CC BY
45
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Том VII 1976
№ 2
УДК 533.6.013.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧИСЕЛ Ие И М НА СИЛУ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВНОЙ ВОЛНЫ НА КРУГОВОЙ ЦИЛИНДР
К. Б. Соколов
Приводятся данные по измерению силы действия взрывной волны на круговой цилиндр. Приведены зависимости величины максимального значения силы, действующей на цилиндр, от чисел Яе и М, а также изменение этой силы во времени. Основным параметром подобия, определяющим как максимальные значения силы, так и характер изменения силы во времени, является число М; роль остальных параметров оказалась незначительной.
Измерения проводились при помощи пьезоэлектрического датчика ускорения марки ИС-313 на цилиндре диаметром 115 и удлинением 1:9, установленном на расстоянии 5,1 м от центра взрыва. Перепады давления во фронте волны составляли Д^ф = (0,045ч-1,4)X Х!05 Па при начальных давлениях воздуха (0,5; 1 и 2)ХЮ5 Па, в результате чего основные параметры подобия менялись в следующих диапазонах: числа Ие ~ (0,1ч-3)ХЮ6, М=0,06ч-0,64; 511 = 0,5-т-5.
Из рассмотрения зависимостей от времени безразмерной силы, действующей на цилиндрическое тело от взрывной волны [1], следует, что максимальные значения этой силы незначительно меняются в довольно широком диапазоне относительных перепадов давления во фронте взрывной ударной волны:
Р = Рх/Ьрф 2К1 ~ 1,7-г-2,3 при Ь.рф!рп = 0,35-^3, где Рх—сила, действующая на тело по направлению распространения ударной волны; Арф — перепад давления во фронте волны; Я и /—радиус и длина цилиндра; рь — начальное давление воздуха до взрыва. Однако характер изменения силы во времени при этом меняется более значительно. Как отмечалось в работах [1, 2], нарастание максимального значения силы определяется временем прохождения фронта волны до ~1/3 диаметра цилиндра. В этом интервале времени влияние вязкости газа (или влияние числа Не) на величину максимальной силы должно быть, по-видимому, незначительным. Дальнейшее изменение силы по времени определяется в основном разностью между силами, вызываемыми действием скоростного напора нестационарного потока газа за фронтом волны и неуравновешенным отрицательным градиентом давления. При этом сила, вызываемая действием скоростного напора на тело, может быть как-больше силы от отрицательного градиента давления, так и меньше ее. Это состояние занимает время, за которое фронт волны проходит около восьми диаметров цилиндра. В течение этого времени на характеристику Р (() могут оказать влияние как вязкость и скорость газа за фронтом волны, так и степень турбулентности потока и турбулизации пограничного слоя на модели.
Настоящая статья посвящена изучению влияния основных параметров подобия на силу, сообщаемую круговому цилиндру взрывной ударной волной
&рп=0,5-10 5Па, &р ф=0,0835 Ю * Л а., М=0,075
Арф=0,0835~ 10 Па.
Фиг.
в широком диапазоне изменения газодинамических параметров, характеризующих процесс взаимодействия.
1. Исследование проводилось с цилиндром кругового сечения диаметром 115 мм и длиной 900 мм, свободно подвешенным перпендикулярно направлению распространения фронта волны на расстоянии 5,1 м от центра взрыва. Начальное давление воздуха в экспериментах составляло р/1 = (0,5; 1 и 2)Х105 Па, при этом интенсивность падающей волны изменялась в пределах Д/»ф = (0,045-^1,4) X X Ю5 Па.
Измерение давления во взрывной волне проводилось при помощи пьезоэлектрических датчиков давления [3] и электронной регистрирующей аппаратуры. Для градуировки датчиков использовалось пневматическое импульсное устройство [4], состоящее из камеры опорного давления и быстродействующего электроклапана, закрывающего доступ воздуху в камеру из атмосферы. В камере с помощью вакуумного насоса создавалось начальное давление, пониженное по сравнению с атмосферным. При открывании клапана на установленный внутри камеры градуируемый датчик действовал импульс давления ступенчатой формы с амплитудой, равной разности между атмосферным и начальным давлением в камере.
Измерение силы, действующей на цилиндр, проводилось при помощи пьезоэлектрического акселерометра ИС-313, приклеенного циокрином к центральной части за миделем модели. Сигнал с датчика после усилителя фильтровался ИС-фильтром и регистрировался катодным осциллографом. Суммарная погрешность измерения силы не превышала 10%, а погрешность измерения статического давления — 3%.
На фиг. 1 приведены типичные осциллограммы, полученные при помощи датчика статического давления (ДСД) и акселерометра ИС-313 при значениях Ьрф ~ 0,08хЮ6 Па и р/, = 0,5ХЮ5 Па.
Благодаря изменению величин рй и Арф во время эксперимента, основные параметры подобия, характеризующие процесс, изменялись в следующих диапазонах: числа Рейнольдса — Ке = £/фДм/ч~(0,1-^3)ХЮ6, числа М=£/ф/Сф~0,06-М),64, числа Струхаля—БЬ = 1/ф Т+1Иц ~ 0,5-н5, где Цф и Сф — скорость газа и скорость звука в газе за фронтом волны, ч — кинематический коэффициент вязкости газа за фронтом волны, Т+ — продолжительность фазы сжатия взрывной
волны. Было проведено сравнение зависимостей ^((), измеренной при помощи акселерометра ИС-313, найденной путем измерения распределения давления на той же модели [1], а также сопоставление с теоретическими данными, полученными А. С. Фонаревым и В. П. Колганом [5] для случая воздействия на цилиндр ударной волны с постоянными параметрами за ее фронтом (фиг. 2). Как видно из примера, совпадение экспериментальных результатов вполне удовлетворительно. Максимальные значения всех трех зависимостей совпадают, а дальнейшее различие с теоретическими данными связано со спадом давления за фронтом взрывной волны.
В результате обработки экспериментальных материалов были получены зависимости максимальной положительной силы (действующей на цилиндр по направлению нестационарного потока) от чисел Ре и М, а также максимальной отрицательной силы (действующей против потока) от числа М
(фиг. 3—5).
13—Ученые ЦАГИ № 2
173
2,0
1,5
1.0
0.6
if
-п
О М~ 0,06+0,15
* ~ 0,18+0,2
« ~ 0,34л ~ 0,37
J________і______L_
* %
0 М -0,46+0,53 » по [ 1 ]
■»»*• с турБулиз а торами.
J_____L
О
0,5
1.0
1.S
Фиг. 3
2.0
15 fíe 10 6
Г с Теореп 1 . ' ' шчесний. предел при М~0
-2. * 9 ■V о о
(J о %8 с-\. о ПЛ • / Теп, чет и. 4L w Г , /VI и,О г CKULL Предел При. М-*^ (х+1)
° без тур5 » Ф0,2,8-75°, 285° • ФЧ, 8=45°,315°\ а по[1] - I ! , тур5 !
2.1
1,8
Фиг. 4
ах а \л о Вез тру 5 ® Ф 0Х;в=75о.285° • ФЧ,6=45°,315° ►тур 6
; ■ ■ 9 X °< .. і
• 0 N \ ^4 а— к . I
К
А-
Фиг. 5
На фиг. 6 приведены зависимости безразмерной силы Р — Р/\рф2И1 от безразмерного времени t = tVф|Dы для значений чисел М — 0,06; 0,36; 0,56 и 0,87.
2. Из рассмотрения зависимостей /71^ах (Ие), ^«(М) и ^шах (м)> представленных на фиг. 3—5, можно сделать вывод, что изменения результатов измерений находятся в пределах случайных ошибок эксперимента и поэтому не удалось выявить влияния турбулизаторов на обтекание кругового цилиндра взрывной волной как для докритических чисел Ие—'0,1X106 (в сравнении со стационарным случаем), так и для закритических чисел Йе — (1,5ч-3)ХЮ8 (см. фиг. 3).
Анализ полученных зависимостей дает основание полагать, что, по-видимому, наиболее существенным параметром подобия, влияющим как на характер изменения силы во времени, так и на максимальные значения сил, действующих на цилиндрическое тело в условиях воздействия взрывной волны, является число М. Несмотря на значительный разброс в числах Яе и БИ, в зависимостях 7+ах (М) удается проследить очевидную закономерность (см. фиг. 4). Для чисел М до •—• 0,15 значение безразмерной силы ^ах приближается к значению 2, т. е. на единицу площади сечения миделя модели 2Щ приходится удвоенное значение перепада давления во фронте волны, что соответствует акустическому приближению для слабой волны. При дальнейшем увеличении числа М значение безразмерной силы падает до /7тах=1>4. Затем наблюдается монотонный рост безразмерной силы, которая достигает значения 2 при числе М—0,6 (по результатам работы [1] Р^ах = 2,3 при М = 0,87). Интересно отметить, что рост р£ах начинается при значении М ~ 0,35, как и при обтекании цилиндра стационарным потоком газа [6] (волновой кризис).
Максимальные значения отрицательной силы в зависимости от числа М (фиг. 5 и 6) монотонно падают от Р^ах =0,6 при М = 0,6 до 0. Следует отметить, что возрастание до значения 2 и уменьшение Р^ах до 0 происходят при-
мерно при одном и том же значении числа М ~ 0,6. При наличии турбулизаторов сила, действующая на цилиндр против нестационарного потока газа /?~ах, достигает нулевого значения несколько раньше. Можно предположить, что наличие турбулизаторов на цилиндре способствует преждевременному отрыву пограничного слоя при меньших числах М (М—0,45) по сравнению с гладкой поверхностью цилиндра (М—0,6).
3. Для диапазона относительных интенсивностей взрывной волны Арф/р^~ ~0,04-4-3 получена экспериментальная зависимость максимальной силы, действующей на цилиндрическое тело в процессе взаимодействия, от числа М. Несмотря на большое различие при эксперименте в числах Ие и Б11, зависимость ■^тах (М) в диапазоне чисел М ~ 0,06-^0,9 довольно четко выражена и согласуется с теоретическими представлениями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Голубинский А. И., Соколов К. Б. Исследование распределения давления по поверхности плоских и цилиндрических тел при падении на них взрывной ударной волны. Труды ЦАГИ, вып. 1298, 1970.
2. Иванов А. Н., Чернявский С. Ю. Исследование взаимодействия сферической ударной волны с телами. ПМТФ, № 6, 1969.
3. Чернявский С. Ю. Устройство для измерения полного и статического давлений в нестационарных газодинамических потоках, Авт. свид. № 159667. Бюллетень изобретений, промышленных образцов и товарных знаков, № 1, 1964.
4. Иванов А. Н., Чернявский С. Ю., Борисовская В. П. Устройство для тарировки датчиков давления. Авт. свид. № 226913. Бюллетень изобретений, промышленных образцов и товарных знаков, № 29, 1968.
5. Колган В. П., Ф о н а р е в А. С. Установление обтекания при падении ударной волны на цилиндр и сферу. „Изв. АН СССР, МЖГ“, 1972, № 5.
6. Джакобс И. Н. Методы, применяемые в Америке для аэродинамических экспериментальных исследований при больших скоростях. Газовая динамика. Доклады на конференции по большим скоростям в авиации, состоявшейся в Риме в 1935 г., ГОНТИ, М.-Л., 1939.
Рукопись поступила 18/VII 1974
