CC BY
61
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Том X
19 7 9
№ 4
УДК 629.7.018.1
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСХОДНОГО ДИФФУЗОРА ТРАНСЗВУКОВОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЫ
О. В. Лыжин, 3. Г. Пасова
Приведены результаты экспериментального исследования восстановления полного давления в трансзвуковой аэродинамической трубе с принудительным отсосом воздуха из камеры, окружающей перфорированную рабочую часть. Показано, что при неизменном числе М с ростом количества отсасываемого воздуха увеличивается зона в конце рабочей части, которую можно назвать расходным диффузором, где за счет вытекания газа в камеру происходит торможение потока, приводящее к повышению давления и снижению числа М на входе в основной дозвуковой диффузор трубы. Потери полного давления в контуре трубы при этом существенно уменьшаются.
Обтекание модели в трансзвуковой рабочей части аэродинамической трубы, а также получение с дозвуковым соплом чисел М, больших 1, сопровождается перетеканием некоторого количества газа через перфорированные стенки в камеру, окружающую рабочую часть. Этот газ может быть либо снова введен в основной поток через уступ, расположенный в конце рабочей части (работа с автоотсосом), либо удален из камеры с помощью специальной системы (работа с отсосом).
Потери полного давления, связанные с получением какого-либо значения числа М в рабочей части трубы, характеризуется величиной коэффициента > = />0д//?ф, где р0д — полное давление в конце дозвукового диффузора трубы, а рф—давление в форкамере. При работе с автоотсосом зависимость V = /(М) определяется только геометрией тракта трубы, в частности степенью расширения канала трубы за рабочей частью (величиной уступа). При работе с отсосом величина V оказывается неоднозначной, она зависит при неизменном числе М от значения коэффициента отсоса К = 00тС/0р.ч, где (?отС и бр.ч — величины массового расхода через систему отсоса и сопло основного тракта аэродинамической трубы.
Значения V, которые могут быть получены при работе с отсосом, значительно выше, чем при работе с уступом, что приводит
к снижению потребной степени сжатия и, следовательно, потребной мощности основного компрессора трубы. Однако отсос газа из рабочей части требует дополнительных затрат мощности. Тем не менее, как показывают расчеты, проведенные с использованием результатов настоящих исследований, применение отсоса является выгодным. В компрессорной трубе при неизменном давлении в форкамере суммарная мощность приводов компрессора системы отсоса и компрессора трубы при М= 1,0ч- 1,7 на 10—-30% меньше мощности компрессора трубы с уступом. В трансзвуковой эжек-торной трубе при одном и том же давлении в форкамере суммарный расход газа через эжектор трубы и эжектор отсоса на 10 — 20% меньше, чем расход через эжектор в трубе с уступом. Особенно целесообразно применение отсоса в тех случаях, когда давление в рабочей части больше атмосферного и сброс газа в атмосферу не требует дополнительных затрат мощности.
В данной работе проанализированы результаты экспериментального исследования зависимости v=/(/^) в трансзвуковом диапазоне чисел М. Показано, что снижение потерь в трубе с отсосом объясняется появлением расходного диффузора — зоны повышенного давления в конце рабочей части, где за счет вытекания воздуха в камеру происходит интенсивное торможение потока.
1. Эксперимент проводился в прямоточной аэродинамической трубе с размерами сечения рабочей части 180X180 мм (рис. 1), работающей от воздушных баллонов с давлением 9—10-Ю5 Па. Сопла — плоские, сменные. Все четыре стенки рабочей части — перфорированные, с регулируемой перфорацией. Коэффициент проницаемости перфорации о, равный отношению площади проходных сечений в отверстиях к общей площади панелей, изменялся от нуля до 20%. Боковые стенки рабочей части установлены параллельно, а верхняя и нижняя — под углом 0°30' к оси трубы для компенсации толщины вытеснения пограничного слоя. За рабочей частью располагается отсек, боковые стенки которого являлись продолжением боковых стенок рабочей части. Верхняя и нижняя стенки этого отсека имели регулируемые створки, обеспечивающие как работу с уступом с максимальным значением 27% площади сечения рабочей части, так и без уступа. В последнем случае створки образуют дозвуковой диффузор с полууглом раствора примерно 3,5°. За этим 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.
2. На рис. 2 показана экспериментальная зависимость v=f(K) для ряда значений числа М в рабочей части. При значениях коэффициента проницаемости о —1-—13% для М = 0,8-г- 1,2 и при а = = 1-—20% для М=1,7 величина v практически не зависит от с и существенно возрастает с увеличением К. Для сравнения на том же рисунке дан график зависимости v=/(M) при работе трубы с уступом. Как видно, в трубе с отсосом можно получить существенно более выские значения v, чем в трубе с уступом.
На рис. 3 показано распределение давления по безразмерной длине рабочей части x — x/b {Ь — размер стороны поперечного се-
4— «Ученые записки» № 4
49
s
Рис. I
Рис, 2
Рис. 4
чения рабочей части) для чисел М, равных 1,0 и 1,7 при различных значениях К и а =12,8%, а на рис. 4,а — аналогичный график при М = 1,0 и постоянном значении /С = 0,14 для различных значений о. Можно видеть, что на основной длине рабочей части давление практически постоянно и равно давлению в камере. В конце рабочей части существует зона повышенного давления. С ростом К при неизменной величине о или с уменьшением а при К— = const длина этой зоны увеличивается. Именно в этой зоне под действием перепада давления газ перетекает из рабочей части в камеру и затем уходит в тракт отсоса. Поскольку при М-< 1,0 вытекание газа через перфорированные стенки не приводит к уменьшению полного давления в ядре потока, по измеренным значениям р/рф можно вычислить распределение чисел М по длине рабочей части. На рис. 4,6 показано распределение чисел М, вычисленное по данным рис. 4,а. Как видно, к концу рабочей части числа М существенно понижаются.
Эту зону повышенного давления в трансзвуковой рабочей части можно назвать расходным диффузором, так как торможение потока в ней происходит вследствие вытекания газа из потока в камеру, а значение числа М в конце рабочей части (Мвых) при заданном значении числа М в рабочей части определяется только количеством вытекшего газа, т. е. величиной К. Например, при
^ М1„„ 0,9
0,6
0.7
0,6 0.5
0,4
'О 0,05 0,10 0,15 К
Рис. 5
К = 0,14 для всех величин о число М понижается от М=1,0 до Мвых^0,6 (см. рис. 4,6).
На рис. 5 изображены зависимости числа М в конце рабочей части от К при М = 0,6 ч- 1,0. Для всех исследованных значений а экспериментальные точки легли на единые кривые. Для чисел М = 0,6 и 0,8 опытные кривые с большой точностью следуют простой зависимости
?(м.ых) = ?(М)(1-/о, (1)
которая справедлива для постоянного значения площади ядра потока в рабочей части. Некоторое отличие опытных точек от теоретической кривой при М= 1 можно объяснить тем, что при этом числе М, по-видимому, недостаточно скомпенсирован пограничный слой в рабочей части.
Существует полная аналогия между расходным диффузором и расходным соплом. Так называется, как известно, начальный участок перфорированной рабочей части, где происходит разгон потока от начального звукового или сверхзвукового числа М за счет вытекания газа в камеру.
Вытекание газа через перфорированные стенки должно сопровождаться уменьшением толщины пограничного слоя. Прямые измерения поля полных давлений в потоке подтверждают это (рис. 6). В сечении л; = 1,5, т. е. до начала зоны торможения, толщина пограничного слоя практически не зависит от К■ В сечении л=3,1, находящемся в дозвуковом диффузоре непосредственно за рабочей частью, толщина вытеснения пограничного слоя при /С = 0,14 уменьшается примерно в четыре раза.
При сверхзвуковой скорости в рабочей части (М=1,7) зона торможения начинается со скачков уплотнения, переводящих скорость в дозвуковую. При этом в начале дозвукового диффузора возникает отрыв потока, который виден на рис. 6,6 в виде области около стенки примерно с постоянным давлением.
Расходный диффузор является очень эффективным средством торможения потока. Он имеет малую длину. Несмотря на значительный положительный градиент давления, течение в нем является не только безотрывным, но и сопровождается уменьшением
\1 \ » у о 0 = 1.2% • 6.31 * 12.8% --расчет
\ \ *
•
■ --МЦ 4—V М-1,0
^г-зу- -В-— -• ._0.8 •
— — - --М.
ñi рф 0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
Оч
O,J
0,2
0,1
К-0,032 M=1,7 ; x=3J
it Y 0,015
\
V
0,1 0,2 0,3 0,4 Z
Рис. 6
толщины пограничного слоя. Так как полное давление в ядре потока сохраняется, коэффициент восстановления полного давления в расходном диффузоре равен единице. Чтобы расходный диффузор не препятствовал обеспечению безындукционного обтекания модели в рабочей части трансзвуковой трубы, модель должна располагаться перед расходным диффузором, т. е. там, где в трубе без модели перетекания воздуха через стенки нет.
3. В трубе с расходным диффузором число Мвых, с которым поток входит в дозвуковой диффузор, меньше числа М в рабочей
1)
0,9
' 0 0,5 Мь„
Рис. 7
части. В этом случае восстановление полного давления в основном диффузоре трубы определяется не величиной числа М в рабочей части, а величиной Мвых. Если построить для всех значений числа М-<1 зависимость коэффициента V от Мвых, то все экспериментальные точки ложатся на единую кривую (рис. 7). Опытные данные для испытаний с отсосом лежат несколько выше кривой ч=/(Мвых) для испытаний без отсоса. Это объясняется тем, что в случае расходного диффузора основной диффузор трубы работает с более тонким пограничным слоем на входе.
М =0,6-1,0
Ч ч. N4
о 6"1,2% - х 12,8% --испытания /Тез отсоса
Рукопись поступила 231VI 1978 г.
