ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ АРГОНА В УДАРНОЙ ТРУБЕ
, ,
Физический факультет МГУ им. , Москва
Исследовано взаимодействие ударной волны с турбулентным потока в ударной трубе прямоугольного сечения 40х60мм
. Турбулизация потока осуществлялась сеткой. Отражённая от перфорированного торца волна взаимодействовала с пульсациями плотности и давления в турбулентном потоке аргона. Давление и его пульсации измерялись пьезодатчиком, пульсации плотности – лазерным шлирен-методом. Число Маха падающей волны равнялось 1.9-3.5, число Маха отраженной волны – 1.5-1.85, число Рейнольдса было равно приблизительно 7 x10
. Были получены корреляционные функции пульсаций давления и плотности за падающей и отраженной ударными волнами, по которым был определен масштаб турбулентности. Ранее в работах [1,2] было исследовано турбулентное течение воздуха в ударной трубе. Отраженная ударная волна в воздухе имела сложную форму из-за взаимодействия с пограничным слоем на стенках ударной трубы, что привело к возрастанию, а затем к уменьшению ее скорости вдоль канала ударной трубы. Это обстоятельство затруднило анализ течения за отраженной волной. В аргоне практически не наблюдается взаимодействия ударной волны с пограничным слоем, отраженная волна плоская или почти плоская. За падающей волной безразмерный масштаб турбулентных пульсаций плотности меняется от 0.24 до 0.5 при изменении числа Маха волны от 1.9 до 3.2. Характерный размер – диаметр отверстий в сетке. Масштаб турбулентных пульсаций давления меняется от 0.1 до 0.25 при том же изменении числа Маха волны. За отраженной волной масштаб пульсаций плотности меняется от 0.05 до 0.4, а масштаб пульсаций давления – от 0.02 до 0.14 при изменении числа Маха волны от 2 до 3.2. Таким образом, за отражённой волной масштаб турбулентности уменьшается в несколько раз. В воздухе за падающей волной масштаб турбулентных пульсаций плотности на 30% больше по сравнению с аргоном при числе Маха, равном 3, масштаб турбулентных пульсаций давления – на 10%. Измерено давление за отраженной волной в турбулентном потоке аргона и в ламинарном потоке при прочих одинаковых условиях. Величина давления в турбулентном потоке превышает значение давления в ламинарном потоке на 3 -15% в некотором интервале давлений за падающей волной. Этот эффект объясняется нагревом турбулентного газа за отраженной ударной волной. Нагрев газа подтверждается увеличением скорости отраженной волны в турбулентном потоке аргона по сравнению со скоростью потока в отсутствие турбулентности.
ЛИТЕРАТУРА.
1., , Докукина плотности и давления в турбулентном потоке газа и их взаимодействие с ударной волной. Вестник Нижегородского ун-та им. Н.И. Лобачевского, 2011, №4, часть 5, с. .
2. , , Шугаев давления в турбулентном потоке газа и их взаимодействие с ударной волной. Вестник Моск. ун-та. Сер.3. Физика, астрономия. 2013, №2, с.24-28.
TURBULENT FLOW OF ARGON IN A SHOCK TUBE
Dokukina O. I, Shtemenko L. S., Shugaev F. V., Terentiev E. N.
Faculty of Physics, M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow
The interaction of a shock wave with a turbulent flow of argon in a shock tube has been investigated. The cross-section of the shock tube was equal to 40x60 mm. The turbulent flow was created with the aid of a grid. The incident shock wave falls on a perforated plate at the end of the shock tube, reflects from the plate and then interacts with the turbulent flow. The pressure was measured by a pressure transducer. A laser-schlieren technique was applied in order to measure density fluctuations. The Mach number of the incident shock was equal to M= 1.9—3.5, the Mach number of the reflected shock was 1.5—1.85, the Reynolds number was 7x10. We found correlation functions for turbulent fluctuations of pressure and density behind the incident shock as well as behind the reflected one. These data allowed us to calculate the turbulent length scale. The turbulent air flow in the shock tube was studied earlier [1,2]. There was a complicated pattern due to the interaction of the reflected shock with the boundary layer at the walls of the tube. As a consequence, the velocity of the reflected shock increased first of all and then decayed. This circumstance makes the analysis of the flow behind the reflected shock more difficult. In the case of argon the interaction of the shock with the boundary layer is very weak, and the shock remains a planar one. The dimensionless turbulent length scale for density fluctuations varies in the range from 0.24 to 0.5 as the Mach number of the incident shock increases from 1.9 to 3.2, the characteristic length being the diameter of orifices in the grid. The turbulent length scale for pressure fluctuations varies from 0.1 to 0.25 under similar conditions.
The turbulent length scale diminishes behind the reflected shock. The length scale for density fluctuations varies in the range from 0.05 to 0.4, if the Mach number increases from 2 to 3.2. The length scale for pressure fluctuations varies from 0.02 to 0.14 under the same conditions. In the case of air the length scale for density fluctuations is 30% as large as compared with argon behind the incident shock (M=3). The appropriate increment for pressure fluctuations is equal to 10% . We measured the pressure in the turbulent flow of argon behind the reflected shock. It was found that the value of the pressure is 3-15% as large as the appropriate value in the laminar flow within some range of pressure behind the incident shock. This effect is due to the heating of the turbulent gas behind the reflected shock. The increase of the velocity of the reflected shock in argon confirms this hypothesis.
REFERENCES
1. Shugaev F. V., Terentiev E. N., Shtemenko L. S., Dokukina O. I. Fluctuations of density and pressure in turbulent gas flow and their interaction with a shock wave. Vestnik Nizhegorodskogo universiteta imeni N. I. Lobachevskogo, 2011, №4, part 5, p.. (in Russian) 2. Dokukina O. I., Terentiev E. N., Shtemenko L. S., Shugaev F. V. Pressure Fluctuations within a Turbulent Gas Flow and Their Interaction with a Shock Wave. Moscow University Physics Bulletin, 2013, Vol.68, No.2, pp. 118-122.