CC BY
87
УЧЕНЫЕ. ЗАПИСКИ Ц А Г И Т о м VII 197 6
№ 4
УДК 532.526. 011.6
ПРИМЕНЕНИЕ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ В ТЕПЛОВОМ АЭРОДИНАМИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ
М. М. Ардашева, М. В. Рыжкова
Приведены результаты измерений коэффициента теплоотдачи на телах различной формы с помощью плавящихся жидких кристаллов при числе М,,, = 5. Эти результаты сравниваются с результатами расчета измерений коэффициента теплоотдачи методом термоиндикаторных покрытий. Сравнение показывает возможность применения жидких кристаллов для измерения коэффициентов теплоотдачи на моделях в аэродинамических трубах.
Жидкие кристаллы нашли широкое применение в медицине и технике в качестве сверхчувствительного миниатюрного термометра благодаря их свойству изменять цвет при малых изменениях температуры и возможности измерения очень малых разностей температур на расстояниях, составляющих десятые доли миллиметра [1—3]. Эти свойства заманчивы для применения жидких кристаллов в аэродинамических исследованиях, например, для измерения коэффициента теплоотдачи на моделях сложной формы тем же путем, какой используется в методе термоиндикаторных покрытий [4, 5], и для изучения перехода пограничного слоя из ламинарного в турбулентное состояние.
Цвет жидкого кристалла зависит не только от температуры, но и от угла зрения, и от величины напряжения трения на рассматриваемом участке поверхности. Эти обстоятельства затрудняют получение надежных количественных данных по теплоотдаче и значительно усложняют проведение эксперимента. По-видимому, из-за этого жидкие кристаллы не нашли широкого применения в тепловом аэродинамическом эксперименте, и лишь в единичных работах приведены результаты, полученные с помощью жидких кристаллов [6—8].
При изучении свойств жидкокристаллических композиций было обнаружено, что некоторые жидкие кристаллы плавятся при строго определенной температуре ¿К) при плавлении становятся прозрачными и имеют очень четкую границу плавления. Этот факт во
многом снимает трудности применения жидких кристаллов в аэродинамическом эксперименте. Плавящиеся жидкие кристаллы дополняют большую серию термоиндикаторов плавления. Особый интерес для аэродинамических исследований представляют плавящиеся жидкие кристаллы, температура плавления которых меньше нижней границы критической температуры применяемых термоиндикаторов (¿К = 40°С). Такие жидкие кристаллы нужны для измерения коэффициента теплоотдачи на моделях в областях с низким уровнем тепловых потоков и для исследования теплообмена в трубах кратковременного действия, где изменения температуры поверхности модели за время эксперимента невелики.
Приведены некоторые результаты измерения коэффициента теплоотдачи на подветренной поверхности крыльев и полуконуса для иллюстрации возможности применения плавящихся жидких кристаллов в аэродинамических трубах и для выявления преимуществ и недостатков жидких кристаллов по сравнению с термоиндикаторными покрытиями.
Модели. Условия и методика испытаний. Для исследований использовались модели прямоугольной пластины, треугольного и круглого крыла, крыла с изломом передней кромки и полуконуса, изготовленные из текстолита. Вершина полуконуса и треугольного крыла, а также передние кромки крыльев были острыми. Рабочая поверхность моделей была плоской; от нее отсчитывался угол атаки. Углу атаки приписывался минус, когда плоская поверхность была подветренной.
Испытания проводились при числе Мга = 5, давлении торможения р0 = 8-Ю5Г1а и температурах торможения t0 = 120 -г- 250° С. Значения числа Рейнольдса, рассчитанные по параметрам невозмущенного потока и длине л —0,1 м, были равны (1,4-ь 0,95)-10е.
Измерения коэффициента теплоотдачи проводились методом термоиндикаторных покрытий, при этом использовался термоиндикатор плавления с критической температурой ¿к = 42° С и три жидкокристаллические композиции холестерического типа с температурами плавления — 29, 35 и 45°С, разработанные во ВНИИ монокристаллов (г. Харьков). Варьируя химический состав и процентное содержание компонентов, входящих в состав композиции, удалось получить набор жидких кристаллов, различающихся по температуре плавления на 1 — 1,5°С. Поскольку жидкие кристаллы впервые используются в аэродинамических исследованиях, кратко охарактеризуем их свойства и опишем некоторые стороны техники проведения эксперимента.
Выбранные жидкие кристаллы, как показали исследования на специальной градуировочной установке, при нагревании не дают цветовых переходов, а плавятся и имеют четкую границу плавления; на границе плавления цветная пленка жидкого кристалла становится прозрачной. Температура плавления не зависит от давления в исследованном диапазоне от МО5 до 13,3 Па, а положение границы не зависит от угла зрения. Отметим, что при слишком малых углах зрения теряется контрастность границы плавления, что необходимо учитывать при расположении кинокамеры, фиксирующей движение фронта плавления на модели в процессе испытаний. При воздействии сил трения пленка жидкого кристалла изменяет свой цвет, если напряжение трения превосходит определенную величину. В табл. 1 приведены значения температуры плавления жидких кристаллов, их первоначальный
цвет и цвет, приобретаемый при воздействии напряжений трения; расплавленная пленка прозрачна.
Жидкие кристаллы очень тонким слоем (приблизительно 1 мкм) наносятся на зачерненную поверхность модели. После ввода модели в поток на участках поверхности, где произошло плавление жидкого кристалла, видны области черного цвета. Заметим, что толщина слоя термоиндикаторов плавления не может быть менее 10 мкм. Возможность нанесения более тонких покрытий из жидкого кристалла является их преимуществом над термоиндикаторами плавления.
Таблица 1
¿к при р—105, °С Первоначальный цвет пленки (при ¿<7К) Цвет пленки при воздействии напряжения трения
29 Зеленый Голубой
35 Темно-голубой Зеленый
45 Зеленый Г олубой
Модель в процессе испытаний необходимо снимать на цветную пленку, и обработку результатов испытаний проводить по позитивной пленке. Это усложнение обусловлено тем, что выбранные жидкие кристаллы меняют свой цвет под влиянием сил трения. Изменение цвета жидкого кристалла затрудняет определение момента возникновения областей плавления по черно-белой кинопленке. На фиг. 1 приведены цветные фотографии подветренной поверхности крыла с изломом передней кромки для двух моментов времени т, а на фиг. 2 показана фотография подветренной поверхности треугольного крыла. По приведенным фотографиям можно судить о четкости и контрастности границ областей плавления и о положении областей, где действие напряжения трения изменило первоначальный зеленый цвет жидкого кристалла. Видно, что по четкости и контрастности фронта плавления жидкие кристаллы не уступают термоиндикаторам плавления. Опыт работы с плавящимися жидкими кристаллами показал, что во многих случаях возможно повторное использование покрытия из жидкого кристалла, что также является их преимуществом по сравнению с термоиндикаторами плавления.
В проведенных опытах полный или частичный унос жидкой пленки происходил в областях больших напряжений трения после прохождения через них фронта плавления. Поэтому необходим контроль за поведением жидкой пленки как в процессе испытаний, так и по киноматериалам.
Результаты измерений коэффициента теплоотдачи. В опытах на пластине жидкий кристалл с критической температурой ¿К=45°С и термоиндикатор плавления (¿к = 42°С) были использованы одновременно: на одну половину пластины был нанесен жидкий кристалл, на другую — термоиндикатор плавления. Значения коэффициента теплоотдачи, полученные с помощью жидкого кристалла, с точностью приблизительно +15% согласуются с результатами, полученными с помощью термоиндикатора, и с результатами расчета. »
Фиі. 2
Измерение коэффициента теплоотдачи на подветренной поверхности треугольного крыла проводилось при угле атаки а — = ~ 10°. Применялись термоиндикатор плавления с критической температурой ¿К = 42°С и жидкий кристалл, плавящийся при температуре ¿К = 29°С. Наряду с областями повышенного теплообмена, расположенными в окрестности плоскости симметрии и передних кромок (см. фиг. 2), на подветренной поверхности треугольного
Минаи
минимума
теплоотдача
' Ц -в.
* х: —*-£- Ц-
• измерение с помощью термоанданатора ±#= 42°С х+ ¡1 п жадного нрастал/га tJ^2S0C 111111
б)
Фиг. 3
крыла существуют области с низким уровнем значений коэффициента теплоотдачи. Точки локального минимума коэффициента теплоотдачи на фиг. 3, а объединены пунктирной линией. Значения относительного коэффициента теплоотдачи к, полученные вдоль линии минимума с помощью жидкого кристалла и термоиндикатора плавления, приводятся на фиг. 3, б (/г =/г/Лга, /г—значение коэффициента теплоотдачи, полученное из опыта, Лео —значение коэффициента теплоотдачи по расчету для пластины при ламинарном слое и нулевом угле атаки). В табл. 2 приведены результаты измерений наибольшего значения коэффициента теплоотдачи на подветренной поверхности (Лтах)тах, КОТОрОб ДОСТИГЭвТСЯ на линии симметрии на некотором удалении от вершины, и значение максимального коэффициента теплоотдачи Лшах в поперечном сечении, расположенном вблизи задней кромки.
Таблица 2
термоиндикатора или жидкого кристалла, °С О О п (^тах)т»х’ Вт/см2- град Лшах, в сечении х\Ь зг 1,0 Вт/см2-град
, 42 140 0,0222 0,0113
29 121 0,0225 0,0128
29 121 0,0225 —
По данным, приведенным в табл. 2 и на фиг. 3, б, можно судить о Хорошем соответствии результатов измерений с помощью жидкого кристалла и термоиндикатора плавления.
О —Ученые записки Л6 4
65
Исследования течения газа и теплообмена на круглом крыле показали, что на наветренной и большей части подветренной поверхности течение близко к двухмерному, и тепловой поток может быть приближенно рассчитан по методу полос. Однако по бокам крыла (вдали от его центра) при отрицательных углах атаки <х располагаются узкие продольные зоны повышенного теплообмена,
Фиг. 4
связанные с образованием концевых вихрей. Положение этих зон при различных углах атаки удобно характеризовать центральным углом 2<р (фиг. 4, а).
Для исследования теплообмена на круглом крыле были использованы как термоиндикатор плавления, так и жидкий кристалл. На фиг. 4, б приводятся значения угла <р, а на фиг. 4, в — наибольшие значения относительного коэффициента теплоотдачи ЛШах = = Лшах/Аоо, достигаемые на задней кромке крыла. Значения Лтах,
полученные с помощью термоиндикатора и жидкого кристалла, хорошо согласуются между собой.
Рассмотрим результаты измерений коэффициента теплоотдачи на подветренной поверхности крыла с изломом передней кромки при угле атаки а = —10° в месте падения головной волны на крыло. На фотографии модели, приведенной на фиг. 1, а, областям падения головной волны отвечают узкие продольные зоны черного цвета. Уровень теплоотдачи здесь будем характеризовать параметром /г1; который представляет собой отношение максимального значения коэффициента теплоотдачи Ьтзх, определенного в месте падения ударной волны, к значению коэффициента теплоотдачи для продольно обтекаемой пластины. Кроме того, введем параметр &2, который представляет собой отношение максимального коэффициента теплоотдачи, измеренного в месте падения ударной волны, к значению локального максимума коэффициента теплоотдачи в плоскости симметрии для поперечного сечения, проходящего через угловые точки. Значения параметров и 62, определенные с помощью термоиндикатора плавления и жидкого кристалла, приводятся в табл. 3.
Таблица 3
Опыты .. к2
С термоиндикатором 2 1,7
С жидким кристал- 2,14 2, 1
лом
Из табл. 3 видно, что результаты измерений с помощью жидкого кристалла и термоиндикатора близки.
На плоской поверхности острого полуконуса как при углах атаки ж>0, так и небольших положительных углах атаки (до а/Ь = 0,45, 0 — полуугол раствора при вершине) происходит значительное усиление теплообмена, связанное с отрывом потока у боковых кромок и последующим его присоединением. Линии присоединения (линии локального максимума теплообмена) пересекаются вблизи вершины и являются приблизительно прямыми (фиг. 5, а). Измерения коэффициентов теплоотдачи при углах атаки а = —25°,— 20°, —15° и —10° проводились как с помощью термоиндикатора, имеющего критическую температуру гк = 42°С, так и с помощью жидких кристаллов (¿к = 45 и 35°); при углах атаки
— 5° измерения проводились лишь с помощью термоиндикатора. На фиг. 5, б приводятся результаты измерений максимального относительного коэффициента теплоотдачи /гтах = ктах/к^ в поперечном сечении х/Ь = 0,5. Показаны средние значения Лтах, определенные из двух опытов, проведенных с термоиндикатором и жидким кристаллом (при о. — 10°), или из двух опытов с термоиндикатором (при а >- — 5°). Различие в результатах измерений с помощью жидкого кристалла и с помощью термоиндикатора получилось приблизительно таким же, как расхождение результатов измерений в двух опытах, проведенных с термоиндикатором плавления.
На основании проведенного исследования можно заключить, что плавящиеся жидкие кристаллы могут быть использованы как
максимума
теплоотдача
6)
Фиг. 5
термоиндикаторы для измерения коэффициентов теплоотдачи на моделях в аэродинамических трубах. При применении в трубах кратковременного действия плавящиеся жидкие кристаллы имеют ряд преимуществ по сравнению с термоиндикаторами плавления, разработанными ВНИИ люминофоров.
ЛИТЕРАТУРА
1. F erg a so n I. L. Liquid crystals. Scien Агаег., 1964. 211.
2. Сборник докладов первой научной конференции по жидким кристаллам. Иваново, АН СССР, 1972.
3. Шарон И. Цветная термография. „Наука и жизнь“, 1967,
№ 12.
4. Джонс, Хант. Использование чувствительных к изменению температуры покрытий для получения количественных данных о теплопередаче при аэродинамическом нагреве. „Ракетная техника и космонавтика“, 1967, № 7.
5. Ардашева М. М., .Боровой В. Я., Давлет-Киль-деев Р. 3-, Майкапар Г. И., Первушин Г. И., Рыжкова М. В. Применение термоиндикаторных покрытий в исследованиях теплообмена. Труды ЦАГИ, вып. 1692, 1972.
6. Klein Е. 1. Application of liquid grystals boundary-layer flow visualization. AIAA 3, Aerodynamic Testing Conference. San Francisco, California, April 8—10, 1968.
7. Инге p, Уильямс. Пограничный слой при дозвуковом и сверхзвуковом обтекании волнистой стенки. „Ракетная техника и космонавтика“, 1972, № 5.
8. Venneman D., Biitefisch К. A. Ober die Verwendung temperaturempfindlicher Kristalle bei aerodynamischen Untersuchungen. Deutsche Luft-und Raumfahrt Forschungsbericht 73—121.
Рукопись поступила 22/X11 1975 г.
