СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В СКАЧКЕ УПЛОТНЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01K13/02 G01K11/00 

Изобретения относятся к температурным измерениям и предназначены для измерения высоких температур газовых потоков в соплах энергетических установок и реактивных двигателей. Точное изменение распределения температуры в скачке уплотнения имеет фундаментное значение и необходимо для решения задач молекулярной газовой динамики, например динамики кластера при прохождении скачка уплотнения.

Известен способ регистрации положения ударного фронта (скачка уплотнения) методом следов на закопченной стенке взрывной трубки [1].

Этот способ измерения не позволяет определить распределение температуры в скачке уплотнения и ударной волне.

Из известных способов наиболее близким по технической сущности является способ измерения распределения температуры на поверхности ударной трубы или сопла посредством термоиндикаторных покрытий, которые являются суспензиями высокодисперсионных веществ с определенными температурами плавления и наполнителей со связующим на основе синтетических смол [2], заключающийся в том, что эти покрытия наносят на внутреннюю поверхность сопла и о распределении температуры судят по изменению цвета покрытий.

Недостатками способа является низкая разрешающая способность измерения распределения температуры вследствие высоких градиентов температур на длинах порядка несколько микрометров, имеющих место в скачках уплотнения. Известное устройство представляет собой сопло с нанесенным на его внутренней поверхности термоиндикаторным покрытием [2]. Это устройство не обеспечивает фиксацию теплового потока вследствие пульсации давления и турбулентности газового потока.

Задача изобретения - повышение разрешающей способности измерения распределения температуру. Задача решается тем, что воздействуют газовым потоком через щель в стенке сопла, выполненную в зоне скачка уплотнения, на подвижную ленту с покрытием с низкой температуропроводностью и перемещают ленту с покрытием в период установившегося газового потока со скоростью 5...10 м/с, после чего исследуют структурные изменения покрытия, по которым определяют распределение температуры, а в качестве материала покрытия с низкой температуропроводностью используют пленку из кластеров железа в среде парафина.

Этот способ осуществляют устройством, содержащим плоское сопло. На боковой стенке сопла выполнена щель, с внешней стороны стенки сопла на опорах, неподвижно закрепленных на сопле, подвижно установлен диск с закрепленной на ней лентой с покрытием, фиксирующим поле, причем другой конец ленты соединен со штоком пневмоцилиндра.

Способ основывается на фиксации распределенного по оси сопла теплового потока на покрытие, которое нанесено на поверхность ленты. При этом диск с прикрепленной лентой поворачивают вокруг оси на угол, равный длине нанесенного на ленту покрытия. Высокоградиентный тепловой поток, сосредоточенный в скачке уплотнения в условиях плоского сопла, фиксируется на покрытие без искажений. Этому способствуют два фактора. Прежде всего минимальное время нахождения покрытия в зоне газового потока за счет узкой щели и высокой скорости вращения диска. Время пребывания содержит менее 0,001 с. Для обеспечения этого времени пребывания протяжку ленты необходимо производить со скоростью 5...10 м/с. Другой фактор - это низкая температуропроводность материала покрытия, оцениваемая числом Фурье

где коэффициент температуропроводности;
τ - время пребывания;
δ - толщина покрытия.

Таким образом, адекватность воспроизведения теплового потока от скачка уплотнения зависит от времени пребывания покрытия в зоне взаимодействия с газовым потоком и числа F_o, за счет чего минимизируется перетекание теплового потока в стороны и обеспечивается локальность измерения. Изменение структуры поверхности термоиндикаторного покрытия в зоне скачка уплотнения определяется с помощью туннельного микроскопа сканированием зоны скачка. Туннельный микроскоп имеет разрешающую способность порядка 1 нм. Тарировочный график, полученный на этом же устройстве, устанавливает связь между изменением структуры поверхности и температурой, которая определяется микротермопарой, которая определяется микротермопарой или спектроскопическим методом.

На фиг. 1 и на разрезе А-А фиг. 2 изображено устройство для измерения распределения температуры в скачке уплотнения. Устройство содержит плоское сопло 1, на боковой стенке которого выполнена щель 2. С внешней стороны стенки сопла на опорах 3 установлен диск 4, который может вращаться вокруг оси, параллельной оси сопла. На боковой поверхности диска прикреплена лента 5 с нанесенным покрытием. Причем ширина ленты чуть больше длины щели, что необходимо для герметичности сопла. Поворот диска на определенный угол осуществляется с помощью пневмоцилиндра 6.

Процесс измерения распределения температуры происходит следующим образом. Устройство является узлом энергетической установки непрерывного действия, в плоском сопле которого создается сверхзвуковой высокотемпературный газовый поток. Для исследования структуры скачка уплотнения режимы установки и размеры сопла подбираются таким образом, чтобы создать перерасширенный поток с сечением отрыва потока и центральным скачком уплотнения (диском Маха). Плоскость скачка перпендикулярна оси потока. Фиксация теплового потока, распределенного по длине сопла, на покрытии происходит следующим образом. В момент времени, когда газовый поток является установившимся, от датчика давления установки срабатывает электропневмоклапан, который открывает магистраль сжатого воздуха. Шток пневмоцилиндра 6 вытягивает ленту 5, поворачивая диск 4 вокруг оси. При этом момент набора расчетной скорости совпадает с началом прохождения ленты с покрытием щели 2 в стенке сопла 1. Высокая скорость вращения диска 4 обеспечивает малое время пребывания покрытия в зоне щели 2, а следовательно, в зоне воздействия высокотемпературного газового потока. Результатом этого является локализация теплового потока, минимальное влияние пульсаций давления установки и турбулентных колебаний газового потока на процесс фиксации теплового поля материалом покрытия. В процессе поворота диска имеется возможность зафиксировать на покрытии тепловое поле, постоянное во времени для установившегося потока или переменное для неустановившегося режима течения. В первом случае за один поворот диска можно провести несколько экспериментов. Во втором случае - зафиксировать тепловое поле на материале покрытия, переменное во времени, и, таким образом, исследовать нестационарные процессы сверхзвуковых газовых струй.

Таким образом, описываемый способ и устройство для его осуществления позволяет проводить измерения распределения температуры по сечению скачка уплотнения с разрешающей способностью порядка 10 нм.

Источники информации
1. Нестерихин Ю.Е., Солоухин Р.И. Методы скоростных измерений в газодинамике и физике плазмы. - М.: Наука, 1967.

2. Боровой В.Я. Течение газа и теплообмен в зонах взаимодействия ударных волн с пограничным слоем. - М.: Машиностроение, 1983. (прототип).

Изобретение относится к температурным измерениям и предназначено для измерения высоких температур газовых потоков в соплах энергетических установок и ракетных двигателей. Способ измерения распределения температуры в скачке уплотнения заключается в том, что воздействуют газовым потоком на подвижную ленту с термоиндикаторным покрытием. Ленту с покрытием перемещают в период установившегося газового потока со скоростью 5 - 10 м/с. По структурным изменениям покрытия определяют распределение температуры. Устройство для измерения распределения температуры в скачке уплотнения содержит плоское сопло с щелью и диск с закрепленной на нем лентой. Диск подвижно установлен с внешней стороны стенки сопла. Лента имеет покрытие, фиксирующее тепловое поле. Изобретение позволяет повысить разрешающую способность измерения распределения температуры. 2 c. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения распределения температуры в скачке уплотнения посредством термоиндикаторных покрытий, отличающийся тем, что воздействуют газовым потоком через щель в стенке сопла, выполненную в зоне скачка уплотнения, на подвижную ленту с покрытием с низкой температуропроводностью и перемещают ленту с покрытием в период установившегося газового потока со скоростью 5 - 10 м/с, после чего исследуют структурные измерения покрытия, по которым определяют распределение температуры. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала покрытия с низкой температуропроводностью используют пленку из кластеров железа в среде парафина. 3. Устройство для измерения распределения температуры в скачке уплотнения, содержащее плоское сопло, отличающееся тем, что на боковой стенке сопла выполнена щель, с внешней стороны стенки сопла на опорах, неподвижно закрепленных на сопле, подвижно установлен диск с закрепленной на нем лентой с покрытием, фиксирующим тепловое поле, причем другой конец ленты соединен со штоком пневмоцилиндра.