Донное давление трехмерных донных уступов при наличии реактивных струй Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Том XXXIX

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 20 0 8

№ 1 — 2

УДК 629.735.33.015.3:533.695.7

ДОННОЕ ДАВЛЕНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ ДОННЫХ УСТУПОВ ПРИ НАЛИЧИИ РЕАКТИВНЫХ СТРУЙ

Н. В. ГОЛОВИНА, Г. Н. ЛАВРУХИН

Исследовано распределение статического давления по овальному донному торцу кормовых частей гондол двигателей с двумя и четырьмя реактивными соплами, расположенными в ряд. Проведено сравнение с донным давлением эквивалентной осесимметричной кормовой части при наличии центральной реактивной струи. Показано, что на режимах истечения недорасширенных реактивных струй среднее донное давление хвостовых частей с несколькими звуковыми соплами выше, чем донное давление осесимметричной кормовой части с тем же отношением площади миделя Fм к суммарной площади критического сечения ^*.

Предложен коррелирующий параметр, позволяющий определить донное давление (и донное сопротивление) хвостовых частей с несколькими звуковыми соплами, расположенными в ряд, по известному донному давлению осесимметричной хвостовой части с центральной реактивной струей.

Одной из актуальных задач в области аэродинамики силовых установок летательных аппаратов является изучение донного давления хвостовых частей с реактивными струями. Расчетные исследования донного давления встречают известные трудности [1, 2]. Донное давление, полученное из численного решения уравнений Навье — Стокса, осредненных по Рейнольдсу, с соответствующими граничными условиями, может существенно отличаться от результатов эксперимента из-за модели турбулентности (например, [2]). В связи с этим основным методом исследования донного давления остается эксперимент.

Донное давление за осесимметричными телами при наличии реактивной струи изучено достаточно подробно [1—5]. Построены (работа [3] и ссылки к ней) эмпирические инженерные методики расчета донного давления за осесимметричными хвостовыми частями с центральной реактивной струей.

Донное давление неосесимметричных хвостовых частей изучено менее подробно. Имеются примеры [1—2, 4—7], показывающие, как могут влиять различные геометрические и газодинамические параметры. Изучено [6] донное давление за овальным цилиндром при отсутствии реактивных струй. Влияние реактивных струй на донное давление нескольких суживающихся хвостовых частей с различным расстоянием между двумя соплами и различной формой стекателя между ними рассматривается в работе [7]. Исследования донного давления уступа при наличии четырех реактивных сопл, расположенных в ряд, практически отсутствуют, хотя такой случай представляет интерес. Поэтому целью данного исследования было экспериментальное изучение донного давления овального цилиндрического уступа с несколькими соплами (двумя и четырьмя), расположенными в ряд.

Исследования проводились в аэродинамической трубе с отношением площади рабочей части к площади миделя, равным 16. Толщина турбулентного пограничного слоя на срезе цилиндрической хвостовой части диаметром £>м = 100 мм составляла 10 мм при М = 0.6 + 0.8, 20 мм при М = 2, 30 мм при М = 3. Числа Рейнольдса, определенные по диаметру миделя цилиндрической хвостовой части, в исследованном диапазоне чисел М были равны (1 + 2)106. Толщина погра-

Модель 1 Модель 2

V IV

Модель 3

Рис. 1

ничного слоя и значения чисел Рейнольдса оказываются достаточно большими и относятся к той области, где их влияние на донное давление относительно невелико. Поэтому их влияние на характеристики хвостовых частей подробно не рассматривалось.

Изучение донного давления проводилось с помощью серии моделей.

Исследованы три модели цилиндрических хвостовых частей с овальным поперечным сечением и одной и той же площадью миделя (рис. 1). Сопла каждой модели — звуковые. Модели № 1 и 2 имели по два сопла, модель № 3 — четыре сопла. Центры всех сопл расположены в горизонтальной плоскости симметрии. У моделей № 1 и 2 сопла находятся на одинаковом расстоянии от вертикальной плоскости симметрии, но имеют различные диаметры критического сечения. Площадь миделя , отнесенная к суммарной площади критического сечения сопл F, равна 10 для модели № 1 и составляет 2.49 для модели № 2. У модели № 3 сопла расположены на одинаковом расстоянии друг от друга в горизонтальной плоскости симметрии, а относительная площадь миделя Fм/F равна 5.1.

Срезы сопл у всех моделей совпадают с донным срезом кормовой части. Схемы расположения 20 дренажных отверстий для измерения донного давления и их номера приведены на рис. 1.

На рис. 2 приведены примеры зависимостей донного давления, отнесенного к давлению невозмущенного потока, от номера дренажной точки при различных числах М невозмущенного потока и нескольких значениях относительного полного давления пср в реактивных соплах. Давление в различных точках донного среза рд оказывается неодинаковым, но максимальная разность давлений в двух различных точках донного среза не превышает 10% от давления невозмущенного потока рте. Таким образом, согласно полученным данным величину донного давления компоновки с двумя или четырьмя соплами с точностью ±5% можно принять постоянной (осреднен-ной) по площади среза. Для оценки донного сопротивления можно использовать осредненную по площади величину донного давления.

Осредненная по площади донного среза величина донного давления исследованных моделей при отсутствии реактивной струи приведена на рис. 3 в зависимости от числа Маха невозмущенного потока. На этом же рисунке приведено донное давление за овальным цилиндром [6]. Длина Ь овального цилиндра [6] от места стыковки с державкой составляла два диаметра Д,

Рис. 2

1.5 2

Рис. З

Рис. 4

где £>э — диаметр кругового цилиндра той же площади поперечного сечения, что и у овального цилиндра. Относительная длина исследованного овального цилиндра Ь/Бэ равна 2.84. Донные давления всех моделей практически совпадают между собой и с донным давлением овального цилиндра [6], что свидетельствует о достоверности полученных результатов. Небольшое (5+7%) отличие донного давления моделей от донного давления за овальным цилиндром [6] при числе М, равном 2 и 3, связано, по всей вероятности, с влиянием стенок аэродинамической трубы.

Зависимости осредненного по площади относительного донного давления рд/р„ моделей от пср приведены на рис. 4. На нем же для сравнения представлены значения донного давления Рд/ Ргс цилиндрической кормовой части с одним центральным звуковым соплом по работе [3] с той же относительной площадью миделя Рм/Р, что и у исследованных моделей.

Сравнение результатов позволяет отметить два обстоятельства. Во-первых, характер изменения донного давления неосесимметричной компоновки с двумя или четырьмя соплами от Пср

качественно аналогичен характеру изменения донного давления осесимметричной кормовой части с центральной реактивной струей. Во-вторых, на режиме истечения недорасширенной реактивной струи, начиная с некоторого пср, осредненное донное давление компоновки с двумя или

четырьмя соплами выше (а донное сопротивление меньше), чем у осесимметричной кормовой части с центральной реактивной струей и той же относительной площадью миделя Рм / Р*.

Воздействие нескольких струй на течение в донной области можно заменить воздействием некоторой эффективной струи, площадь поперечного сечения которой больше суммы площадей поперечного сечения тех же отдельно взятых струй. Рассмотрим понятие эффективной площади критического сечения эквивалентного сопла Р*эф (рис. 5). Определим эффективную площадь как

сумму площадей критических сечений сопл и участков донного среза, расположенных между касательными к соплам. Касательные проведены так, как показано на рис. 5, из середин отрезков, соединяющих центры двух соседних сопл (заштрихованные участки на схеме моделей). Относи-

0.4 0.8

Рис. 5

тельные эффективные площади миделя исследованных моделей, полученные при использовании параметра ^*эф, указаны в таблице.

Модель 1 2 3

Fм/ F* 10 2.49 5.1

Fbi/F* эф 5.2 2.24 4.45

Определим относительное донное давление рд экв /р„ осесимметричной хвостовой части с одиночным соплом и той же эффективной площадью миделя FM/F*^ , что и у компоновки

с несколькими соплами, расположенными в ряд.

На рис. 5 представлено сравнение донного давления рдэкв/рте и измеренного донного давления рд изм Iр„, осредненного по площади донного среза, неосесимметричных компоновок

с двумя и четырьмя соплами (донное давление эквивалентной осесимметричной кормовой части определено по работе [3]). Видно, что имеет место удовлетворительное согласование измеренного донного давления и донного давления эквивалентной осесимметричной кормовой части.

Таким образом, введение и использование параметра F*^ позволяет по известному

донному давлению осесимметричной кормовой части с центральной реактивной струей определить донное давление (а следовательно, и донное сопротивление) неосесимметричной хвостовой части с несколькими соплами, расположенными в ряд.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты 06-01-00737 и 05-01-08090 офи-а).

ЛИТЕРАТУРА

1. ЛаврухинГ. Н., ТерентьеваА. В. Исследования течений за донным срезом тел, обтекаемых потоком газа // Обзор ОНТИ ЦАГИ. 1974. № 452.

2. ЛаврухинГ. Н., ШирокопоясЕ. П. Проблемы аэродинамики выходных устройств перспективных самолетов. Ч. II. Экспериментальные исследования реактивных сопл современных и перспективных самолетов // Обзор ОНТИ ЦАГИ. 1993. № 271.

3. Соколов В. Д. Донное давление на срезе осесимметричных тел с центральной реактивной струей // Ученые записки ЦАГИ. 1971. Т. II, № 4.

4. Глотов Г. Ф., Жохов В. А., Куканов Ф. А., Сойнов А. И., Кука-новаН. И. Исследование течений с газовыми струями // Обзор ОНТИ ЦАГИ. 1969. № 290.

5. Сопла воздушно-реактивных двигателей /// Обзор ОНТИ ЦАГИ. 1972. № 383.

6. ЛаврухинГ. Н. Внешнее сопротивление и донное давление хвостовых частей различной формы // Ученые записки ЦАГИ. 1975. Т. VI, № 3.

7. Maiden D. L., Runckel J. F. Effect of nozzle spacing on afterbody drag and performance of twin-jet afterbody models with convergent nozzles at Mach numbers up to 2.2 // NASA TM X-2099. 1970.

Рукопись поступила 24/V 2006 г.