Новые подходы к газодинамическому эксперименту: модернизация учебно-лабораторного оборудования ФизМех

В богатой на сферы приложения и уникальные физические явления области механики жидкости и газа большое значение исторически уделяется исследованиям особенностей сверхзвуковых течений. В рамках соответствующих учебных курсов студенты Политеха выполняют теоретические оценки с привлечением одномерной модели течения идеального газа, проводят численное моделирование с использованием современных программных средств вычислительной гидрогазодинамики в двумерной и трехмерной постановках. Вместе с тем, для формирования полноценных представлений о физико-механических процессах освоение даже самых передовых расчетных методик крайне полезно сочетать с экспериментальными измерениями в аэродинамической лаборатории.

Одна из наиболее наглядных и востребованных на практике лабораторных установок – ударная труба, которая служит для создания кратковременных сверхзвуковых потоков. Ударная труба представляет собой длинный канал постоянного сечения, заглушенный с торцов и разделенный диафрагмой (клапаном) на камеру высокого давления и канал низкого давления. С помощью этой установки можно изучать процессы распространения и торможения ударных волн, их взаимодействия с волнами разрежения и контактными поверхностями.

Две атмосферные ударные трубы, в которых перепад давления на диафрагме создается за счет откачки газа из герметизированного канала низкого давления, активно используются при проведении лабораторных практикумов в ВШПМиВФ (ранее – на кафедре гидроаэродинамики) на протяжении многих лет. Существенную роль в создании и внедрении в учебный процесс данных экспериментальных установок сыграл доцент кафедры Руслан Леонидович ПЕТРОВ (1937-2013). Передовое на момент создания ударных труб измерительное оборудование к настоящему времени морально устарело, в связи с этим назрело решение задачи модернизации газодинамической лаборатории и оборудования в ее составе.

Работы по обновлению установок были выполнены под научно-методическим руководством заведующего лабораторией физической газодинамики Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе Павла Аркадьевича ПОПОВА. Ударные трубы были переоснащены современным регистрирующим оборудованием, включающим установленные в боковой стенке камеры низкого давления высокоточные датчики давления, согласующие усилители для датчиков давления, цифровые осциллографы и интегрированный с экспериментальным оборудованием персональный компьютер. Регистрация избыточного давления в камере низкого давления осуществляется при помощи пьезоэлектрических датчиков давления производства компаний PCB Piezotronics или GTLab. Верхняя граница регистрируемых частот составляет около 100 кГц, частота собственных колебаний датчиков – более 500 кГц.

Измерительное оборудование было закуплено Политехническим университетом в рамках программ создания и развития научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» и Передовой инженерной школы «Цифровой инжиниринг».

Одновременно с обновлением ударных труб была проведена модернизация экспериментального стенда, позволяющего оценить расходные характеристики отверстий и каналов при истечении воздуха из атмосферы в предварительно вакуумированную камеру большого объема.

Усовершенствование газодинамических установок открыло новые возможности для проведения лабораторных работ, в частности, для исследования реальных процессов, происходящих при распространении и торможении ударных волн, измерения скорости ударных волн и давления в потоке. Апробация установок была успешно проведена в ходе учебных занятий в весеннем семестре 2025 года, при этом преподавателями ВШПМиВФ были разработаны новые методики лабораторных измерений.

Помимо серии лабораторных работ для студентов, измерения в модернизированных ударных трубах были включены и в программу летней практики школьников Санкт-Петербургского губернаторского физико-математического лицея № 30. В новом учебном году обновленные установки будут использоваться во всех профильных лабораторных практикумах, реализуемых в ВШПМиВФ, а отработанные методические материалы будут оформлены в виде учебного пособия.