Спосіб визначення густини теплового потоку твердого тіла в прозорому для інфрачервоного випромінювання рухомому середовищі

Реферат: Спосіб визначення густини теплового потоку твердого тіла в прозорому для інфрачервоного випромінювання рухомому середовищі включає задання умови однозначності процесу відносного руху твердого тіла в зазначеному середовищі. В аеродинамічній трубі розміщують модельне тверде тіло, за допомогою безконтактного ІЧ-приладу вимірюють початковий розподіл температури по поверхні модельного тіла та обчислюють початковий розподіл температури твердого тіла. Після цього забезпечують рух середовища в аеродинамічній трубі, за допомогою зазначеного ІЧ-приладу вимірюють розподіл поточної температури по поверхні модельного твердого тіла. Складають і розв'язують задачу нестаціонарної теплопровідності, обчислюють поточний розподіл температури твердого тіла та визначають густину теплового потоку по поверхні твердого тіла. UA 107147 U (12) UA 107147 U UA 107147 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до проектування та експлуатації пристроїв, призначених для руху в прозорому для інфрачервоного випромінювання рухомому середовищі (наприклад, літальних або спускних апаратів у щільних шарах атмосфери). Одним із важливих етапів проектування та експлуатації пристроїв, призначених для руху в прозорому для інфрачервоного випромінювання рухомому середовищі є визначення режимів руху цих пристроїв (зокрема швидкості та допустимої температури як на поверхні пристрою, так і всередині нього) за умови забезпечення потрібної надійності пристроїв. Тому визначення густини теплового потоку твердого тіла під час його руху в прозорому для інфрачервоного випромінювання середовищі, є вкрай важливою задачею. Відомий спосіб визначення густини теплового потоку твердого тіла в прозорому для інфрачервоного випромінювання рухомому середовищі, за яким на поверхню твердого тіла наносять шар термочутливої фарби, потім його розміщують в аеродинамічній трубі, забезпечують рух середовища в аеродинамічній трубі та за допомогою безконтактного приладу аналізують колір термочутливої фарби, після чого обчислюють густину теплового потоку [пат. США № 7069169, МПК G01K 11/12, опубл. 27.06.2006]. Недоліком цього способу є те, що шар термочутливої фарби, який наносять на поверхню досліджуваного тіла, змінює умови руху в середовищі (структуру й колір поверхні твердого тіла, теплопровідність, коефіцієнт поверхневого тертя тощо), що вносить певну похибку у визначення густини теплового потоку. Також відомий спосіб визначення густини теплового потоку твердого тіла в прозорому для інфрачервоного випромінювання рухомому середовищі, за яким тверде тіло споряджають датчиками густини теплового потоку, після чого його розміщують в аеродинамічній трубі, забезпечують рух середовища в аеродинамічній трубі та за допомогою датчиків визначають густину теплового потоку [Long Li, Xuejun Fan, Jing Wang. Measurements of Wall Heat Flux and Temperature in a Supersonic Model Combustor // 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit 31.06-03.08.2011, San Diego, California, USA. - 13 p.]. Недоліком цього способу є необхідність проведення експериментальних досліджень безпосередньо на твердому тілі, що істотно ускладнюється в разі його значних габаритів. Найближчим аналогом є спосіб визначення густини теплового потоку твердого тіла в прозорому для інфрачервоного випромінювання рухомому середовищі, за яким задають умови однозначності процесу відносного руху твердого тіла в зазначеному середовищі, складають і розв'язують задачу нестаціонарної теплопровідності та обчислюють температурне поле твердого тіла, після чого обчислюють густину теплового потоку, при цьому тверде тіло виконане у вигляді тонкої оболонки [Schülein E. Skin-Friction and Heat Flux Measurements in Shock/Boundary-Layer Interaction Flows // AIAA Journal. - 2006. - Vol. 44, N8. - P. 1732-1741]. На відміну від аналогів, що розглянуто, зазначений спосіб дає змогу теоретично (з мінімумом експериментально одержаних даних) визначати густину теплового потоку твердого тіла в прозорому для інфрачервоного випромінювання рухомому середовищі. Проте цим способом можна визначити густину теплового потоку твердого тіла обмеженого класу, а саме у вигляді тонкої оболонки, що істотно звужує можливості способу. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення способу визначення густини теплового потоку твердого тіла в прозорому для інфрачервоного випромінювання рухомому середовищі, який забезпечує визначення температурного поля твердого тіла, яке рухається в прозорому для інфрачервоного випромінювання середовищі за довільних форми й розмірів твердого тіла без проведення витратних експериментальних досліджень (матеріальних, енергетичних, часових та людських ресурсів) безпосередньо на твердому тілі, використовуючи при цьому допоміжний експеримент на модельному твердому тілі без застосування контактних інерційних датчиків та наступне числове моделювання процесу руху безпосередньо досліджуваного твердого тіла. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення густини теплового потоку твердого тіла в прозорому для інфрачервоного випромінювання рухомому середовищі, за яким задають умови однозначності процесу відносного руху твердого тіла в зазначеному середовищі, складають і розв'язують задачу нестаціонарної теплопровідності та обчислюють температурне поле твердого тіла, а також обчислюють густину теплового потоку, згідно з корисною моделлю, що перед розв'язанням задачі в аеродинамічній трубі розміщують модельне тверде тіло, а за допомогою безконтактного ІЧ-приладу вимірюють початковий розподіл температури по поверхні модельного тіла та обчислюють початковий розподіл температури твердого тіла, після чого забезпечують рух середовища в аеродинамічній трубі, за допомогою зазначеного ІЧ-приладу вимірюють розподіл поточної температури по поверхні модельного твердого тіла, обчислюють поточний розподіл температури твердого тіла та визначають густину теплового потоку по поверхні твердого тіла. 1 UA 107147 U 5 10 15 Пропонований спосіб за умови проведення нетривалих допоміжних експериментальних досліджень модельного твердого тіла в аеродинамічній трубі дає змогу застосувати отримані дані для визначення густини теплового потоку вже безпосередньо цільового твердого тіла. Такий підхід істотно заощаджує матеріальні, енергетичні, часові та людські ресурси, які витрачаються на складні експериментальні дослідження безпосередньо на цільовому твердому тілі. Так, для визначення густини теплового потоку твердого тіла в прозорому для інфрачервоного випромінювання рухомому середовищі дотримуються такої послідовності дій. Перш за все задають умови однозначності процесу відносного руху твердого тіла в зазначеному середовищі та складають задачу нестаціонарної теплопровідності. Потім в аеродинамічній трубі розміщують модельне тверде тіло (бажано виготовлене з матеріалу й зі станом поверхні, подібними до цільового твердого тіла), за допомогою безконтактного ІЧ-приладу вимірюють початковий розподіл температури по поверхні модельного тіла та обчислюють початковий розподіл температури твердого тіла. Потім забезпечують рух середовища в аеродинамічній трубі, за допомогою зазначеного ІЧ-приладу вимірюють розподіл поточної температури по поверхні модельного твердого тіла під час його обтікання потоком середовища. Розв'язуючи задачу нестаціонарної теплопровідності h      T T  , t T де  - оператор Гамільтона; h   c p T dT - масова ентальпія; T - абсолютна температура; 0 30 t - час;  - коефіцієнт теплопровідності, обчислюють поточний розподіл температури твердого тіла. Далі на кожному часовому рівні визначають нормальну складову густини теплового потоку на поверхні тіла qn qn  n  q   TT , де n - зовнішня нормаль до поверхні тіла; q - вектор густини теплового потоку. З використанням даних з qn обчислюється розподіл числа Стентона St по поверхні тіла на кожному часовому рівні за формулою qn , St  Wc p T  Tw  де qn - нормальна складова густини теплового потоку на поверхні тіла;  - густина зовнішнього потоку; V - швидкість зовнішнього потоку; c p  - масова ізобарна теплоємність 35 зовнішнього потоку; T - температура зовнішнього потоку; Tw - температура на поверхні твердого тіла. На підставі визначеного критерію Стентона та характеристик рухомого середовища визначають коефіцієнт тепловіддачі досліджуваного твердого тіла, скориставшись залежністю St   / c pW , 20 25   де  - коефіцієнт тепловіддачі від середовища в аеродинамічній трубі до поверхні модельного твердого тіла; c p і  - питома масова ізобарна теплоємність і густина середовища, 40 45 відповідно; W - швидкість середовища. Це дає можливість теоретичного визначення розподілу густини теплового потоку (температури) в досліджуваному твердому тілі із застосуванням граничних умов третього роду. Пропонований спосіб дає змогу визначити температурне поле рухомого твердого тіла довільних форми й розмірів без проведення витратних експериментальних досліджень безпосередньо на зазначеному твердому тілі, використовуючи лише результати допоміжного експерименту на модельному твердому тілі та наступне числове моделювання процесу руху безпосередньо досліджуваного твердого тіла. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 Спосіб визначення густини теплового потоку твердого тіла в прозорому для інфрачервоного випромінювання рухомому середовищі, за яким задають умови однозначності процесу відносного руху твердого тіла в зазначеному середовищі, складають і розв'язують задачу нестаціонарної теплопровідності та обчислюють температурне поле твердого тіла, обчислюють 2 UA 107147 U 5 густину теплового потоку, який відрізняється тим, що перед розв'язанням задачі в аеродинамічній трубі розміщують модельне тверде тіло, за допомогою безконтактного ІЧприладу вимірюють початковий розподіл температури по поверхні модельного тіла та обчислюють початковий розподіл температури твердого тіла, після чого забезпечують рух середовища в аеродинамічній трубі, за допомогою зазначеного ІЧ-приладу вимірюють розподіл поточної температури по поверхні модельного твердого тіла, обчислюють поточний розподіл температури твердого тіла та визначають густину теплового потоку по поверхні твердого тіла. Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3