Экспериментальное исследование влияния числа Re на характер обтекания осесимметричных тел с выемкой в носовой части Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ И А Г И

Том IV 19 7 3 М3

УДК 533.6.011.55

533.6.013.2.011.55

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧИСЛА Ре НА ХАРАКТЕР ОБТЕКАНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ТЕЛ С ВЫЕМКОЙ В НОСОВОЙ ЧАСТИ

В. И. Шустов

Исследовано влияние чисел Ие, М и формы передней кромки на характер обтекания осесимметричного тела со сферической выемкой в носовой части. Опыты проведены при числах М ~ 6 и 5 в диапазоне чисел Не примерно (0,035^-0,6)- 10е. Характер обтекания носовой части модели определялся по теневым картинам, полученным в различные моменты времени. Показано, что неустойчивость обтекания тел с выемками в носовой части зависит от числа !?е и геометрических особенностей передней кромки модели. Максимальный отход ударной волны перед осесимметричным телом с выемкой примерно в три раза превышает отход ударной волеш от круглого торца, обтекаемого потоком с тем же числом М.

1. Течение в ударном слое около тупых тел в сверх- и гиперзвуковом потоке в большинстве случаев устойчиво и не приводит к изменению сил, действующих на тело при установившемся полете. Однако имеются формы тел, для которых устойчивое обтекание не всегда может реализовываться. Так, в работе [I] рассматривались тупые тела с выемками в носовой части, около которых течение при гиперзвуковых скоростях потока газа было неустойчивым. Согласно этим исследованиям неустойчивость течения, по-видимому, обусловлена образованием вихрей внутри выемки. Развившиеся внутри выемки вихри на определенной стадии выбрасываются из нее. Различные формы выемок в неодинаковой степени способствуют образованию вихрей. В работе [2] была предпринята попытка объяснить характер неустойчивости обтекания вогнутых полостей без протока на основе численных решений осесимметричного невязкого течения. Однако рассмотрение невязких течений, по-видимому, не может дать полного объяснения неустойчивости течения около тел с выемками. Это подтверждается тем, что наряду с неустойчивым обтеканием тел с выемками в носовой части наблюдалось и устойчивое (или довольно близкое к устойчивому) обтекание их сверхзвуковым потоком газа.

Изложенное указывает на необходимость определения параметров сверхзвукового потока и основных геометрических характеристик тела, обусловливающих реализацию неустойчивого течения около тел, имеющих выемки. Выемки разной формы могут появляться в связи с обгаром тела при прохождении плотных слоев атмосферы, а иногда являются конструктивными особенностями тела. Данная работа посвящена исследованию влияния чисел М и Ие и геометрических параметров передней кромки тела на характер обтекания сверхзвуковым потоком осесимметричного тела с выемкой в носовой части.

2. Исследованная модель представляла собой тело вращения оживальной формы со сферической выемкой в носовой части. Обтекание модели изучалось при трех вариантах кромки носовой части: острой, круглой и плоской. При

изменении формы кромки глубина выемки немного изменялась. Геометрические размеры модели приведены на фиг. I. Модель устанавливалась в рабочей части аэродинамической трубы на хвостовой державке. Во время опытов фиксировалась теневая картина обтекания модели. Время экспонирования составляло около 6 мкс. Фотографирование картины обтекания проводилось после установления режима течения в аэродинамической трубе. (Темные пятна на приводимых фотографиях обусловлены некоторыми неоднородностями поверхности стекол окна рабочей части трубы).

Исследования проведены при числах М ~ 5 и 6 в диапазоне чисел Ие примерно (0,035-^0,6)- )06. При расчете числа Ие за характерный линейный размер взят диаметр носовой части (с? 0,016 м). Число Ие варьировалось путем изме-

нения полного давления в форкамере аэродинамической трубы.

3. Результаты экспериментальных исследований обтекания сверхзвуковым потоком осесимметричных тел с выемками в носовой части представлены в виде теневых снимков при различных числах Ие.

На фиг. 2 приведены картины обтекания модели с плоской кромкой при М ~ 6 и некоторых значениях чисел Ие. Визуальные наблюдения во время опытов и полученные фотографии показали, что колебания головной ударной волны происходили при числах Ие> 0,12 • 106. Максимальная величина отхода ударной волны примерно в 2,4 раза превышала полученную расчетным путем [3] величину отхода ударной волны е0 Для круглого торца при стационарном обтекании его потоком с числом М = 6. При числе Г?е = 0,58 • 106 максимальная величина отхода ударной волны уменьшилась и была близкой к е0. При числах Ке^0,12« !06 колебания ударной волны перед моделью со сферической выемкой и плоской передней кромкой не наблюдались.

В случае обтекания модели с круглой передней кромкой на основе визуальных наблюдений и теневых снимков можно заключить, что при числе Ие и 0,07• 10е обтекание модели близко к стационарному. При этом наблюдалось слабозаметное колебание ударной волны. Величина отхода ударной волны была практически равной величине отхода е0 перед круглым торцом. Увеличение числа Ие вызвало заметную неустойчивость ударной волны. Максимальная величина ее отхода от носовой части модели возросла примерно до 2,8 е0. Такой максимальный отход при колебаниях ударной волны имел место вплоть до числа Ие ~ 0,58 • 10е. Переход к числу М = 5 (см. фиг. 4, в) существенно изменил характер обтекания модели со сферической выемкой и круглой кромкой. Частота колебаний ударной волны значительно уменьшилась, уменьшилась и величина максимального отхода ее от тела. В этом случае при несимметричном обтекании модели (угол атаки аф 0) колебания ударной волны в интервале времени визуального наблюдения (~50 с) отсутствовали. На фиг. 3 приведена фотография картины течения около этой модели при а= 10°. Для определения характера течения около тел с выемками при других числах М и а ф 0 необходимы дополнительные экспериментальные исследования.

Некоторые фотографии картины течения около модели со сферической выемкой и острой кромкой представлены на фиг. 4, о при М я 6. В этом случае колебания головной ударной волны наблюдались во всем исследованном диапазоне чисел 1?е. Максимальная величина отхода ударной волны была такой же, что и у моделей, имеющих плоскую и круглую кромки носовой части. При числе Ие ;= 0,58• Ю6 максимальная величина отхода ударной волны уменьшилась почти до величины е0, процесс колебаний стал слабозаметным.

Типичные конфигурации ударных волн, полученные при обтекании моделей со сферическими выемками в носовой части в различные моменты времени, представлены на фиг. 4. При этом происходили как несимметричные (см. фиг. 4, а), так и почти симметричные (см. фиг. 4, б) колебания ударной волны, а также колебания с восстановлением положения ударной волны, близкого к стационарному обтеканию круглого торца (см. фиг. 4, в).

На фиг. 5 приведены зависимости максимального отхода ударной волны

(при ее колебании) Етах = •—^ах- от числа Яе для исследованных моделей. Из

этих зависимостей видно, что максимальная величина отхода ударной волны от тела зависит от числа Г?е и формы кромки носовой части. На этой же фигуре сравнивается максимальный отход ударной волны от модели с выемкой при неустойчивом обтекании с величиной отхода ударной волны е0 от круглого торца при числах М = 5 и 6, полученной в работе [3] расчетным путем. Сравнение показывает, что отход пульсирующей ударной волны значительно больше, чем отход при стационарном обтекании.

На фиг. 6 показаны области с наибольшими и малыми амплитудами колебаний ударной волны перед телом со сферической выемкой при изменении

М « 5: Re «0,32 • 10е, a = 10°, круглая кромка

В арі/а я ты носовых частей

Фиг. 1

М й: 6; a = 0; плоская кромка

Фиг. 2

радиуса кривизны передней кромки. Приведенный график имеет качественный характер, поскольку он построен на основе данных, полученных лишь для трех вариантов радиуса кривизны кромок, и границы областей по числам Ие являются приближенными.

а — плоская кромка, М яз 6, Ие ^ 0,24 • 106; б — острая кромка, М ял 6, 1}е £3 0,4 . 10°; я — круглая кромка, М = 5, 1}е ^ 0,32 • 10'\

Фиг. 4

Исследования показали, что неустойчивость обтекания тел с выемками в носовой части зависит от чисел Ие, М, а также от формы передней кромки модели. Максимальная величина отхода ударной волны от тела составляет примерно 3,3 є0. Эти особенности обтекания тел с выемками могут оказывать

£ max

Зкслеримелт о острая кромка 1 * круглая кромка \м-6 ь плоская кромка J Ф и г. 5

Ф лр//глая кромка; М=5

влияние на аэродинамику тела, поэтому их необходимо учитывать при определении аэродинамических сил, действующих на тела при полете со сверх-

и гиперзвуковыми скоростями. Описанное явление также следует иметь в виду при конструировании аэрометрических приборов, имеющих выемки в носовой части (например, таких, как трубка Пито для измерения полного давления за скачком уплотнения и др.).

ЛИТЕРАТУРА

1. Johnson R. Н. Instability in hypersonic flow about blunt bodies.

The Physics of Fluids, vol. 2, No 5, 1959.

2. Baslianon R. A. Unsteady solution of the flowfteld over

concave bodies. AIAA J., 1969, No 3.

3. Минайлос A. H. Параметры подобия и аппроксимацион-ные зависимости при обтекании эллипсоида сверхзвуковым потоком.

„Изв. АН СССР-МЖГ\ 1973, № 3.

к стационарному 001

Фиг. 6

fie'w'6 \ ' Ы Н.л.

i С малой \ ампли:

О^^/771/OOJ

05 ■

Рукопись поступила 25jV 1972 г.