CC BY
95
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦА Г И
Том XIV
19 8 3
№ 4
УДК 532.525.6
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЕЛОВ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЯ КОАНДА
И. И. Соколова
Проведено экспериментальное исследование отрыва течения Коанда при различных давлениях в форкамере сопла, толщинах струй и зазоров между соплом и цилиндрической поверхностью. Установлены предельные значения давлений и толщин струй и зазоров, при которых реализуется течение Коанда. Обнаружены гистерезисные явления в поведении струй Коанда.
Струя, вытекающая из узкой плоской щели в затопленное пространство вблизи криволинейной поверхности, отклоняется к этой поверхности и течет вдоль нее на значительном расстоянии. Это явление называют „эффектом Коанда“ [I]. Картина струйного течения на криволинейной поверхности очень сложна, так как течение Коанда является существенно вязким, включает пограничный слой и зону смешения при наличии центробежных сил и поперечного градиента давления. До настоящего времени имеются лишь очень несовершенные методы оценок параметров таких течений, поэтому основные результаты получаются экспериментальным путем. Большой практический интерес представляет определение диапазона давлений в форкамере сопла, при котором реализуется эффект Коанда для струй различной толщины.
В данной работе исследована плоская струя Коанда, истекающая из сужающегося щелевого сопла на цилиндрическую поверхность (рис. 1). С помощью гребенок приемников полного и статического давления измерялись поля давле-
Рис. 1
ний в струе на различных расстояниях от среза сопла. Были изучены струи различных начальных толщин о при различных зазорах А между соплом и цилиндром. Величина о//?, где /? —радиус цилиндра, изменялась от 0,03 до 0,44.
Числа Ие, в которых в качестве линейного размера принята толщина щели 6, изменялись в диапазоне 3,7*101-ь-3,6-105. В эксперименте тщательно выдерживалась двумерность течения. Удлинение щели было весьма значительным—в зависимости от толщины щели оно изменялось от 200 до 16. Для предотврашения нежелательного бокового подсоса щелевое сопло и цилиндр были расположены между двумя плоскими пластинами. Равномерность вытекающей струи вдоль щели проверялась измерениями полных давлений на срезе сопла. Все струи в области измерения имели достаточно равномерные профили полных давлений. Давление в форкамере сопла р0 плавно изменялось от давления в затопленном пространстве ра (атмосферное давление) до давления, при котором наблюдался отрыв струи от поверхности цилиндра. Было обнаружено, что при В//? <0,2 •
отрыв очень быстро перемещается к срезу сопла, поэтому можно говорить о разрушении течения Коанда при определенном давлении р0 сразу на всей поверхности цилиндра. При Ро^> Ротр струя ведет себя как свободная струя, истекающая в затопленное пространство.
При каждом значении толщины струи о величина зазора Д изменялась от 0 до значения, при котором разрушается течение Коанда. Давление отрыва риохр для различных значений ВТ? и Д//? приведены на рис. 2.
Эксперимент показал, что при заданном значении р0 имеются предельные значения В//? и ДТ?, выше которых течение Коанда пе реализуется. Чем больше зазор Д/Л?, тем меньше предельная толщина струи 8/Л>. Максимальная относительная толщина струи В//?, при которой реализуется течение Коанда, равнялась 0,44.
Интересно отметить, что имеется два диапазона толщин струй с существенно различным характером поведения. Струи толщиной о//? =0,1 имеют весьма высокие значения /?оотр- На цилиндрических поверхностях течение Коанда для таких струй наблюдается на расстояниях, соответствующих углам (3 порядка 200" от среза сопла [2]. Однако при понижении давления после отрыва вплоть до р0^=ра течение Коанда не восстанавливается.
У струй с толщиной В Т? >0,14, обладающих меньшими значениями р0 отр, наблюдалось восстановление течения Коанда при понижении давления после отрыва. Однако давление, при котором восстанавливается безотрывное течение Коанда, оказывается меньше давления отрыва, т. е. имеет место гистерезис (см. рис. 2), аналогичный гистерезису, наблюдаемому при срывах с крыла на больших углах атаки, когда уменьшение угла атаки не приводит к восстановлению безотрывного обтекания, имевшего место на тех же углах атаки при его увеличении.
Экспериментальное изучение параметров отрыва струи Коанда, сформированной сверхзвуковым соплом, показало, что использование сверхзвукового сопла приводит к затягиванию отрыва струи до больших значений давления
Рис. 2
Рис. З
в форкамере сопла по сравнению с сужающимся соплом с таким же расходом. На рис. 3 показана возможность расширения диапазона реализации течения Коанда за счет использования сверхзвукового сопла. Так, при сужающемся сопле с толщиной среза ЫЯ = 0,17 отрыв струи наступает при давлении в форкамере сопла РоІРа — 2,8. При сверхзвуковом сопле, рассчитанном на число М = 1,3, соответствующему давлению р01ра = 2,8, и том же критическом сечении (Ькр//? = о//? = 0,17) отрыв наступает при р01ра = 3,4. При этом возрастает вдвое максимально допустимый зазор между соплом и криволинейной поверхностью, при котором реализуется течение Коанда.
ЛИТЕРАТУРА
1. Newman В. О. The deflection of plane jets by adiacent boundaries— Coanda effect. В сб. .Boundary layer and flow control", vol. 1, Pergamon Press, 1961.
2. С о к о л о в а И. Н. Экспериментальное исследование пристеночных струй. Труды ЦАГИ, вып. 2148, 1982.
Рукопись поступила 8jII 1982 г.
