Горячие струи Коанда Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

Т ом XXI

1990

№ 4

УДК 532.525.6

ГОРЯЧИЕ СТРУИ КОАНДА

И. Н. Соколова

Изложены результаты экспериментального изучения параметров горячих струй Коанда, которое показало, что нагревание тонких струй Коанда до 600°С не изменяет пределов их реализации. С увеличением температуры струи силовое воздействие струи Коанда на обтекаемое тело уменьшается. Показана автомодельность течений Коанда.

Известно, что эффект Коанда позволяет получать высокие значения подъемной силы и изменять ее величину без отклонения каких-либо органов управления, изменения угла атаки самолета, лишь изменением давления в форкамере сопла, создающего течение Коанда. В связи с этим были предприняты исследования влияния эффекта Коанда как на аэродинамические характеристики профиля, закрылков и т. д., так и физической картины течения на цилиндре. Важнейшими характеристиками эффекта Коанда являются угол поворота струи, определяемый точкой ее отрыва, и силы, действующие на обтекаемую струей поверхность. Было показано, что основными параметрами, определяющими отрыв струи, являются давление в форкамере сопла и отношение начальной толщины струи б к радиусу цилиндра /?. Было показано также, что для каждого значения полного давления в форкамере сопла р<> имеется свой угол отрыва струи. Однако для тонких струй Коанда (6//? С0,2) даже малое изменение давления отрыва Роотр сверх предельного ведет к резкому изменению угла отрыва — отрыв очень быстро перемещается к срезу сопла, т. е. течение Коанда разрушается сразу по всей поверхности, и при Ро>Роотр струя ведет себя как свободная [1]. Эти исследования, а также исследования параметров самой струи Коанда были проведены лишь для холодных струй. Однако, так как для создания эффекта Коанда на самолете используются продукты сгорания двигателя, то важным вопросом является влияние температуры струи на параметры течения Коанда.

В данной работе исследовано влияние нагревания тонкой струи на параметры отрыва течения Коанда. Для струй Коанда, безразмерные начальные толщины которых б//? составляли примерно 0,1; 0,14; 0,18 и 0,20, исследовано влияние повышения температуры в форкамере до 600°С. Эксперимент проводился на струйной установке, принципиальная схема которой показана на рис. 1. Струя формировалась сужающимся плоским соплом, удлинение которого

Холодний Воздух

/ Сетка У Хоиейком/Г — Смесительная капера

Рис. 1

//6 = 20 (/—ширина сопла, 6 = 5 мм, 6 мм и 7 мм). Радиус обтекаемого цилиндра /?=50 мм и 30 мм. Исследования проведены как при докритических, так и при больших сверхкритических давлениях (Ро/Роо= 1,4-5-5). На этих режимах измерены поля полных и статических давлений и распределение статического давления по поверхности Коанда при различных давлениях и температурах в форкамере сопла. По полученным эпюрам давлений определено давление отрыва холодной и горячей струй Роотр/Роо (Роо—давление в затопленном пространстве). Эпюры распределения давления поперек горячих струй отличны от соответствующих эпюр холодных струй, что видно из распределения полных давлений Ро/Роо = /(2) (рис. 2) и статических давлений р'/роо = /(Р) по поверхности цилиндра (рис. 3). Следует отметить, что благодаря концевым шайбам, двумерность течения сохраняется на центральных 80% течения. Поэтому распределение давления приведено только в центральном сечении.

Многочисленные измерения профилей полного давления различных струй показали, что толщины холодных и горячих струй одинаковы.

Несмотря на различие поперечных структур, отрыв горячей и холодной струи зафиксирован практически при одинаковом значении относительного давления в форкамере сопла (рис. 3 и 4). Возможно это объясняется тем, что при одинаковых полных давлениях в форкамере расход горячей струи меньше, чем расход соответствующей холодной струи, но так как скорость пропорциональна квадратному корню из температуры, то импульс горячей и холодной струи одинаков. Следовательно, в среднем, и центробежные силы горячей и холодной струй одинаковы. Значит примерно равны перепады статического давления поперек горячей

Рис. 2

и холодной струй. Различие структур холодной и горячей струй, по-видимому, объясняется различием в значениях их коэффициентов вязкости.

Известно,, что в затопленных струях на основном участке течения профили скоростей

Z — Z

ы/ытах, построенные по безразмерной координате ----------------—, универсальны. Здесь и и ытах

^ max ^тах 2

скорость в поперечном направлении и ее максимальное значение, z — расстояние от поверх-

^тах

HOCTH, z тах — расстояние до точки, в которой и = —-—.

2

Для пристеночных струй, в том числе и для струй Коанда, необходимо обрабатывать внешнюю (слой смешения) и пристеночную (пограничный слой) части профиля, например, по формуле

■~f

(z —zmax \

*z± _г У

А шах '"шах в 2 '

где верхний знак относится к внеЦщей части струи, а нижний — к ее пристеночной части. При этом есть координата, в которой скорость равна половине мтах соответственно в верхней

~

и нижней частях профиля.

Для горячих высокоскоростных струй Коанда определить профили физических скоростей “/“max не удается. Плотность в таких струях меняется как вдоль, так и поперек струи и для ее определения нужно знать температуру в соответствующих точках течения, методика измерений которой в вязких сжимаемых струях пока не разработана.

Однако для исследуемых горячих высокоскоростных струй Коанда по измеренным значениям р0 и р’ в различных сечениях струи можно определить профили безразмерных скоростей ХДтах ПРИ различных температурах газа в форкамере. На рис. 5 для внешней части

струи с 6/R = 0,14 показана дорожка значений V^max =

у ^ шах ^шах /

внутри которой ле-

жат профили этой величины при различных р, р0/р„ и Г0 (р0/Рс<> = 1.4-;-3,5, Т0 = 15-^ 600°С, Р = 65°—125°). Из этоготрафика видно, что приближенно во всех сечениях и при всех исследованных давлениях и температурах в форкамере этот профиль можно аппроксимировать, например, универсальной формулой

-А- = sec Л2 / 0,88 Z ^ 1

^max I ^ max ^тах I

показанной на рис. 5 штрихпунктирной линией и предложенной в работе [2] для аппроксимаций профилей скоростей струи Коанда в несжимаемой жидкости при малых скоростях

(при( £-')<')•

Рис. 6

Таким образом, можно считать, что и горячие сжимаемые струи Коанда обладают определенной автомодельностью. Однако для полного исследования этого вопроса требуется знание распределения температур в струе, что, как отмечено выше, пока не удается преодолеть из-за методических трудностей.

Интегрированием распределения статического давления по поверхности цилиндра определено отношение подъемной силы У и сопротивления X на исследованном участке поверхности Коанда к тяге сопла Рс. С увеличением температуры струи силовое воздействие струи Коанда на обтекаемое тело уменьшается (рис. 6).

Отметим, что сила X действует в направлении, противоположном тяге сопла, и больше последней по величине. Если бы струя развернулась вокруг цилиндра на 180°, не теряя импульса из-за вязкости, то сила X, очевидно, равнялась бы удвоенной тяге. Из-за вязкой потери импульса и разворота на меньший угол сила X не достигает удвоенной тяги, но все же больше нее. В ряде приложений эффекта Коанда это обстоятельство может приводить к увеличению сопротивления. Так, например, при применении эффекта Коанда на задней кромке крыла самолета, наряду с увеличением подъемной силы из-за суперциркуляции, на закругленную заднюю кромку действует сила сопротивления. При горячих тонких струях это сопротивление меньше.

ЛИТЕРАТУРА

1. Соколова И. Н. Экспериментальное исследование пределов реализации течения Коанда.— Ученые записки ЦАГИ, 1983, т. 14, №4.

2. Newmen В. О. Boundary layer and flow control.— Pergamon Prees,

1961.

Рукопись поступила 29/IV 1987 г.