Спосіб візуалізації течії газового потоку

Винахід відноситься до галузі теплоаеродинаміки і може бути використаний при дослідженні особливостей течії при обтіканні різних тіл газовими потоками з подальшим використанням отриманих результатів при конструюванні та удосконаленні енергетичного теплообмінного обладнання, тепловідвідних та термостабілізуючих пристроїв у радіоелектроніці, авіаційній техніці, автомобілебудуванні, тощо. Відомий спосіб візуалізації течії газового потоку (див. статтю Е.М. Sparrow and S.R. Chastain. Effect of angle of attack on the heat transfer coefficient for an annular fin.-International Journal of Heat and Transfer, 1986, vol.29, N8, pp.1185-1191) сажомасляною сумішшю, нанесеною на досліджувану поверхню, до якої попередньо кріплять контактний самоприлипаючий папір. Основним недоліком цього способу є викривлення картини течії потоку внаслідок дії сили утримання часток сажі в'язким маслом, що призводить до помилкових фізичних уявлень, які в подальшому негативно впливають на точність та достовірність розрахунків при проектуванні теплоустаткування. В якості найбільш близького за технічною суттю вибраний спосіб візуалізації газового потоку (див. статтю Письменный Е.Н. Особенности течения и теплообмена в шахматных пучках поперечно-оребернных труб. Инженерно-физический журнал, 1991, т.60, №6, с.895-902) шляхом фіксації картини течії потоку сажогасовою сумішшю, що нанесена на поліровану і покриту білою емаллю робочу поверхню досліджуваного профілю. Цей спосіб, більш досконалий від способу-аналога, також має недоліки. Зокрема, важливе значення має співвідношення часток сажі і керосину в їх суміші для точного відображення картини течії газового потоку. Крім того, місце розташування часток сажі, при дії на них потоку, залежить також від класу чистоти поверхні, на яку вони нанесені. Якщо розміри складових рельєфу або мікронерівностей на робочій поверхні більші або близькі до розміру часток сажі, то частки сажі при дії на них потоку будуть затримуватися цими складовими рельєфу, тобто западинами і виступами, і тим самим вносити викривлення в картину течії. Цей клас чистоти повинен бути фізично обґрунтовано вибраний і в подальшому застосовуватися для повторення результатів досліджень і отримання точної картини течії газового потоку. В основу винаходу поставлено задачу створення способу візуалізації течії газового потоку, в якому нова послідовність операцій способу та встановлення концентрації часток сажі у гасі дозволили б забезпечити точність способу та відтворюваність результатів досліджень при його застосуванні. Поставлена задача вирішується тим, що в способі візуалізації течії газового потоку шля хом фіксації картини течії сажогасовою сумішшю, що нанесена на поліровану і покриту білою емаллю робочу поверхню досліджуваного профілю, згідно з винаходом, полірування робочої поверхні виконують до і після нанесення емалі, при цьому полірування робочої поверхні перед нанесенням емалі виконують за 6¸8 класом чистоти, після нанесення емалі за 7 класом чистоти, а сажогасову суміш перед нанесенням на робочу поверхню готують при концентрації сажі в гасі із розрахунку 1:9...11 (у вагови х частинах). Полірування робочої поверхні (або поверхні профілю, повернутої до газового потоку; якщо досліджуваний профіль або профіль, на якому необхідно отримати картину течії газового потоку, омивається потоком повністю, то і вся його поверхня є робочою) до і після нанесення емалі, причому полірування робочої поверхні перед нанесенням емалі виконують за 6¸8 класом чистоти, після нанесення емалі за 7 класом чистоти, дозволяє отримати розміри мікронерівностей на робочій поверхні (Rz), близьких до 6мкм, що менше розмірів часток технічної сажі (10¸20мкм), яку звичайно застосовують для візуалізаційних досліджень газових потоків. Це дозволяє при проведенні експериментального вивчення картини течії поблизу поверхні забезпечити вільне пересування часток сажі на робочій поверхні, які не гальмуються більшими за розміри часток сажі складовими рельєфу цієї поверхні, що, в свою чергу, не впливає на картину течії потоку. Полірування робочої поверхні тільки перед нанесенням емалі, як показали проведені досліди, не гарантує отримання потрібного кінцевого мікрорельєфу, тому що після полірування робочої поверхні, нанесення емалі і її висихання утворюється такий мікрорельєф на емалі, що досить суттєво відрізняється від мікрорельєфу поверхні без емалі в сторону збільшення розмірів мікронерівностей, в тому числі з'являються окремі дефекти емалевого покриття на локальних ділянках. В подальшому ці відмінності рельєфу емалі та поверхні, на яку вона нанесена, а також дефекти на емалі приводять до викривлення істинної картини течії газового потоку внаслідок того, що концентрація часток сажі в місці знаходження великих за розмірами складових рельєфу та дефектів буде залежати від розмірів западин та виступів на поверхні емалі на цих ділянках. Тобто нанесена на поверхню емаль не відтворює точно мікрорельєф робочої поверхні. З іншої сторони, робоча поверхня перед нанесенням емалі також повинна бути підготовлена шляхом шліфування з отриманням чистоти поверхні, близької до необхідної після фінішного шліфування вже самої емалі, так як низький клас чистоти поверхні до нанесення емалі не дасть змоги отримати кінцеву потрібну чистоту поверхні високої якості без наявності дефектів. В той же час, запропонована в даному технічному рішенні концентрація часток сажі в гасі дозволяє отримати якісну та достовірну картину течії при візуалізації газового потоку при умові наявності якісної робочої поверхні досліджуваного профілю обтікання. При малих розведеннях (гасу в суміші менше 9 вагових часток), коли густина суміші значна, картина течії потоку стає дуже насиченою, нечіткою, і мало або зовсім непридатною для адекватної інтерпретації картини течії. При великих розведеннях, коли густина суміші незначна (гасу в суміші більше 11 часток), картина течії на поверхні має настільки низьку контрастність та розмитість, що розрізнити і точно інтерпретувати окремі її деталі неможливо. Спосіб можна застосовувати для візуалізації течії газових потоків. Технічна суть та принцип дії запропонованого способу візуалізації течії газового потоку пояснюється кресленням. На фіг.1 зображений фрагмент досліджуваного профілю 1 у вигляді пластинчатого ребра тепловідвідного пристрою, на попередньо прошліфованій робочій поверхні якого 2 нанесений шар емалі 3, а поверх нього розміщений суцільний шар сажогасової суміші 4. На фіг.2 представлено візуалізовану за допомогою даного способу картину течії, яка формується при набіганні потоку на досліджуваний профіль 1 справа наліво. Перша за ходом потоку широка темна смуга 5 ілюструє відривання основного потоку з передньої торцевої кромки пластинчатого ребра. Наступна за нею більш світла ділянка 6 характеризує пристінну зворотну течію, що направлена проти напряму руху основного потоку. Ділянки 7 та 8, що знаходяться нижче по течії, відповідно визначають області приєднання потоку, що відірвався, та наступного розвитку пограничного шару на поверхні ребра 1. Вузька темна смуга 9, яка розміщена на кормовій ділянці пластинчатого ребра 1, відображає слід зони відривання потоку із задньої торцевої кромки пластинчатого ребра 1. При реалізації способу виготовлений, наприклад, з алюмінію марки АДО профіль 1 (див. фіг.1) у вигляді, наприклад, пластинчатого ребра, шліфують з однієї із сторін 2 за 6¸8 класом чистоти і знежирюють за відомою технологією (див., наприклад, книгу Черепнин Н.В. Основы очистки, обезгаживания и откачки в вакуумной технике. - М.: Советское радио, 1967. -408с.). На підготовлену таким чином робочу поверхню, яка надалі буде встановлена у газовий потік, наносять шар білої емалі 3. Після висихання шару емалі 3 його шліфують за 7 класом чистоти, очищують та знежирюють по одній з відомих методик. Готують сажогасову суміш при співвідношенні сажа/гас, як 1/9...11 (у вагови х частинах), ретельно їх перемішують та наносять тонким шаром 4 на шар емалі 3. Далі розміщують профіль 1 в пристрій (наприклад, аеродинамічну трубу), який утворює направлений газовий потік так, що буде омивати робочу поверхню 2. Пропускають газовий потік і отримують на шарі емалі 3 робочої поверхні 2 профілю обтікання 1 картину течії потоку шля хом розташування часток сажі по лініях течії потоку, що безперешкодно переміщуються по шліфованій поверхні білої емалі. Чорні частки сажі чітко виділяються на білому фоні шару 3 і дають контрастну картину течії потоку (див. фіг.2). В даному випадку при дослідженні течії у короткому плоско-паралельному каналі прямокутного перерізу, що утворений поверхнями сусідніх ребер, а також основи та стінки робочої ділянки аеродинамічної труби, були отримані 4 характерні області при швидкості повітряного потоку 10м/с, з яких на ділянці 5 відображені лінії руху вихрової стр уктури, що виникла внаслідок динамічної взаємодії відривного потоку на вході профілю 1; область 6 характеризує пристінну зворотну течію, поверхневі лінії якої закінчуються на області 5; область 7 характеризує місце, де відривний потік повторно приєднується до поверхні профілю 1, причому положення цієї області та її протяжність залежать від швидкості набігаючого потоку: при збільшенні швидкості обдування ділянка 7 зміщується вниз за течією; область 8 є відображенням картини формування та розвитку пограничного шару; остання область 9 характеризує картину сходу потоку із задньої торцевої поверхні пластинчатого ребра при даній швидкості газового потоку. В якості досліджуваного профілю можуть використовуватися плоскі пластини, криволінійні поверхні елементів різноманітних пристроїв, що омиваються газовим потоком, різні типи поодиноких ребер або оребрених поверхонь. Виготовлений за пропонованим способом профіль обтікання у вигляді пластинчатого ребра, за допомогою якого досліджена картина течії повітряного потоку у короткому плоскопаралельному каналі прямокутного перерізу. В результаті проведених візуалізаційних дослідів було встановлено наступне (див. фіг.2): - частки сажі розташовуються вздовж ліній току під дією руху повітряного потоку і фіксують картину течії потоку на поверхні; - ділянки з більшою або меншою концентрацією часток сажі характеризують відповідно меншу або більшу швидкість потоку, а отже характеризуються різною концентрацією забарвлення і, відповідно, різними типами течії; - концентрація часток сажі на ділянках відривання потоку має темне забарвлення; - ділянки, де потік приєднується до поверхні пластинчатого ребра (після його попереднього відривання) і де формується пристінний пограничний шар, що розвивається, характеризується більш рівномірним розподілом часток сажі по поверхні ребра.