CC BY
185
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Т о м IV 1 9 7 3 М3
УДК 629.7.018.1:539.198.08
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ИНТЕНСИВНОСТИ ПОТОКА В МОЛЕКУЛЯРНОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОРМОЖЕНИЯ
И. Д. Вершинин
Приведены результаты экспериментального определения зависимости интенсивности потока в молекулярной аэродинамической трубе от расстояния между соплом и скиммером при различных температурах торможения (293—1033 К) и показано, что при неизменном расходе через сопло увеличение температуры торможения приводит к существенному увеличению интенсивности потока.
Основными параметрами потока в молекулярной аэродинамической трубе являются интенсивность (т. е. число молекул, пересекающих единицу площади поверхности, нормальной к потоку, в единицу времени) и средняя скорость. К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал о влиянии различных факторов на эти параметры [1]. Однако большая часть работ, в которых получен этот материал, выполнялась без подогрева газа в форкамере, т. е. при комнатной температуре торможения. В то же время очевидно, что, увеличивая температуру торможения, можно увеличить среднюю скорость потока в молекулярной аэродинамической трубе. Кроме того, предварительный подогрев газа необходим для предотвращения конденсации на начальном участке тракта молекулярной трубы — в сверхзвуковой струе, истекающей в вакуум. В связи с этим возникает вопрос о влиянии температуры торможения Т0 на интенсивность потока в молекулярной аэродинамической трубе.
Влияние величины Т0 на величину оптимального расстояния между соплом и скиммером молекулярной трубы исследовалось в работе [2], а ее влияние на интенсивность — в работе [3], где приведены данные об изменении интенсивности в зависимости от Т0 при постоянном давлении в форкамере р0. Следует отметить, что изменение 7q при р0 = const влечет за собой изменение расхода газа через сопло. При этом изменяются давление остаточного газа в камерах трубы („фон") и поток молекул, отраженных от скиммера, т. е. те факторы, которые сами по себе оказывают существенное влияние на интенсивность. Принимая во внимание отсутствие в настоящее время способов расчета воздействия названных факторов на молекулярный поток, приходится констатировать, что выявление влияния на интенсивность собственно температуры Т0 по результатам измерений интенсивности при ро — const оказывается затруднительным.
Для того чтобы избежать побочных эффектов при решении вопроса о влиянии температуры Т0 на интенсивность молекулярного потока, представляется целесообразным проведение измерений не при />0 =const, а при неизменном расходе газа через сопло. В этом случае достигается постоянство давлений остаточного газа. Кроме того, можно ожидать, что практически постоянными останутся расход газа в сечениях струи на участке между соплом и скиммером
и вследствие этого поток молекул, отраженных от скиммера. На основании приведенных соображений при проведении настоящей работы интенсивность потока измерялась при и постоянном расходе газа через сопло.
Эксперименты были выполнены в молекулярной аэродинамической трубе, схематическое изображение которой вместе с устройством для измерения интенсивности потока (детектором), описанным в работе [4], представлено на фиг. 1.
В опытах использовались сужающееся звуковое сопло с диаметром критического сечения я!0=1,1 мм, конический скиммер с диаметром входного отверстия 2,9 мм, наружный и внутренний углы которого составляли соответственно 70° и 50°, и конический коллиматор с диаметром входного отверстия 2,7 мм.
/—форкамера; 2—многорубашечный кий нихромовый подогреватель; 3-пара; '/—звуковое сопло; 5—скиммер;
лиматор; 7—детектор
Фиг. I
Расстояние между скиммером и коллиматором составляло 47 мм. Входное сечение насадка детектора (диаметром 0,76 мм) находилось на расстоянии 290 мм от коллиматора.
В экспериментах определялись зависимости интенсивности J от расстояния между соплом и скиммером х01 при различных значениях Т0 и, как уже указывалось, неизменном расходе рабочего газа через сопло. Практически это осуществлялось следующим образом. При отключенном подогревателе при помощи натекателя устанавливали некоторое давление в форкамере р0 и определяли зависимость J(х<у\). После этого включали подогреватель и повышали температуру до некоторого значения 7"0. Расход газа через натекатель (и, следовательно, через сопло) при этом не изменялся, а давление р0 увеличивалось пропорционально \Z~Tq . Определяли зависимость J (хт) при новых значениях Т0 и р0. Затем, увеличивая ток в подогревателе, устанавливали новое значение То, вновь определяли зависимость J(хм) и т. д. В качестве примера полученных таким образом результатов на фиг. 2 приведены зависимости интенсивности J потока молекул азота от x0l=xM/d0 при постоянном расходе газа через сопло, равном расходу при/>0=2,67-104 Па и 7'0 = 293 К. Анализ этих зависимостей показывает, что при повышении температуры Т() вид зависимостей J (х0]) остается неизменным и совпадает с видом таких зависимостей, неоднократно наблюдавшимся ранее (см., например, [1]). Можно заметить также, что расстояние хои при котором достигается максимальное (при Т0= const) значение интенсивности ima*. слабо зависит от температуры Т0. Этот результат качественно согласуется с результатами, полученными в работе [2]*.
Наиболее же важный вывод, который может быть сделан на основании проведенных экспериментов, состоит в том, что увеличение температуры торможения приводит к значительному увеличению интенсивности потока в молекулярной аэродинамической трубе. Так, при изменении Т0 от 293 до 1033 К (см. фиг. 2) интенсивность Утах увеличивается более чем в 4 раза.
Столь сильная зависимость интенсивности от температуры Г0 явилась несколько неожиданной. Действительно, с увеличением температуры Т0 при постоянном расходе через сопло приближенно можно считать, что в каждом сечении струи скорость газа увеличивается пропорционально У ?о. плотность уменьшается
пропорционально —------- и, следовательно, расход в этом сечении не зависит от
V То
/0. В связи с этим казалось бы естественным предположить, что измеряемая интенсивность, пропорциональная удельному расходу на больших расстояниях от соп-
* Из приведенной в работе [2] эмпирической формулы, определяющей x01 opt для молекулярного потока аргона, следует, что при постоянном расходе через сопло при изменении Та расстояние jc01 0pt изменяется незначительно.
ла, также должна слабо зависеть от температуры Т0. Поскольку, однако, имеет место сильная зависимость интенсивности от Т0, возникает вопрос о том, не связана ли, несмотря на приведенные выше элементарные рассуждения, указанная зависимость с изменением расхода газа через скиммер М. Для решения этого вопроса были проведены специальные измерения расхода М в условиях, идентичных условиям, в которых были получены зависимости J (л0\) (см. фиг. 2). Результаты этих измерений представлены на фиг. 3.
КО
0,5
ОГН ed • Г0* 293/1 ° 573Н * в73М ° 103зл
д
У
л
•. О 9 8*
• и 8 3
30
Фиг. 3
Анализ данных, приведенных ка фиг, 3, й сравнение их с данными фиг. 2 показывают, что зависящее от велйчины То относительное изменение расхода через скиммер существенно меньше относительного изменения интенсивности.
Учитывая, что в соответствии со сложившимися к настоящему времени представлениями [1] ослабление интенсивности потока в молекулярной трубе обусловлено в основном рассеянием молекул струи на молекулах остаточного газа („фона") на участке сопло — скиммер и молекулах, отраженных от скнм-мера, полученный результат можно объяснить следующим образом. При увеличении температуры Т.о ^увеличивается скорость, ^молекул струи относительно рассеивающих молекул. ;В,свою очередь., увеличение этой скорости приводит к уменьшению, аффективного, сечения межмолекулярных столкновений и, следовательно, к ■ увеличению : интенсивности. При этом из-за того, что отношение угловых размеров детектора, и скиммера (характеризуемых углами, под кото-' рыми видны входные отверстия детектора, и скиммера из центра критического; сечения сопла) существенно меньше единицы, влияние межмолекулярных столкновений на величину интенсивности значительно больше, чем их влияние на величину расхода, через, скиммер. .. . . . ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Андерсон Д., Андрес Р->- Ф е н Д. ’Молекулярные пучки, получаемые *}1 помощью сверхзвукового сопла. В сб. „Исследования т. моЛекулярйыми пучкамй". М., „Мир", 1969.
2. GoveTS'T. R., Le Roy R. L., Deckers J. M. The concurrent 'effects of 'skimmer interactions and background scattering on the intersity lof a supersonic molecular beam. Rarefied Gas Dynamics, Proc. 6-th Symp.; voK'2. New York— London, Acad. P^ss, 1969.
3. Schiigerl K- Investigations and applications of supersonic mole-
cular beams. Rarefied Gas Dynamics, Proc. 6 th Symp., vol. 2. New York— London, Acad.‘Press, 1969. . ■
4. Боров к d в И. С., Вершинин И. Д., П а в л о'в Э. П., С а н-кович В. М. К определению парциальных йнтенсивностей компонентов молекулярного потока. „Журнал прикладной мехаиики и технической физики", 1968, № 5.
9 — Ученые записки ЦАГИ № 3
Рукопись поступила 5/ VI 1972 г.
№
