Экспериментальное исследование потерь полного давления при повороте сверхзвукового потока на большой угол в криволинейных каналах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Т о м II 197 1

М 2

УДК. 533.695.5.011.5

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕРЬ ПОЛНОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ПОВОРОТЕ СВЕРХЗВУКОВОГО ПОТОКА НА БОЛЬШОЙ УГОЛ В КРИВОЛИНЕЙНЫХ КАНАЛАХ

И. И. Амарантова, В. С. Садовский, Г. И. Таганов, В. И. Шустов

Исследованы поля полного давления на выходе из криволинейных каналов большого удлинения (отношение длины канала к высоте сечения канала порядка 20), обеспечивающих поворот сверхзвукового потока (число Мм = 3 на входе в канал) на большой угол (72° — 80°). Определены поля чисел М2 в выходном сечении канала и поля коэффициента восстановления полного давления для трех различных геометрических форм каналов,

1. Исследованию течений в криволинейных каналах, осуществляющих поворот потока на большой угол, посвящено большое число экспериментальных и теоретических работ. В случае малых дозвуковых скоростей потока на входе в канал физическая картина течения и влияние геометрических параметров на свойства течения и, в частности, на важную для технических приложений величину потйрь полного давления внутри криволинейного канала достаточно хорошо изучены. Иначе обстоит дело в случае сверхзвуковой скорости на входе в канал.

Имеются лишь отдельные экспериментальные результаты, полученные для частных случаев геометрии каналов при числе Мое ~ 1,0-:- 1,7. Теоретические исследования поворота сверхзвукового потока в плоских криволинейных каналах в рамках теории идеального сжимаемого газа дают результаты, согласующиеся с наблюдаемыми только в случае малых относительных удлинений каналов. При увеличении удлинения канала до 15—20 пограничные слои на стенках канала вторгаются в область ядра течения и течение приобретает сложный пространственный характер с переменной величиной энтропии во всем течении. Единственным средством исследования такого сложного течения, доступным в настоящее время, является эксперимент. В [1, 3] рассмотрен предельный случай схемы, позволяющей объединить процессы создания тяги и подъемной силы при гиперзвуковых скоростях. Существенным

Элементом схемы является Поворот сверхзвукового потока на большой угол в решетке профилей. В связи с этим важное значение приобретает вопрос о величине коэффициента восстановления давления для сверхзвукового потока, заторможенного во внешнем, близком к изоэнтропическому, течении около центрального тела, при прохождении его через решетку, представляющую собой систему криволинейных каналов.

В настоящей работе исследуется течение в изолированных элементах решетки профилей — в криволинейных каналах, имеющих различные сечения по длине канала при скорости на входе в канал, соответствующей числу М=3.

2. Экспериментальное исследование поворота сверхзвукового потока на большие углы проведено на моделях трех криволинейных каналов с круглым и прямоугольным поперечными сечениями. Удлинение канала с круглым сечением составляло 18 калибров внутреннего диаметра входного сечения, а плоского канала — примерно 22 высоты tx входного сечения, перпендикулярного набегающему потоку.

Канал с круглым поперечным сечением поворачивал поток на угол 80°. Внутренний диаметр d поперечного сечения канала равномерно возрастал от 16 мм во входном сечении до 18 мм в выходном. Плоскость входного сечения канала была перпендикулярна осевой линии канала, являющейся дугой окружности радиусом R 191) мм.

В плоских криволинейных каналах поворот потока осуществлялся на угол 72°. Исследовалось два варианта плоских каналов. В первом варианте криволинейные стенки имели одинаковый радиус кривизны, равный 204,1 мм. Во втором варианте криволинейные стенки канала являлись дугами концентрических окружностей радиусами /?, = 204,1 мм и R¿ = 216, 3 мм. В обоих вариантах плоскость входного сечения канала составляла угол f = 36° с плоскостью, перпендикулярной набегающему потоку. Отношение ширины

Ь 0 7

канала к высоте его входного сечения равнялось -^— = 3,7.

íj

Передние кромки стенок всех трех каналов были заострены. . Исследование проводилось в аэродинамической трубе, рабочая часть которой имела камеру Эйфеля. Модель криволинейного канала устанавливалась в рабочей части таким образом, что входное сечение канала находилось в равномерном потоке, а выходная его часть располагалась вне потока в камере Эйфеля, однако на достаточном удалении от стенок трубы, чтобы избежать их влияния на течение в каналах. Модель-канала закреплялась на державке так, что его криволинейная ось находилась в вертикальной плоскости; направление невозмущенного потока совпадало с направлением касательных к внутренней поверхности криволинейных стенок во входном сечении каналов, а плоскость выходного сечения была горизонтальна (фиг. 1).

Исследования проводились при числе Моо = 3 в рабочей части трубы. Давление и температура воздуха в форкамере трубы имели следующие значения: /?0 = 5 -г- 6 ama, Т0 = 15°С. Числа Рейнольдса, вычисленные по параметрам невозмущенного потока и длине криволинейных каналов, равнялись 12-106 и 9•10е соответственно для вариантов с круглым и прямоугольным поперечными сечениями.

3. Для. определения коэффициента восстановления полного давления при повороте сверхзвукового потока в канале измерялось

С/пел на камеры Зйфеля

ч

'•Держабщ

0сь paiavea vacma /пру far Ох на лриЯара Геллера

К манометру

HiaasiiMiiiH....

- ■

Фиг. 1

Фиг. 2

давление н его выходном сечении. Измерение полного давления в случае дозвукового потока и давления за прямым скачком в сверхзвуковом потоке производилось насадком, который имел круглое приемное отверстие с внешним диаметром 0,8 мм и внутренним 0,6 мм. Входная часть насадка имела плоский срез и была раззенкована под углом 90°. При измерении поля давлений насадок перемещался с помощью микрокоординатника, установленного на внешней стенке рабочей части трубы, от одной стенки выходного сечения канала до другой, противоположной, в направлении невозмущенного потока (ось я), с шагом 0,5 — 2 мм при фиксированной боковой координате z. Насадок в сечениях 2—const устанавливался путем поворота его в плоскости х = const, перпендикулярной направлению невозмущенного потока. В результате такого поворота насадок составлял некоторый угол <р с направлением вектора скорости потока в выходном сечении канала. Наибольшее значение этого угла в крайних сечениях составляло для каналов с круглым и прямоугольным поперечными сечениями 4°,5 и 13° соответственно. Известно [2], что насадок описанного типа в указанном диапазоне углов поворота при измерении давления вносит малую погрешность, не превышающую 1%.

Для измерения статического давления на расстоянии ;—2 мм от плоскости выходного сечения были расположены дренажные отверстия диаметром 0,5 мм: три — для канала с круглым сечением и шесть (по три на ближней и дальней по отношению к набегающему потоку стенках выходного сечения) — в каналах с прямоугольным сечением. Одно контрольное дренажное отверстие для измерения статического давления было сделано в передней части канала с круглым сечением на расстоянии ~11 мм от входного сечения. Все измерения давления производились манометрами типа ГРМ.

Во время эксперимента картина течения у входного сечения канала фотографировалась теневым прибором Теплера.

4. В процессе исследования течения при повороте сверхзвукового потока значительное внимание было уделено запуску канала, т. е. установлению во входной его части сверхзвукового потока. Было обнаружено, что, во-первых, характерная для дозвукового течения отошедшая головная ударная волна отсутствует (это видно из теневых снимков картины течения у входного сечения канала, фиг. 2), и, во-вторых, статическое давление в контрольной точке, расположенной-1 на стенке канала в 11 мм от его

входного сечения, оказалось равным /? = 1,06 ^оо, т. е. незначительно превышающим статическое давление в невозмущенном потоке. Оба эти обстоятельства свидетельствуют об установлении во входной части каналов сверхзвукового течения с числом М, близким к М = 3.

Необходимо отметить, что запуск канала осуществлялся успешно как в случае запуска трубы с введенной в ее рабочую часть моделью канала, так и в случае ввода модели криволинейного канала в уже реализованный сверхзвуковой поток в рабочей части аэродинамической трубы.

В силу того что предпринятая попытка измерения статических давлений в выходном сечении с помощью насадка статического давления не дала положительного результата, статическое давление в выходном сечении каналов определялось следующим образом.

Для каналов с прямоугольным поперечным сечением принималась линейная зависимость статического давления от координаты х (независимо от координаты z), причем значения статического давления на ближней и дальней по отношению к невозмущенному потоку стенках брались равными среднему арифметическому, полученному по показаниям трех соответствующих контрольных точек. Для канала с круглым поперечным сечением в качестве статического давления в выходном сечении принималось некоторое постоянное давление, которое определялось из условия равенства расходов во входном и выходном сечениях каналов.

Зная статическое давление и показание насадка полного давления в некоторой точке, можно вычислить локальные значения числа М и коэффициента восстановления полного давления.

На фиг. 3 и 4 приведены линии равных значений числа М для каналов с прямоугольным и круглым поперечными сечениями. Видно, что основную часть площади выходного сечения занимает сверхзвуковой поток, причем отчетливо видны два ядра потока с большими значениями числа М (М = 2,3 ч- 2,6). Область дозвукового течения занимает небольшую часть площади. Там же представлены линии равных значений коэффициента восстановления полного давления v для каналов с прямоугольным поперечным сечением и линии равных значений/7о2//?о оо (по показаниям насадка) для канала с круглым поперечным сечением. Как и ранее, четко выражено наличие двух ядер потока в выходном сечении с относительно высокими значениями v и полного давления.

Для примера на фиг. 5 и 6 приведены полученные в опытах зависимости распределения давления P02IP0 <х> =/(•*) п0 сечениям z = const для всех трех каналов (х = х/хтах, где xmax — максимальное значение л; в измеряемом сечении; z = z/zraax, где zmax — максимальное значение z в измеряемом сечении). Заметен характерный максимум давления, смещенный к дальней от невозмущенного потока стенке выходного сечения.

Для получения интегральных характеристик поворота сверхзвукового потока в криволинейных каналах вычисленные локальные значения коэффициента восстановления были осреднены по выходному сечению. Осреднение производилось как по площади, так и по расходу в выходном сечении канала по формулам

V

т

v = const

M2= const

Pi2/P^C0nst

Mg-const

Фиг. 6

/ х 1 \ х—1 / х _ 1 \ X—1

где^(Х)=1—^—У Х( 1-----------х_[_ 1 К21 — приведенный расход

/ , ®

здесь Х =---; а* — критическая скорость звука; х — отношение

\ а*

удельных теплоемкостей|.

Полученные средние значения коэффициента восстановления V приведены в таблице.

Как и следовало ожидать, средние значения V для каналов с прямоугольным поперечным сечением оказались выше, чем для канала с круглым сечением, причем значения vm больше для всех трех типов каналов. Для второго варианта канала с прямоугольным поперечным сечением было проведено осреднение коэффициента восстановления при условии сохранения энтропии. Значение ^нтр = 0,466 заключено между V.? и для этого канала.

Полученные значения потерь полного давления в криволинейных каналах подтверждают значения коэффициента восстановления, принятые в работах [1, 3] для расчетных оценок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Садовский В. С., Таганов Г. И. О вырожденном сверхзвуковом течении газа с подводом тепла и отклонением потока. Труды ЦАГИ, вып. 1157, 1969.

2. Г о р л и н С. М., Слезингер И. И. Аэромеханические измерения. М., „Наука“, 1964.

3. Садовский В. С., Таганов Г. И. Сверхзвуковое пространственное течение с подводом тепла и отклонением потока. Изв.

АН СССР, МЖГ, 1970, № 6.

Рукопись поступила 29/ІУ 1970 г.

Форма поперечного

сечения канала ут

Круглое 0,331 0,390

Прямоугольное, I вариант 0,49 0,60

Прямоугольное, 11 вариант 0,45 0,505

2—Ученые записки № 3

17