как
она отражается от торцевой стенки в ведомой части в микрошоковой трубке с закрытым
концом. Сверхзвуковые потоки индуцируются и ускоряются за падающей
ударной волной, что всегда применяется в экспериментальных испытаниях, таких как
микровгорение и взрыв. За отраженной ударной волной возникают
потоки высокого давления и температуры.

С развитием микрошоковых трубок и инновациями в медицинской технике
устройства для безыгольной доставки лекарств предназначены для бесконтактного введения
порошков лекарств в организм человека. Основными компонентами
устройства для безыгольной доставки лекарств являются микрошоковая трубка и расширенное
сопло [ 2 ]. Потоки газа с лекарственными
порошками индуцируются и ускоряются ударной волной, генерируемой в микрошоковой
трубке, и снова ускоряются в расширенном сопле. Порошки лекарств
вводятся в кожные ткани, набирая достаточный импульс. Чтобы обеспечить
доставку без каких-либо повреждений, следует строго контролировать скорость движения
порошков лекарств. Несмотря на то, что устройства для
безыгольной доставки лекарств изучаются в течение нескольких десятилетий, подробные
характеристики двухфазных потоков частиц и газа внутри устройств на сегодняшний
день не известны. Экспериментальные исследования скорости
и импульса частиц также проводятся редко.Однако исследования потоков частиц и газов
в устройствах для безыгольной доставки лекарств чрезвычайно важны для улучшения
их характеристик в областях медицинской инженерии.

Потоки с твердыми частицами ведут себя иначе, чем потоки одиночного
газа. Из-за инерции и сопротивления твердых частиц частицы всегда
не могут должным образом отслеживать потоки газа.В условиях медленного времени релаксации
твердых частиц частицы следуют за сверхзвуковыми газовыми потоками более неправильно.
Вышеупомянутые эффекты делают импульс твердых частиц неконтролируемым, что
препятствует разработке устройств для безыгольной доставки лекарств.
Из-за эффектов вязкости и наличия пограничных слоев динамику частиц в микрошоковых
трубках предсказать труднее. Несмотря на то, что исследователи
уделяли большое внимание исследованию ударных волн и потоков газа с частицами в
микроударных трубах, подробные характеристики ударной волны и динамики частиц были
малоизвестны.

Brouillette [ 1 ] разработал новую
модель для исследования эффектов масштаба на генерацию и распространение ударных
волн в микрошоковой трубе и провел сравнение с экспериментальными результатами.
Рассматривался контрольный объем, расположенный между ударной волной и контактной
поверхностью. Скорость частиц была ниже, чем в микрошоковых трубках в более
крупных масштабах. Прогнозируемые численные результаты
хорошо согласуются с экспериментальными результатами в отношении чисел Маха ударных
волн. Лю и др. В [ 2
] проведены экспериментальные и численные исследования распространения ударной
волны и скорости частиц в контурной ударной трубе. Импульс порошков
лекарств контролировался характеристиками потока внутри контурной ударной трубки.
Остин и др. [ 3
] исследовали распространение и затухание ударной волны через микромасштабный
канал круглого сечения.Результаты экспериментальных исследований по скорости и давлению
ударной волны были сопоставлены с экспериментальными и теоретическими результатами.
В каналах меньшего масштаба и меньшего давления наблюдалось большее затухание
ударной волны. Felling et al.
[ 4 ] использовали измерения давления
для записи истории давления по сравнению с существующими экспериментальными результатами
давления.

Было исследовано влияние перепада давлений и расположения диафрагмы
на ударные волны, выходящие из ударной трубы с открытым концом.
Ударная волна в виде диска Маха, цилиндрическая ударная волна и отраженные
ударные волны наблюдались и подробно обсуждались Haselbacher et al.
[5 ]. Labastida et al.
[ 6 ] использовали метод одновременной
высокоскоростной визуализации боковых и торцевых стенок для наблюдения за распространением
ударной волны в кольцевой ударной трубе.Явно визуализировались структура и движение
ударной волны. Модифицированная модель диссипации
была получена для обсуждения влияния теплопередачи на градиент скорости ударной
волны Ян и др. [ 7
]. Рассматривая эффекты числа Рейнольдса и разницы температур
между фазами частиц и газа, Хендерсон [ 8
] вывел математические модели для расчета силы увлечения частиц при дозвуковом
и сверхзвуковом потоках газа-частиц, соответственно. Lin et al. использовали
связанный метод CFD-EDM для расчета потоков частиц и газа и провели визуальные тесты
для подтверждения результатов CFD. Траектория и скорость частиц, полученные
при численном моделировании, хорошо согласуются с экспериментальными результатами.
Sun et al. В обобщены численные модели расчета
многофазных потоков и получены некоторые новые математические модели для расчета
многофазных потоков.

Численное моделирование было выполнено для исследования распространения
и затухания ударной волны в микроударных трубках с использованием одномерного подхода
Ngomo et al.. Затухание ударной волны было количественно рассчитано, и
распространение ударной волны, очевидно, было зафиксировано при различных диаметрах
трубы. Ли и др. [ 21
] провели теневую диаграмму с временным разрешением и измерения переходного
давления для исследования структуры ударной волны и числа Маха в ударной трубе.
Подробно обсуждались ударные течения на выходе из трубы.Для регистрации структуры
ударной волны на выходе из сопла, падающей на пластину, Хендерсон и др. Использовали
цифровую велосиметрию с изображением частиц. Было исследовано,
что степень давления в сопле и выходной диаметр имеют большое влияние на ударные
потоки на выходе из сопла. Kendall et al. выполнили экспериментальные
исследования по исследованию динамики частиц через контурные ударные трубы с помощью
велосиметрии изображения частиц (PIV) и визуализации Шлирена.

Заключение:

Фрагмент текста работы:

1. Экспериментальные установки.

1.1. Актуальность экспериментальных исследований

Аэродинамическая ударная труба является достаточно удобным
экспериментальным инструментом для исследования широкого класса задач
аэродинамики и физической газодинамики, которая позволяет выполнить верификацию
численных методов и обеспечить условия для подготовки финальных летных
экспериментов. В этом случае исследователя привлекают такие позитивные качества
ударной трубы, как малое потребление энергии, простота в эксплуатации,
невысокая стоимость. Быстротечность газодинамических процессов в рабочем тракте
ударной трубы, затрудняющая выполнение измерений, компенсируется применением
малоинерционных датчиков, бесконтактных средств измерения (теневых,
интерференционных) с применением оптических приборов и использованием нового
поколения высокоскоростного регистрирующего оборудования и средств обработки
экспериментальных данных.

В связи с этим, совершенствование аэродинамических ударных
труб и оснащение их новыми методами диагностики является актуальной задачей
современной экспериментальной аэродинамики гиперзвуковых скоростей.

Особую актуальность в настоящее время приобретает
экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование закономерностей
ударно-волновых взаимодействий и их конфигураций в осваиваемых на практике диапазонах
гиперзвуковых скоростей.

1.2. Гиперзвуковая ударная труба

В начале 60-х годов было решено создать на кафедре аэродинамическую
ударную трубу с соплом Лаваля для моделирования движения тел с большой сверхзвуковой
скоростью, соответствующей числу М ≈ 10. Ударная труба позволяла подогревать воздух
с помощью ударных волн и предотвращать его конденсацию вследствие значительного
охлаждения при сопловом ускорении. Заказы на изготовление основных элементов и узлов
установки удалось разместить на заводе «Арсенал» имени Н. В. Фрунзе и на Балтийском
судостроительном заводе. В создании установки приняли участие все основные инженерные
службы института (отдел главного механика, отдел капитального строительства, отдел
главного энергетика и т.д.). Постоянное внимание созданию установки и исследованиям
на ней уделял Л. Г. Лойцянский, для ускорения создания установки принявший ряд молодых
сотрудников на работу в лабораторию кафедры.