Исcледование течения газа в области взаимодействия системы падающих ударных волн с ударной волной перед тупым телом Текст научной статьи по специальности «Физика»

________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том XXIV 1993

№ 2

УДК 533.6.011.72

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В ОБЛАСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ ПАДАЮЩИХ УДАРНЫХ ВОЛН С УДАРНОЙ ВОЛНОЙ ПЕРЕД ТУПЫМ ТЕЛОМ

С. Е. Мойзис, В. И. Шустов

Изложены результаты исследований распределения давления на поверхности тупых тел в области взаимодействия системы падающих ударных волн с ударной волной перед тупым телом при числах Moo»8 и Re« « (0,3-н0,6) 106.

Показано, что при взаимодействии сфокусированных ударных волн, генерируемых клином с изломом, с ударной волной перед телом реализуется течение с низкоэнтропийной струей и сопутствующими особенностями такого течения. Фокусирование ударных волн может происходить перед выступающими элементами летательных аппаратов, перед кромкой воздухозаборника, а также при отрывах потока перед препятствиями.

Получено, что течение с низкоэнтропийной струей реализуется и в области падения местной ударной волны, образующейся во внутреннем течении за передней волной.

При обтекании гиперзвуковым потоком газа сложных тел, имеющих различные выступающие элементы, могут возникать ударные волны, которые взаимодействуют с ударной волной перед этими элементами.

Воздействие одной падающей ударной волны с ударной волной перед тупым телом изучалось в ряде работ как экспериментальным, гак и расчетным путем [1—9]. Одним из сложных случаев взаимодействия, возникающего при падении ударной волны на тупое тело, ведет к образованию системы ударных волн с двумя тройными точками и вторичной струи с низкой энтропией. В этом случае часть сжатого газа проходит через систему косых ударных волн и может приводить к большому местному повышению давления и тепловых потоков.

В работе (9] рассмотрено падение не одной ударной волны, а системы ударных волн на круглый цилиндр. Ударные волны или фокусировались в одной точке перед телом или падали порознь. При падении сфокусированной системы волн образуются две узловые точки. Первая узловая точка образуется пересечением всех падающих сфокусированных волн, ударной волны перед тупым телом и одной отраженной волны; при падении ударных волн порознь каждая падающая ударная волна генерирует две узловые точки по три волны в каждой. С помощью теневой картины обтекания ранее [9] была показана возмож-

ность реализации течения с низкоэнтропиинои струен при падении на тупое тело указанных систем ударных волн. Приближенные расчеты показали, что в области взаимодействия ударных волн на тело могут действовать перерезывающие силы, значительно превосходящие силы, получающиеся при падении одной ударной волны. Однако непосредственное измерение давления на теле при таких системах ударных волн не проводилось.

Целью данной работы являлось экспериментальное исследование распределения давления на тупом теле (круглом цилиндре) в области взаимодействия системы ударных волн, когда в одной из узловых точек фокусируется несколько ударных волн или когда при взаимодействии с телом каждой порознь падающей ударной волны образуются по две узловые точки.

1. Модели, используемые в данных исследованиях, представляли собой систему «клин с изломом образующей + круглый цилиндр». Цилиндр устанавливался на некотором расстоянии от клина в хвостовой области под почти прямым углом к направлению невозмущенного потока в вертикальной плоскости (рис. 1). Геометрические данные моделей приведены на рис. 1 и в таблице на этом же рисунке. Клин крепился на хвостовой державке, а цилиндр на державке, проходящей через верхнюю стенку рабочей части аэродинамической трубы. Цилиндр располагался за клином в области симметрии. Положение цилиндра относительно клина характеризовалось координатами х и у. С помощью координатника цилиндр мог перемещаться перпендикулярно направлению невозмущенного потока и вдоль него. Цилиндры были разных диаметров. На передней образующей цилиндров имеется одна дренажная точка (Л). Положение ее указано в таблице (см. рис. 1).

Измерение профиля давления осуществлялось путем перемещения цилиндра в вертикальном направлении. При этом считается, что картина течения в области взаимодействия ударных волн не изменяется

Клин Державка

у/у/;/;/;//г7777тгу/му. '

43

175

м насадкоб Схемы Я, мм Н,мм К,мм й,мм Яе-Ю*

1 а 11,5 Зв 17 8 0,5

2 а 12,5 36 13 3 0,5

3 а 10,0 36 13 8 0,4

Ч- 6 11,5 10 10 3 0,6

Ряс. 1

при перемещении цилиндра в некотором небольшом интервале значений А у. Ранее это подтверждалось путем увеличения длины цилиндра с нижней стороны. Положение цилиндра относительно основания клина характеризовалось координатой х0, а координата положения центра дренажного отверстия на цилиндре отсчитывалась от уровня основания клина (см. рис. 1).

Диаметр дренажного отверстия с?д.0 = 0,3 мм. Длина пневмотрассы составляла около 1,5 м. Измерение проводилось преобразователем давления типа ИКД6ТДа-11 (диапазон измерения (0-ь 11) ■ 105 Па), давление в форкамере аэродинамической трубы измерялось преобразователем давления типа ТМД-200 (диапазон измерения (0-ь200) • 10г’ Па). Клин устанавливался под углом атаки а = 0.

В области взаимодействия ударных волн картина течения фотографировалась теневым методом с помощью прибора Теплера. Время экспонирования составляло примерно 6 мкс.

Опыты проводились в аэродинамической трубе при числе Мсс~8 и Reoo« (0,3-ь0,6) • 106 в потоке воздуха, подогретом до температур Го—(820-ь750) К. В качестве характерного размера при расчете числа Reoo принимался диаметр цилиндра.

На рис. 2 представлено распределение относительной величины давления polpo вдоль критической образующей цилиндра диаметром 25 мм в области взаимодействия двух сфокусированных ударных волн при невозмущенном потоке, соответствующем числу моо = 8. Здесь и далее все измеренные давления отнесены к полному давлению р0 невозмущенного потока. Давление в области 2 перед цилиндром характеризуется разрежением, что и видно на графике. В данном случае область разрежения простирается до точки фокусирования ударных волн, а потому участка с постоянным давлением, соответствующим давлению в области 2, не получилось. При дальнейшем увеличении координаты у давление резко повышается. Полученное наибольшее значение давления в 8,25 раза превышает давление в критической точке невозмущенного потока. Можно предположить, что это давление не является максимальным; в более узкой области оно возможно имеет еще большее значение. Затем давление резко понижается до значения, примерно равного половине /?о. Последующее колебательное изменение давления выходит на значение ро/ро = 0,85-10~2. Постоянного значения давления рю, соответствующего области 1, не наблюдается. На рис. 2 приведены фотографии течения в области взаимодействия ударных волн, соответствующие моменту, когда дренажная точка находится на конкретном расстоянии по отношению к угловой точке клина (эти расстояния отмечены вертикальными штрихами). Во время опытов отмечалась некоторая нестабильность положения ударной волны в верхней части цилиндра, особенно при движении его вверх. Это объясняется тем, что интенсивная головная волна в верхней части цилиндра взаимодействовала с пограничным слоем на стенках рабочей части и наступал отрыв потока, который и оказывал влияние на верхнюю часть обтекаемой модели. На рис. 2 и последующих рисунках сплошными линиями и цифрами показаны расчетные значения ро/ро в областях, отмеченных на схеме.

Сравнение экспериментальных данных, приведенных на рис. 2, с результатами приближенных расчетов, проведенных для двух схем (рис. 3), отличающихся длиной низкоэнтропийной струи и тремя или четырьмя косыми ударными волнами, в которых происходит торможе-

0,5 1,0 1,3 y/2R

Рис. 2

Рис. З

ние потока в струе, показывает, что максимальные значения ро/Ро, полученные в эксперименте, ближе к расчетным, соответствующим схеме За. Однако для уточнения реализации приведенных схем течения необходимы дополнительные экспериментальные исследования.

Уменьшение диаметра цилиндра до величины (1 = 20 мм привело к снижению максимального давления до значения /V/>o°° = 6,25 (рис. 4). По-видимому, это связано с уменьшением радиуса кривизны цилиндра, числа Re«*,, а также с увеличением соотношения между диаметром дренажного отверстия и диаметром цилиндра (в обоих случаях диаметр дренажного отверстия равен 0,3 мм).

Для получения результатов при взаимодействии двух падающих ударных волн на цилиндр при различных положениях его вдоль потока и уменьшения влияния стенок рабочей части была изготовлена модель цилиндра высотой 20 мм, радиусом 12,5 мм и срезанным дном в задней части. Результаты исследования с таким цилиндром, укреплен-

Рис. 4

2.5

—расчет о эксперимент

0,5

Ю у/2Ь'

Рис. 5

Ей.щг

15

5.0

2.5

I

I! ' ?.1 М-2

^ I

---- расчет

о испытание 1 V V 2

*

■^--^уоооососсо— О

0,5

1,0 у/2Я

Рис. 6

ным на Г-образной державке и находящимся на расстоянии х=15 мм от торца клина, представлены на рис. 5. Ударные волны на поверхность цилиндра падают порознь. В этом случае эффект низкоэнтропийной струи проявляется в о'бласти первой ударной волны. В области второй ударной волны повышения давления не наблюдалось; возможно, низкоэнтропийная струя получается очень узкой и размывается при подходе к цилиндру. Результаты исследования с той же моделью при х = 0, т. е. когда цилиндр был вплотную пододвинут к дну клина, приведены на рис. 6. Перед цилиндром образовалась срывная зона, и наклонная ударная волна сфокусировалась со второй падающей ударной волной, и образовалось взаимодействие ударных волн с интенсивной струей. Наибольшее давление, измеренное на цилиндре, составило ро/ра°о = 8,\ • 10-2, т. е. в случае образования срывных зон воздействие струи может значительно возрасти; в данном случае это давление в 9,6 раза превысило значение рох.

Проведенные исследования дали новую информацию о взаимодействии системы падающих ударных волн перед тупым телом при числе М00 = 8, не рассматривавшемся ранее.

Исследования с измерением давления вдоль образующей цилиндра ь области взаимодействия двух сфокусированных ударных волн показали, что в этой области на передней образующей имеются большие величины давления, существенно превышающие давление в критической точке для невозмущенного потока, а теневые картины течения свидетельствуют о наличии низкоэнтропийной струи. Течение с низкоэнтропийной струей может реализовываться также в местной сверхзвуковой области вследствие падения одной из волн на тупое тело. Появление отрыва на теле и сопутствующей ему ударной волны может приводить к фокусированию ударных волн перед тупым препятствием.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тетер и н М. П. Исследование течения газа в области падения скачка уплотнения на цилиндр, обтекаемый потоком большой сверхзвуковой скорости//Изв. АН СССР, МЖГ.— 1967, № 2.

2. Т е т е р и н М. П. Исследование течения газа и теплопередачи в области падения скачка уплотнения на цилиндр, обтекаемый потоком большой сверхзвуковой скорости//Изв. АН СССР, МЖГ.— 1967, № 3.

3. Е d п е у В. Е. Effects of shock impingiment of ilie heat transfer around blunt bodies//AlAA J. — 1968. Vol. 6, N 1.

4. Шустов В. И., Амарантова И. И. Исследование течения газа в области взаимодействия .падающей ударной волны с ударной волной перед цилиндрическим телом при гиперзвуковых скоростях потока//

Труды ЦАГИ. — 1972. Вып. 1396.

5. Шустов В. И. Определение поля давления с помощью трубки Пито в сверхзвуковых потоках с ударными волнами//Ученые записки ЦАГИ. — 1974. Т. 5, № 3.

6. Hains F. D., Keyes J. W. Shock interference healing in hypersonic flows//AIAA J. — 1972. Vol. 10, N 11.

7. Korkegi K. H. Survey of bissons interactions associated with

high Mach number flight//А1АА J. — 1971. Vol. 9, N 5.

8. Шминенкова Г. А. О взаимодействии внешнего скачка уплотнения с затупленным телом в гиперзвуковом потоке//Изв. АН СССР, МЖГ,— 1976, № 1.

9. М о й з и с C. E., Шустов В. И. Некоторые особенности взаимодействия системы падающих ударных волн с ударной волной перед тупым телом//Труды ЦАГИ.— 1983. Вып. 2177.

Рукопись поступила 29/V 1991 г.