CC BY
58
Том XIV
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
19 8 3
№ 4
УДК 532. 527
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВИХРЯ У ВХОДА В ВОЗДУХОЗАБОРНИК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СОЗДАВАЕМЫХ ИМ
ВОЗМУЩЕНИЯХ
В. И. Расщупкин
На модельной установке исследованы факторы, влияющие на образование вихря у входа в воздухозаборник авиационного газотурбинного двигателя при работе на месте вблизи земли: толщина пограничного слоя на поверхности земли, наличие следов от окружающих объектов, несимметричность условий течения в засасываемом потоке.
Термоанемометром с пленочным датчиком измерены поля скорости и пульсаций скорости во входном сечении модели воздухозаборника при наличии вихревого течения. Обнаружено значительное повышение пульсаций скорости в области вихря, зарегистрированы провалы мгновенных значений скорости, достигающие половины средней скорости.
В некоторых случаях при работе авиационного газотурбинного двигателя на месте вблизи земли или других поверхностей у входа в воздухозаборник двигателя образуется интенсивное вихревое течение [1, 2]. Природа этого явления состоит в концентрации завихренности, имеющейся в окружающей среде, при поджатии трубок тока засасываемого в воздухозаборник воздуха. В соответствии со второй теоремой Гельмгольца [3] поток вектора вихря скорости через произвольно проведенное сечение вихревой трубки одинаков в данный момент времени вдоль всей трубки, поэтому при поджатии вихревой трубки происходит интенсивное увеличение угловой скорости вращения. Это явление имеет ту же природу, что и хорошо известное явление, образования вихря при сливе жидкости из ванны или другого сосуда под действием массовых сил [4].
Образование вихревого течения приводит к двум отрицательным явлениям: 1) если вихрь замыкается на поверхность земли, то увеличивается вероятность попадания в двигатель посторонних предметов со взлетной полосы; 2) в присутствии вихря течение становится нестационарным, резко возрастает уровень пульсаций, что может привести к потере устойчивости двигателя. Известно значительное число работ, посвященных исследованию вихря у входа в воздухозаборник. В работах [1, 2] исследованы условия образования вихря у входа в воздухозаборник. В работе [5] проведен расчет невязкого течения, выделена „нулевая" линия тока, на которую затем накладывается вихревое течения с заданным распределением окружной скорости, введен безразмерный параметр — число Россби:
Ио = и0!(Ы),
где и0—скорость на входе воздухозаборника, и>=дус1ду, ус — скорость ветра, й — диаметр входного сечения воздухозаборника.
В работе [6] определена максимальная высота над поверхностью земли, на которой образуется вихрь, и ее зависимость от скорости ветра.
Экспериментальные данные о характеристиках течения на входе в двигатель в присутствии вихревого течения весьма ограничены. Данная работа посвящена дальнейшему изучению условий образования вихря и измерению пульсаций скорости на входе в воздухозаборник в присутствии вихря.
Эксперименты проводились в аэродинамической трубе замкнутого типа с открытой рабочей частью (рис. 1). Сопло установки имело прямоугольное вы-
ходное сечение с размерами 300x500 мм. Скорость истечения из сопла установки потока, моделирующего ветер, изменялась от 4,1 до 5,6 мм/с и контролировалась крыльчатым анемометром. На 30 мм ниже кромки сопла установлена горизонтальная пластина из плексшласа, моделирующая поверхность земли. На расстоянии 60 см от выходного сечения сопла помещалась модель воздухозаборника, которая могла поворачиваться относительно вертикальной оси и устанавливаться на разной высоте над пластиной. Диаметр входного сечения модели равен 32 мм. Модель воздухозаборника подсоединялась к вакуумной линии. Число М во входном сечении модели составляло примерно 0,6. Визуализация вихря осуществлялась водой, разливаемой тонким слоем на пластине. При отсутствии вихря засасывания воды не происходит. Когда образуется слабый вихрь, на поверхности воды появлялся бугорок, и заметно индуцированное потоком воздуха вращение воды на пластине. При образовании интенсивного вихря часть воды разбрызгивается в стороны, а часть попадает в ядро вихря и хорошо визуализирует вихревое течение.
Для измерения скорости (точнее, измерения произведения ри, р— плотность, ¿/ — продольный компонент скорости) использовался термоанемометр 55М01 фирмы 018А с пленочным датчиком типа 55А80 (никелевая пленка на клине). В отличие от проволочных датчиков, использование которых в диапазоне чисел М 0,3 < М <Г1 весьма затруднительно (что обусловлено особенностями обтекания цилиндра в этом диапазоне чисел М), датчики с пленкой на клине дают удовлетворительные тарировочные зависимости [7]. Измерения скорости проводились вдоль вертикального диаметра входного сечения модели. Максимальные амплитуды пульсаций и продолжительности импульсов определялись по осциллограммам сигнала термоанемометра, записанным на светолучевом осциллографе Н117/1. Измерительная аппаратура (за исключением осциллографа) обеспечивала измерение пульсаций в диапазоне частот от 0 до 30 кГц.
В процессе проверки условий возникновения вихревого течения с разными источниками завихренности в потоке изменялись следующие параметры: высота воздухозаборника над пластиной Н, угол между осью воздухозаборника и направлением вектора скорости внешнего потока (ветра) а (см. рис. 1), толщина пограничного слоя.
При образовании вихря в результате концентрации завихренности, образующейся в пограничном слое на пластине, основным параметром (при фиксированной скорости набегающего потока £/0 = 5,5 м/с) является толщина пограничного слоя, которая изменялась с помощью интерцептора — пластины переменной высоты, устанавливаемой на расстоянии 55 см вверх по потоку от модели. Без интерцептора (напомним, что пластина установлена на 30 мм ниже кромки соп-
| К Вакуумной линии.
1—сопло, 2—горизонтальная пластина, 3—модуль
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
ла) вихрь образуется в более узкой области значений высоты модели над пластиной Н = Н\Л и угла у (область 1 на рис. 2). При установке интерцептора высотой к = 40 мм область образования вихря в пространстве (Я, ср) существенно расширяется (область 2+1 на рис. 2).
Без внешнего потока интенсивный вихрь образуется только при очень малых высотах (Я < 1). Но если создать несимметрию в индуцированном воздухозаборником течении, установив, например, вертикальную пластину сбоку от модели, то это приведет к образованию интенсивного вихря. Завихренность в этом случае образуется при обтекании вертикальной кромки пластины засасываемым потоком. При Н= 1,75 интенсивный вихрь образуется при /б=/б/^<!2,4 и при 10 = 0.95 (/б — расстояние от оси входного сечения до бокового эк-
рана, 10 — расстояние от плоскости входного сечения воздухозаборника до вертикальной кромки боковой пластины). При уменьшении 7"б до 0,75 наблюдается случайное перескакивание основания вихря с горизонтальной пластины на вертикальную, а в некоторые моменты времени наблюдается одновременно два вихря, замыкающиеся на вертикальную и горизонтальную пластины. При Гв < 0,75 и //>1,75 вихрь замыкается только на вертикальную пластину. В присутствии вертикальной пластины вихрь образуется вплоть до высот Н = 4,4.
Если вертикальную пластину поднять над горизонтальной так, чтобы образовался зазор величиной 0,5<7, то вихрь исчезает.
При обдуве модели внешним потоком установка вертикальной пластины со стороны сопла приводит к усилению образования вихря. В этом случае вихрь образуется при наибольших Н тогда, когда входное сечение воздухозаборника попадает в центр следа за вертикальной кромкой пластины.
Таким образом, проведенные модельные испытания подтвердили наличие существенного влияния толщины пограничного слоя на поверхности земли, силы и направления ветра, расположения двигателя на самолете (особенно его высота над поверхностью земли и удаления входного сечения воздухозаборника от других элементов конструкции), наличия следов за окружающими объектами (аэродромными сооружениями, стоящими рядом самолетами и т. д.) на образование вихря у входа в воздухозаборник.
Измерение профилей средней скорости в плоскости входа в воздухозаборник показало, что при образовании вихря происходит уменьшение примерно на 15% средней по сечению скорости и в профиле скорости появляется небольшой (около 10%) провал скорости в области вихря. На рис. 3 приведены профили скорости (числа М) на входе в воздухозаборник без вихря 1 ив присутствии вихря 2 при <р = 90°. В этом случае вихрь попадет в нижнюю часть сечения. В этой области и виден провал в профиле скорости. При ср = 180° вихрь
проходит в верхней части сечения, и провал скорости смещается в эту область. Еще сильнее измеряется профиль пульсаций скорости при
0
■0.5
—Ж
0,4
т.
'^=90°; 7—без вихря, 2—в присутствии вихря
Рис. 3. Профиль числа М на входе в модель воздухозаборника
появлении вихря (рис. 4). В отсутствие вихря 1 уровень пульсаций в большей части сечения не превышает 2%, и только в нижней части сечения наблюдается небольшой подъем уровня пульсаций до 4%. При образовании вихря наблюдается резкое повышение пульсаций в области вихря.
При <р = 90° (см. рис. 4) максимальный уровень пульсаций достигает 13,6%. В случае <р = 0 максимальный уровень пульсаций составляет 21%, а при <р = 180с этот уровень равен 15,8%, и положение максимума смещается в верхнюю часть входного сечения. Структура пульсаций наглядно видна на осциллограммах пульсаций скорости (рис. 5), записанных при R|R0= -0,66 и 9 = 90° (в области максимума пульсаций скорости). Из этой осциллограммы видно, что основной вклад в повышенный уровень пульсаций в присутствии вихря вносят большие по амплитуде и по продолжительности отрицательные пульсации скорости. Среднее значение скорости в этой точке в отсутствие вихря составляет 230 м/с. При образовании вихря средняя скорость падает примерно до 190 м/с. Среднеквадратичное значение (с) пульсаций скорости составляет в этом случае 13,6%, т. е. примерно 25 м/с, в то же время очень часто встречаются провалы мгновенных значений скорости до 120 м/с, соответствующие отклонению от среднего примерно на За. Продолжительность отрицательных пульсаций скорости достигает 0,08 с.
Строго говоря, при всех измерениях датчик термоанемометра реагирует на изменение и скорости, и плотности потока. Однако, поскольку в данном исследовании число М<0,6, изменения плотности малы по сравнению с измене-
9=90°; ¿—без вихря, 2—в присутствии вихря
Рис. 4. Профиль пульсаций скорости на входе в модель воздухозаборника
Л/Я0 = - 0,66, 9 = 90° 1— без вихря, 2—в присутствии вихря
Рис. 5. Осциллограмма пульсаций скорости на входе в воздухозаборник
ниями скорости. Их можно оценить из следующего соотношения, полученного в предположении изоэнтропичности потока:
Р' I
М2
1
-М2
м' м
Если предположить, что максимальные пульсации на рис. 5 соответствуют пульсациям числа М | М'/М | = 0,3, а М = 0,6, то получим |р7р|~0,12, т. е. максимальные пульсации плотности в данном случае не превышают 12%. Как показано в работе [8], разрежение в ядре закрученного потока Др близко к скоростному напору, определенному по максимальной окружной скорости. Если предположить, что окружная скорость равна скорости основного потока, то получим, что Ар/р ~ 0,2. В предположении адиабатичности процесса р'/р = 0,16. Таким образом, пульсации плотности не превышают 12—16%, и основной вклад в сигнал термоанемометра вносят пульсации скорости.
ЛИТЕРАТУРА
1. Klein Н. An aerodynamic screen for jet engines. Aeronautical Engineering Review, 16, N 11, 1957. См. также сб. „Механика", № 4— 50, 1958.
2. Colehour J., Fabquhar В. Inlet vortex. „J. Aircraft", vol. 8, N 1, 1971.
3. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М., „Наука", 1970.
4. Kelly D. L., Martin В. W., Taylor Е. S. A futher note on bathtub vortex. „J. Fluid Mech.\ vol. 19, pt. 4, 1964.
5. Motycka D. L„ Walter W. A., Muller G. L. Analitical and experimental study of inlet ground vortices. „А1АА Paper', N 73-1313, 1973.
6. Motycka D. L., Walter W. A. An experimental investigation of ground vortex formation during reverse engine operation. „А1АА Paper", N 75-1322, 1975.
7. С e к у н д о в А. Н. Турбулентность в сверхзвуковом потоке и ее взаимодействие со скачком уплотнения. „Изв. АН СССР, МЖГ", 1974, № 2.
8. Абрамович Г. Н., Крашенинникове. Ю., С е к у н-дов А. Н., Смирнова И. П. Турбулентное смешение газовых струй. М., „Наука", 1974.
Рукопись поступила 81X11 1981 г.
