CC BY
58
_______ УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦА Г И
Том XIII 198 2
М 2
УДК 532.556.4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУЙНЫХ ДИФФУЗОРОВ
М. О. Франкфурт
Экспериментально исследованы энергетические характеристики струйных, диффузорных устройств, расположенных в выходном сече-нии круглого, кольцевого и плоского каналов. Определены потери полного давления при выходе потока из канала с таким устройством в свободное пространство и структура потока, создающего эффект * струйного диффузора*.
Идея замены жестких стенок выходного диффузорного канала на струйные привлекает к себе внимание в связи с ее возможными практическими приложениями. Струйный диффузор может быть получен, например, при выдувании тонкой конической струи из кольцевой периферийной щели, расположенной в выходном сечении круглого канала. По идее такое струйное устройство должно создавать диффузорный эффект и за счет этого снизить потери полного давления при выходе потока из канала в свободное пространство. В связи с тем, что торможение потока обеспечивается в этом случае без применения жестких стенок на выходе из канала, открывается возможность использования струйных диффузоров в ряде специфических случаев, например, в установках с высокотемпературными потоками или агрессивными средами, а также для уменьшения осевых габаритов различных установок.
Применительно к устройствам для увеличения тяги пролуль-сивных систем схемы струйных диффузоров анализировались в рамках теории идеальной жидкости [1]. В тоже время эффективность таких струйных устройств в реальных условиях при турбулентных течениях не очевидна и требует опытной проверки. С этой целью были проведены исследования энергетических характеристик струйных диффузорных устройств в круглых, кольцевых и плоских каналах, которые включили также оценку оптимальных параметров та'ких устройств при различной форме канала.
Испытания каналов круглого и кольцевого поперечного сечения проводились на камере с наддувом с выходом потока из канала в свободное пространство. Для получения стабильного потока
канал подсоединялся к камере через отсек с хонейкомбом и двумя сетками и сопло с 12-кратным поджатием. Средняя скорость потока в канале пх сохранялась постоянной и составляла 25 м/с для круглого канала и 35 — 60 м/с для кольцевых каналов с отношением радиусов внутренней и наружной кольцевой поверхности /*/# = 0,5 -г-0,75; соответственно этому число Рейнольдса, подсчитанное по гидравлическому диаметру канала, изменялось в диапазоне 1?е ^(2-ьЗ,5)-105.
Выходные сопловые устройства выполнялись со сменными кольцевыми вставками, позволявшими изменять ширину щели от 0,8 до 2,4 мм. Исследовались два типа сопловых устройств, показанных на рис. 1: коническое и со скругленной кромкой, при которой кольцевая струя отклонялась в соответствии с эффектом
Рис. I
Коанда около криволинейной поверхности. Сжатый воздух поступал в щель из кольцевой камеры, проходя через участок с мерными соплами. Его расход # доходил до 17 — 19% от расхода воздуха С}, протекающего через канал.
По аналогичной схеме проводились испытания плоского канала, струйная система которого создавалась двумя плоскими соплами,
Канал Сопло а, град. Разлад канала, мм 1
Круглый Щелевое 30; 60 122 0,03—0,08 0,04—0.17 0,5-5,7
Со скругленной кромкой 30—120 122 0,03—0,08 0,04-0,17 0,5-5,7
Кольцевой Щелевое 30; 60 122 г//? = 0,5 0,04-0,1 0,04—0,19 0,4-4,8
0,75 0,06-0,175 0,04—0,19 0,25-3,2
Плоский Щелевое и со скругленной кромкой 10—120 315X80 0,02—0,06 0,02-0,08 0,35-4,0
расположенными вдоль верхней и нижней стенок канала. В этом случае также испытывались два варианта выходного устройства: с поворотными соплами и с профилированным выходным участком.
Данные основных вариантов испытанных моделей даны в таблице, где 4 = —ЙЛ, ^—скорость в щели,
— площадь сечения щели, — площадь сечения канала.
Восстановление статического давления в канале. О диффузорном эффекте выходного струйного устройства можно судить по степени восстановления давления в канале, которое определялось по изменению перепада ДрЛ статического давления на выходе из канала с атмосферой. Измерение величины Дри по которой подсчитывался коэффициент давления ср = 2ДР\}$и\> производилось с помощью насадка статического давления, установленного по оси канала в его выходном сечении.
Зависимости ср{д, /5) (рис. 2), полученные таким путем прн углах выдува струи а = 30° и 60° и относительных площадях щели
—0,03 ч-0,175, подтверждают возможность заметного восстановления давления в канале как круглого, так и кольцевого сечения с помощью струйного диффузора. При этом степень восстановления давления существенно зависит от площади проходного сечения щели /у и угла выдува струи а. Диалогичная закономерность наблюдается и в плоском канале, где в оптимальном случае Ср ^ 0,4 -г- 0,45.
Наглядное представление о суммарном влиянии параметров выходного струйного устройства на его эффективность дают также характеристики ср{с^), по которым можно судить о зависимости степени восстановления давления в канале от коэффициента импульса выдуваемой струи с^=2д2!/^ Особенность указанных характеристик, представленных для случая круглых и кольцевых струйных диффузоров с коническим сопловым устройством на рис. ^ (обозначения те же, что и на рис. 2), состоит в том, что при данном угле
выдува струи (а = const) и различных проходных сечениях щели (ys = var) они имеют универсальный характер. Аналогичная закономерность имеет место и у плоских струйных диффузоров. В силу этого коэффициент с». может рассматриваться в качестве критериального параметра для оценки влияния выходного струйного устройства с данным углом выдува струи на степень восстановления давления в прямых каналах с различной формой поперечного сечения.
Полученные в этих случаях зависимости имеют извест-
ную аналогию с универсальными характеристиками коэффициентов подъемной силы которые обычно используются при иссле-
довании действия пристенных струй в условиях внешней задачи, в частности на органах управления летательных аппаратов.
Рис. 3
Эффективность струйного диффузора. С помощью зависимостей ср (<?, /в) или ср (с,х) можно оценить лишь чисто аэродинамический эффект струйного устройства безотносительно к тому» как он получен. Поэтому в качестве характеристики эффективности струйного диффузора был принят коэффициент потерь полного давления СП1 который определялся по формуле [2]
J uzdF I J a dF ■
I ъ
сР (1 + д) 4- ЬРкЯЫ*
(1 + <})
(1)
с учетом затрат энергии на выдув струи
При подсчете значений Сп использовались опытные коэффициенты ср и Дрк, а также профили скорости, необходимые для определения начальной неравномерности потока в выходном сечении канала, (^рк~2^рк^и\у &рк — перепад давлений в камере соплового устройства с атмосферой); расчет проводился при КПД воздуходувного агрегата ^=1-
Полученные таким путем характеристики Сп (<?,/*)> представленные на рис. 4 (обозначения те же, что и на рис. 2), существенно
6—„Ученые записки' № 2
81
зависят от площади щели ^ и закономерно изменяются в зависимости от соотношения давления в канале и камере струйного устройства. В исследованном диапазоне изменения площади щели (Л *<0,08 для круглых каналов и 0,10-— 0,175 для кольцевых)
увеличение ее дает положительный эффект. Он обусловлен уменьшением давления в камере соплового устройства с более широкой
щелью, которое приводит к снижению полных потерь, несмотря на несколько меньшую в этом случае степень восстановления давления в канале.
На рис. 4 видно, что в оптимальных случаях струйные диффузоры дают заметный положительный эффект. В частности, для каналов круглого сечения эффективность их при углах а = 60° заметно выше, чем диффузоров с жесткими стенками. Для а ==30° она примерно та же, что у обычного диффузора со степенью расширения п >3-^4, длина которого //£>>2. При углах а =10° применение струйных диффузоров становится малоэффективным.
На примере струйных диффузоров с углами а = 30 и 60° была проверена эффективность сопловых устройств с прерывистыми щелями, которые могут быть предпочтительнее по конструктивным соображениям. Испытания, проведенные при. относительных проходных сечениях прерывистой щели 0,5 и 0,7, показали, что диф-фузорный эффект в этих случаях значительно снижается: коэффициенты потерь полного давления увеличиваются по сравнению с диффузорным устройством со сплошными щелями в 1,2—1,5 раза,
Для кольцевого канала с отношением радиусов внутренней и наружной кольцевой поверхности г//? = 0,5 и 0,75 была испытана также комбинированная струйная система, получаемая путем добавления к периферийной струе внутренней кольцевой струи, выдуваемой в выходном сечении у втулки (см. рис. 1). Она оказалась менее эффективной: при том же суммарном расходе выдуваемого воздуха и изменениях в широких пределах геометрических и кинематических параметров внутренней струи (а *= 0-4-60°; /а = 0,015 ч-0,05; <7 <0,10 пре ^<0,19) большее снижение потерь имеет место, как правило, в кольцевом канале с одной периферийной струей.
Помимо чисто струйных диффузоров оценивалась эффективность применения дополнительных струйных устройств в обычных конических диффузорах небольшой длины. В этих случаях струя выдувалась на выходе из диффузорного участка с жесткими стен-
ками и составляла прямое его продолжение. Испытания, проведенные при углах раскрытия диффузора а = 10 и 30° и степенях расширения п = 1,8 2,4, показали, что потери полного давления
могут быть снижены с помощью таких устройств не более чем на 12 — 15%.
Использование эффекта Коанда. В рассмотренных выше выходных струйных устройствах формирование периферийной струи происходит с помощью кольцевого конического сопла. Для образования конической струйной поверхности такое сопло имеет на выходе небольшой диффузорный участок со степенью расширения порядка 1,2. При больших углах раскрытия диффузорного участка вблизи кромок его в области смешения основного потока с периферийной струей могут образовываться срывные зоны, снижающие эффективность струйного диффузора.
Указанного недостатка можно избежать, если использовать для отклонения струи эффект Коанда. Струя, вытекающая из прямого кольцевого канала, отклоняется в этом случае вблизи криволинейной поверхности, примыкающей к выходному сечению сопла. Криволинейный участок, показанный на рис. 1, профилируется но дуге окружности радиусом Лю, центральный угол которой равен углу ай/2 отклонения струи от горизонтального направления. При этом область взаимодействия периферийной струи и основного потока начинается непосредственно в зоне выходного сечения, что способствует повышению эффективности струйной системы.
При испытаниях параметры струйного устройства (радиус кривизны выпуклой поверхности ^,/£> = 0,18 и ширина сопла ^//^ = 0,04 ч-0,11) были выбраны таким образом, чтобы обеспечить безотрывное течение пристенной струи при изменении углов ее отклонения в диапазоне аЛ/2 = 15° н- 90°. В этих условиях потери полного давления закономерно уменьшаются с увеличением углов отклонения 4 струи до а* =120° и в оптимальном случае (для круглого канала при /^0,05 и °>8 <7^0,09) могут быть снижены на весьма заметную величину (до Сп^0,4). . °,6
Сводная зависимость минимальных коэффициентов потерь в круглом канале Сп шш (/„ а*) на рис. 5, а показывает, что положительный эффект, получаемый °’в
с помощью выходного струйного устройства, использующего эффект Коанда, 0,6
может быть в оптимальном случае при- ^
мерно в 1,5 раза выше, чем у струйного диффузора с коническим сопловым устройством. Аналогичная закономерность имеет место и в плоском канале (рис. 5, б), где при оптимальном соотношении пара- |
метров коэффициенты потерь ПОЛНОГО .0 0,02 0,0Ь 0,06 £ °’‘
давления могут быть снижены с ПОМОЩЬЮ о шелевсв сапм
* ^ • сопло со скругленной нромнои
струйных устройств, использующих эффект Коанда, на 20 — 25%. Рис. 5
Струйный диффузор в канале с внезапным расширением.
Применение струйного диффузора позволяет весьма эффективно влиять на повышение степени восстановления давления и снижение потерь полного давления в канале с внезапным расширением. Так, например, прн встроенном в такой канал коническом сопловом устройстве (см. рис. 1) с углом а = 30 и 60° и степенью расширения канала/г* = 4,2 и 11. (ДД?)2] степень восстановления
давления приближается прн ^^0,15-ь0Дб к максимальному ее значению для идеального диффузора, а коэффициент потерь полного давления в оптимальном случае примерно в 1,5 раза меньше, чем у исходного, внезапно расширяющегося канала.
Еще больший положительный эффект может быть получен в том случае, когда струйный диффузор, ограниченный стенками канала с внезапным расширением, создается с помощью выходного струйного устройства, использующего эффект Коанда. Это следует, в частности, из представленных на рис. 5, в и 5, г сводных зависимостей минимальных коэффициентов потерь Спш?п(а, для канала со степенью внезапного расширения я*=4,2 (рис. 5, г) н л* — И (рис. 5, в), по которым в оптимальных случаях (при а =120° и ^ 0,05) коэффициент потерь в 2 — 2,5 раза меньше, чем у исходного канала с внезапным расширением. Интересно отметить, что положительный эффект выходного струйного устройства, встроенного в канал с внезапным расширением, сохраняется и при наличии протока в таком канале. В последнем случае потери полного давления оказываются примерно такими же, как и в канале без протока.
Структура потока в струйном диффузоре. Для исследования течения, создающего эффект „струйного диффузора", использовались поля скоростей в зоне смешения основного турбулентного струйного потока и периферийных расходящихся струй. Измерения
проводились с помощью трубки полного давления с протоком в ряде поперечных сечений на участке длиной *^6,5 при варьировании угла выдува периферийной струи и расхода воздуха ^ (здесь х^х/Щ. По совмещенным профилям скорости оценивалось влияние а и д на деформацию поля скоростей в сечениях, близких к срезу сопла (* = 0,5) и расположенных вниз по потоку.
В качестве примера на рис. 6 представлены совмещенные профили скорости основного и результирующего потоков в плоском струйном диффузоре при а= 120° и и 0,06. Показательно,
что взаимодействие периферийных расходящихся струй с основным струйным потоком приводит к выравниванию профилей скорости и развитию зоны заторможенного потока. В условиях выхода потока из канала в свободное пространство такое закономерно преобразованное течение создает диффузорный аффект с весьма заметным повышением степени восстановления давления.
Эмпирические формулы для расчета коэффициента потерь. Используя универсальность характеристик ср(с^а) (см. рис. 3), можно получить приближенные зависимости для расчета коэффициента потерь полного давления в каналах различной формы с выходными струйными устройствами. Для круглых и кольцевых каналов с коническими соплами аппроксимирующая функция может быть представлена в виде:
ср ~ сра + * (а) с0/, (2)
где для круглых каналов при 10е -< а <60°: х (а) ^0,068 а6-15 и для кольцевых каналов при а —30ч-60е и г//? = 0,5: х(а)^0,35.
Для плоского канала с профилированным выходным участком аппроксимирующая функция имеет вид:
ср ~ ■СР0 + а с* + 3>5 с'/5'* (3)
здесь для а = 60 ч- 120° я ^0,21 ч~0,25.
Коэффициент давления в камере Аръ при котором движение воздуха через щель с площадью проходного сечения ^ происходит со скоростью <оп находится из соотношения:'
Арк = 2Д/?А/р4 = ^ д2 Д (4)
где ^ — опытный коэффициент, зависящий от параметров щелевого устройства.
С учетом (2) и (4) и при 1/(11 — д и + д)~д формула (1) для коэффициента потерь полного давления может быть представлена в виде
Сп=1—?—1сл+/(с^
Для выходных струйных устройств с аппроксимирующей функцией (2) минимальные потери, определяемые при = 0,
составят
Сп Ш1. ~ 1 - е„ - 0.385Г0'511 + 1,41 * (*)7г"'5]0-5, а соответствующая им оптимальная величина расхода воздуха ?„р»~0,58Л Е70,5[1 + 1,41 х(а)~0'5]0’5.
Для струйных устройств с более сложной аппроксимирующей “функцией, например (3), величины д0^ и Сп га!п можно определить графоаналитически.
Полученные таким путем интерполяционные зависимости могут быть использованы для предварительного выбора параметров струйных диффузорных устройств при их проектировании.
ЛИТЕРАТУРА
1. Morel J. P., Lissman Р. В. S. Tte jet flap diffuser: a new thrust augmenting device. ,AIAA Paper", N 777, 1969.
2. Франкфурт М. О. Эффективность тангенциального сдува пограничного слоя в конических диффузорах. .Ученые записки ЦАГИ‘, т. IV, № 5, 1978.
Рукопись поступила 25jXI 1980 г.
