Анализ работы расходного диффузора трансзвуковой аэродинамической трубы с нерегулируемой перфорацией стенок рабочей части Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

_________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

Том XXXII 2 001

№3—4

УДК 533.6.071.4

АНАЛИЗ РАБОТЫ РАСХОДНОГО ДИФФУЗОРА ТРАНСЗВУКОВОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЫ С НЕРЕГУЛИРУЕМОЙ ПЕРФОРАЦИЕЙ СТЕНОК РАБОЧЕЙ ЧАСТИ

3. Г. Пасова

Приведены результаты экспериментального исследования расходного диффузора трансзвуковой аэродинамической трубы с нерегулируемой перфорацией стенок рабочей части в виде круглых отверстий и в виде продольных щелей. Получена зависимость длины расходного диффузора от коэффициента проницаемости стенок рабочей части.

Обтекание модели в трансзвуковой рабочей части аэродинамической трубы, а также получение в рабочей части с дозвуковым соплом чисел М, больших 1, обеспечивается перетеканием некоторого количества газа через перфорированные стенки рабочей части в окружающую ее камеру. Газ, вытекающий в камеру, или втекает снова в основной поток через уступ в конце рабочей части (работа с автоотсосом), или отсасывается из камеры с помощью специальной системы (работа с отсосом). Первая схема намного проще, чем вторая, и целый ряд аэродинамических труб работают по схеме с уступом. Но схема трубы с отсосом имеет ряд преимуществ, основные из которых — уменьшение потерь полного давления в трубе и увеличение максимального допустимого угла атаки модели.

В нашей стране первой промышленной аэродинамической трубой с отсосом была труба Т-128 ЦАГИ, введенная в строй в 1983 г. Труба Т-128 имеет диапазон чисел М от 0,15 до 1,7 и рабочую часть квадратного сечения с размерами 2,75 х 2,75 м. Поток в трубе создается компрессором с приводом мощностью 100 ООО кВт. Отсос воздуха из камеры, окружающей рабочую часть, производится с помощью двух компрессоров, суммарная мощность приводов которых равна 45 ООО кВт.

Проектирование трубы Т-128 началось в 1965 г. К этому времени отечественных материалов по трубам с отсосом не было. Весьма мало было и соответствующих зарубежных материалов [1]. В связи с этим были прове-

дены обширные экспериментальные исследования модели рабочего тракта трубы Т-128. Испытания проводились О. В. Лыжиным и 3. Г. Пасовой с 1972 по 1978 г. Анализ результатов этих исследований приведен в работе [2]. Ниже изложены некоторые результаты этой работы.

Потери полного давления в трубе характеризуются обычно коэффициентом восстановления полного давления V = р0в/, где р0в —полное

давление в конце выхлопного диффузора трубы, а — давление в фор-

камере. При работе с отсосом величина V при неизменном числе М в рабочей части зависит не только от формы и относительных размеров элементов трубы, как при автоотсосе, но и от значения коэффициента отсоса к ~ “£7отс/Сгр.ч, где Сотс и Срч — величины массового расхода газа через систему отсоса и через сопло основного тракта трубы. С ростом к при неизменном числе М величина V возрастает. При этом значения V при работе с отсосом могут быть значительно выше, чем при работе с уступом, что приводит к снижению потребной степени сжатия и, следовательно, потребной мощности привода основного компрессора трубы. Однако отсос газа из рабочей части требует дополнительных затрат мощности. Тем не менее, как показывают расчеты, проведенные при проектировании трубы Т-128 с учетом результатов работы [2], применение отсоса является выгодным. При неизменном давлении в форкамере суммарная потребная мощность основного компрессора и компрессоров отсоса при М=1,0—1,7 на 10—30% меньше потребной мощности основного компрессора при работе трубы с уступом.

В работе [2] приведен анализ результатов экспериментального исследования зависимости \=/{к) в трансзвуковом диапазоне чисел М. Показано, что при работе с отсосом снижение потерь полного давления в трубе с увеличением к объясняется появлением в конце рабочей части зоны повышенного давления, где за счет вытекания воздуха в камеру происходит интенсивное торможение потока. Эта зона была названа авторами расходным диффузором по аналогии с расходным соплом. Так называется, как известно, начальный участок перфорированной рабочей части, где происходит разгон потока за счет вытекания газа из рабочей части в камеру. Длина расходного диффузора увеличивается с ростом к при неизменной величине коэффициента проницаемости а или с уменьшением с при неизменной величине к.

В трубе с отсосом число М потока на входе в дозвуковой диффузор Мд меньше числа М в рабочей части Мрч. При этом восстановление полного давления в основном диффузоре трубы определяется не величиной Мрч, а величиной Мд. Поэтому, если построить для всех значений

Мр ч < 1 зависимость коэффициента V от величины Мд, все экспериментальные точки ложатся на единую кривую.

Экспериментальные исследования режимов работы трубы с отсосом, анализ которых приведен в работе [2], проводились с четырехсторонней

регулируемой перфорацией, имеющей прямые отверстия переменного сечения: со стороны потока диаметр отверстий равен 4,3 мм, а со стороны камеры — 3,5 мм. Регулирование проницаемости каждой из стенок рабочей части осуществлялось путем перемещения по ее поверхности пластины с точно такой же перфорацией, как на наружной стороне стенки. При этом коэффициент проницаемости а, равный отношению площади проходных сечений в отверстиях к общей площади стенки, изменялся от 0 до 20%. Такой вариант перфорации соответствует перфорации трубы Т-128.

Основные результаты испытаний с отсосом, полученные с регулируемой перфорацией и приведенные в работе [2], имеют общее значение. Однако на результаты испытаний оказали известное влияние специфическая форма отверстий перфорации и особенно —- возможность перетекания воздуха между стенкой рабочей части и регулирующей панелью. Последнее обстоятельство приводит к тому, что истинная величина коэффициента а, особенно при его малых значениях, может заметно отличаться от его номинальной (геометрической) величины, а это затрудняет (а иногда делает невозможным) количественный анализ течения в расходном диффузоре. В первую очередь это касается длины расходного диффузора. В связи с этим были проведены экспериментальные исследования трансзвуковой трубы с отсосом, при которых стенки рабочей части имели нерегулируемую перфорацию с отверстиями простой формы — в виде круглых отверстий и в виде продольных щелей. Результаты этих испытаний приведены в настоящей работе.

Испытания были проведены в 1982—1983 гг. Их результаты использованы в ряде работ, например, в [3]. Поэтому представляется целесообразным публикация исходных материалов.

1. Эксперимент проводился в аэродинамической трубе с размерами рабочей части 180 х 180 мм (рис. 1), работающей от воздушных баллонов с давлением 0,9—1 МПа. Сопла — плоские, сменные. Настоящие испытания проводились с дозвуковым соплом. Все четыре стенки рабочей части — сменные. Как уже было упомянуто, в данных испытаниях устанавливались стенки с нерегулируемой перфорацией. Испытывалось два вида перфорации: с круглыми отверстиями (круглая перфорация) и с продольными ще-

лями (щелевая перфорация). В первом случае круглые прямые отверстия распределены равномерно по поверхности стенки. Шаг перфорации для всех значений коэффициента проницаемости а — одинаковый, а диаметр отверстий изменяется от 2 мм при а = 5% до 4,9 мм при а-30% (рис. 2). При а = 5% и а =10% выходной участок канала отверстия перфорации расширен до 5 мм для уменьшения сопротивления канала, а при а = 20 и 30% канал перфорации имеет постоянное сечение. В случае щелевой перфорации продольные щели распределены равномерно по поверхности стенок.

Число щелей на верхней и нижней стенках равно 8, а на боковых — 9. Ширина щелей приведена в следующей таблице:

а, % Ширина щели, мм

верхняя и нижняя стенки боковые стенки

10 2 1,8

20 4 3,6

30 6 5,4

Боковые стенки рабочей части установлены параллельно, а верхняя и нижняя — под углом 0°30' для компенсации толщины вытеснения пограничного слоя. За рабочей частью располагается отсек, боковые стенки которого являются продолжением стенок рабочей части. Верхняя и нижняя стенки этого отсека имеют регулируемые створки, обеспечивающие работу как с уступом с максимальным значением 27% площади сечения рабочей части, так и без уступа. В последнем случае регулируемые створки образуют дозвуковой диффузор с полууглом раствора примерно 3,5°. Настоящие испытания проводились без уступа. За описанным отсеком располагаются переходник с прямоугольного сечения на круглое и дозвуковой диффузор с полууглом раствора примерно 3°. Рабочая часть трубы окружена камерой, из которой может производиться отсос воздуха с помощью одноступенчатого сверхзвукового эжектора. Для измерения расхода отсасываемого воздуха в тракте отсоса установлены сменные стандартные мерные сопла.

(5=5%

в=10%

#2,8

05

У/М і мн

в =30%

э

в Ш/А"'-

Рис. 2. Схема круглой перфорации

2. На рис. 3 приведены для примера экспериментальные зависимости коэффициента восстановления полного давления в трубе V от коэффициента отсоса к при Мр ч =0,8 для круглой и щелевой перфорации при различных значениях а. Для других значений Мр ч картина аналогична. Приведенные данные показывают, что общий характер зависимости V от к для обоих вариантов нерегулируемой перфорации такой же, как и для регулируемой ступенчатой перфорации. С увеличением к значение V возрастает. Для круглой перфорации в диапазоне изменения а = 5-5-20% значения V близки между собой. При ст = 30% значения V несколько ниже. Но с точки зрения устранения индукции при трансзвуковых скоростях, как показывает сложившаяся практика как в нашей стране, так и за рубежом, необходимо иметь величину а не более ~ 15—18 %. Для щелевой перфорации величины V для различных значений а отличаются между собой больше, чем для круглой перфорации. Но при сг = 10 и 20% это отличие находится в пределах Ау = 0,01, а для устранения индукции, как было указано выше, больших значений ст и не требуется. Величины V для круглой нерегулируемой перфорации на рис. 3 несколько (в пределах 0,01—0,02) выше величин V для регулируемой ступенчатой перфорации, полученных в работе [2], а для нерегулируемой щелевой перфорации практически совпадают с V по работе [2].

3. На рис. 4 и 5 приведено распределение относительного статического

— X

давления по длине рабочей части х =— (6= 180 мм, ширина рабочей час-

b

ти) при Мрч =1, к = const, a = var для круглой (рис. 4) и щелевой (рис. 5)

перфораций. Распределение давления по длине рабочей части для нерегулируемой перфорации имеет такой же характер, как и для регулируемой ступенчатой перфорации [2]. Отчетливо обнаруживается наличие расходного диффузора, длина которого при М = const и к=const уменьшается с ростом ст. Как было отмечено выше, при испытаниях с регулируемой ступенчатой перфорацией зависимость длины расходного диффузора Хр д от

величины к можно было оценить только качественно. Причина этого — неточность определения коэффициента ст, особенно при малых его значениях, из-за возможности перетекания воздуха между стенкой рабочей части и

Фф

0,п

0,70

0,6В

0,62

0,58

0,54

0,50

Круглая перфорация 4

• 0==f% МР.,=1;Л=0,12

«20 . * °

° 30% .. • ъ

| начало расходного диффузора • " ^ d °

! конец » » * • d

I •• V °

• • Ч> d

* о

• • V) 0

• * ^ g ^ о °

°ооо0ово0000 О0оо00°0 'б'о ° о О О о о (*■

О 0,5 1,0 7,5 2,0 2,5

Рис. 4

Щелевая перфорация

M„..4=1;k-0,J1 а

pfa 0,7f 0,70 0,66 0,62 0,58 0,54

0,50 О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 X

Рис. 5

*6 = 70% d

*> го% «

° 30%

| начало расходного диффузора ! конец ” ’’ сГ

o'

сГ

&

О

& ъ

о°00о°°0°ооо 0 о 0 о ° ° ° о о 0 0 ^ 'g'g о о О О

_________________I

Щелевая перфорация

Рис. 6 Рис. 7

регулирующей пластиной. Для нерегулируемой перфорации оказалось возможным определение зависимости длины расходного диффузора от коэффициента проницаемости стенок рабочей части а. На рис. 6 и 7 приведена полученная в результате экспериментального исследования нерегулируемой перфорации зависимость относительной длины расходного диффузора Ьрд = LpjJ Ьрц (Lp4 — длина рабочей части, равная 500 мм) от величины а для круглой и щелевой перфораций. Во всех случаях, в отличие от работы [2], экспериментальные точки при Мр ч = const и А = const ложатся

на гладкие кривые. При этом величина Lp д обратно пропорциональна величине с, что дает возможность экстраполировать экспериментальную зависимость £рд от а расчетным образом.

Приведенные на рис. 6 и 7 данные можно использовать для определения величины о, при которой расходный диффузор находится за пределами расположения модели. Для этого необходимо задать потребную величину 1рД, исходя из области расположения модели, и максимальную используемую величину к. Тогда искомое значение а определяется по графикам, приведенным на рис. 6, 7. При этом необходимо отметить, что

определенную указанным способом величину ст необходимо иметь лишь на конечном участке рабочей части, где располагается расходный диффузор. На основном участке рабочей части (до расходного диффузора) величина ст может быть любой. Ее, как правило, выбирают из условий устранения индукции.

Описанный здесь метод определения величины ст в конце рабочей части, при которой расходный диффузор находится за пределами модели, полностью был подтвержден экспериментом, результаты которого изложены в работе [3].

4. На рис. 8, 9 приведены для круглой и щелевой перфораций графики зависимости коэффициента V от величин Мд — числа М на входе в дозвуковой диффузор для значений Мр ч от 0,6 до 1 при различных величинах ст

и к. Так же, как и для регулируемой ступенчатой перфорации, для каждого варианта нерегулируемой перфорации все экспериментальные точки независимо от значений Мрч, ст и вложатся практически на единую кривую.

1,0

\>

Ьъъ Круглая перфорация

Ъ '**>'»***- & =5-30 %

0,9

0,8,

«Роо

О

00

о

ъ Мр.^0,6 0,8

о 1,0

л______________I____________I____________I____________I________—I______________I_____________I

’0,1 0,4- 0,6 О,В Мд

Рис. 8

1,0

0,9

0,8

Щелевая перфорация <Э=10~30°/а

а

О

о о

ъ Мр.ч —0,6 0,8

о 1,0

Л_________I_________I '________I________I________I

' 0,3 0,5 0,7 0,9 Мэ

1. Goethert В. Н. Transonic wind tunnel testing.— Oxford, 1961 (AGARD Ograph N 49).

2. Л ы ж и н О. В., П а с о в а 3. Г. Экспериментальное исследование расходного диффузора трансзвуковой аэродинамической трубы//Ученые записки ЦАГИ.— 1979. Т. X, № 4.

3. Ve г k h о v s к у V. P., L у z h i п О. V., P a s о v a Z. G. Evaluating analytically and experimentally the gas dynamics of transonic wind tunnels' With devices for air evacuation from plenum chamber//AGARD-CP-585.—■ 1997.

Рукопись поступила 30/XU 1999 г.