Исследование донного давления за ступенькой клина с различными углами при вершине в гиперзвуковом потоке Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

_________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

Том XXVIII 1997

№2

УДК 532.526.048.3.011.55

ИССЛЕДОВАНИЕ ДОННОГО ДАВЛЕНИЯ ЗА СТУПЕНЬКОЙ КЛИНА С РАЗЛИЧНЫМИ УГЛАМИ ПРИ ВЕРШИНЕ В ГИПЕРЗВУКОВОМ ПОТОКЕ

В. Г. Артонкин

Приведены результаты экспериментального исследования донного давления за ступенькой клина с различными углами при его вершине в гелиевом потоке. Показано, что при нулевом уте атаки с увеличением угла При вершине клина относительная величина донного давления PR/Pco возрастает и

достигает максимального значения за ступенькой клина с углом при вершине р = 90°. Обнаружено, что полученные величины донного давления за ступенькой клина, построенные в координатах —— и M^tgp, образуют

М sin р

00

универсальную зависимость. Дана приближенная формула для расчета донного давления за пластиной, установленной перпендикулярно направлению скорости набегающего потока. Полученные результаты сравнены с теоретическими расчетами других авторов.

Известно, что донное давление за ступенькой клина зависит от многих параметров: скорости набегающего потока, числа Ле, состояния поіраничного слоя, температуры поверхности клина, его геометрии и др. Влияние чисел М„ и 11е на величину донного давления за ступенькой клина с углом при вершине р = 10° было изучено в работе [1]. Экспериментальных данных о влиянии других параметров на донное давление за ступенькой клина очень мало. Поэтому в связи с увеличением диапазонов полетных чисел М* и Ке летательных аппаратов, имеющих крыловые профили с тупой задней кромкой, может быть полезным знание величин донного давления за плоской ступенькой при различных углах наклона контура тела перед донным срезом.

С этой целью было проведено измерение донного давления за ступенькой клина с различными углами при его вершине, равными 0; 5; 10; 15; 20; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60; 65; 70 и 90е. Место сопряжения поверхности клина с донным срезом модели было выполнено в виде острой кромки. Следует отметить, что у модели 1 (Р = 0) нижняя «нерабочая» поверхность (в отличие от других моделей) располагалась

не в направлении оси трубы, а наклонена по отношению к ней под углом 60°. Модели устанавливались на плоской державке с относительными размерами Лдерж/й = 0,5 и Ьдерж/Ь = 1,0. Длина плоской державки /держ = 10А. При такой длине державки влияние центрального узла жесткой подвески на донное давление клина отсутствует.

Геометрические параметры моделей приведены в таблице.

^ еометрические -^параметры Номер моделей Длина X, мм Ширина Ь, мм Угол при вершине р, град. Высота клина й, мм Высота ступеньки йст, мм

1 113 30 0 10 5

2 ИЗ 30 5 10 5

3 56,7 30 10 10 5

4 37,4 30 15 10 5

5 27,3 30 20 10 5

6 17,3 30 30 10 5

7 14,3 30 35 10 5

8 11,9 30 40 10 5

9 10 30 45 10 5

10 8,4 30 50 10 5

и 7 30 55 10 5

12 5,7 30 60 10 5

13 4,6 30 65 10 5

14 3,6 30 70 10 5

15 0,5 30 90 10 ' ■ 5

Относительная площадь загрузки (затенения) каждой модели при нулевом угле атаки составляла 1,7% площади сечения рабочей части гелиевой аэродинамической трубы ГГ-1 ЦАГИ (■Ум/^,р.ч =0,017). При такой площади загрузки рабочей части для моделей с большим лобовым сопротивлением (с р = 30 -г- 90°) испытания проводились при волновом запуске трубы. В работе [2] даны предельные размеры моделей при волновом запуске аэродинамической трубы ГТ-1. Размеры данных моделей были существенно меньше предельных размеров моделей, реализованных в работе [2]. Кроме того, при волновом запуске трубы ГТ-1 одновременно проводились снимки течения около модели и запись величины амплитуды донного давления на осциллограмме.

Донное давление измерялось в одной точке на плоской державке вблизи донного среза ступеньки в центре ширины державки. Для измерения донного давления использовались малогабаритные индуктивные датчики. Рабочим газом служил гелий.

В испытаниях использовалось коническое сопло с полууглом 6°. Числа М.» в рабочей части аэродинамической трубы изменялись от 10,9 до 28 (путем установки вставок с различным диаметром критического сечения), а числа Ые, подсчитанные по высоте клина А — от Лел =

= 0,097 -106 до Еей =0,2-106. Значения чисел М» взяты для каждой модели в вершине клина. Принципиальная схема трубы ГТ-1 и основные исследования полей потока в ее рабочей части приведены в работе

[3].

О 25° 50° 75° р

а эксперимент [/]

Ч М^-28; Я.ек-0^7-10*

Ч 22; 0,143-10е

• 18; Ц2Юе

о Цв; 0,131-10‘

Рис. 1. Изменение относительной величины донного давления рл/рю в зависимости от величины угла при вершине клина и различных значениях М.

Испытания всех моделей клина проводились только при нулевом угле атаки.

На рис. 1 приведены относительные величины донного давления ра/р<х> в зависимости от угла при вершине клина для чисел М*, = 11,8, 18, 22 и 28. Можно видеть, что с увеличением угла при вершине клина от р = 0 до 90' величина донного давления за ступенькой клина возрастает в 6—10 раз в зависимости от скорости набегающего потока. На этом же рисунке для сравнения приведены относительные величины донного давления за ступенькой клина с углом при вершине Р = 10° , взятые из работы [1]. Это сравнение показывает удовлетворительное их согласование.

При построении графика относительных величин донного дав-Ря/Р«

ления в виде

віп2 Р

от параметра

подобия М^р было обнаружено, что для каждого значения М^. образуется своя зависимость. При этом с увеличением скорости набегающего потока относительные величины донного давления возрастают (рис. 2). На этом же рисунке показаны стрелками величины донного давления за ступенькой клина с углом при вершине р = 90°.

Полученные величины донного давления за ступенькой клина с различными углами р при различных скоростях набегающего потока можно привести к наиболее удобному виду, используя координаты Ря/Р«

М2’3

8ІП2 Р

и Мад^р (подобные координаты применены в работе [4]

для коэффициента давления на поверхности конуса при сверхзвуковых скоростях). Видно, что зависимости, полученные при различных скоростях набегающего потока, сближаются между собой, образуя уййвер-сальную кривую в диапазоне параметра подобия М^р = 30 + 77 (рис. 3). В этом диапазоне значений М^р можно определять Относительную величину донного давления ра/рл по приближенной формуле:

Ра/Роо = 0,01М2’3 р.

(1)

*£пгр

80

40

V..М_

ЕЕЗ

01 Ь=5° = Ч5а

. ▼ 100 д 50°

! 75е • 55°

' '«г1. 20° У 60°

п ■ 30° У ДГ

-X" 35° о 70°

40° 30°

Рис. 2. Зависимость величины

Рд/Р* бш2 р

75

от параметра подобия

М^&р при различных значениях М»

р>!р~

Мй3*1л?$

0,06

0,04-

0,02

▼ в=7о° А В-«5е

V 15° Д ' 50°

■ ■ 20* • 55“

М„~2В □ 30° У 60°

/ 22 X 35° У 65°

/18 Ж 40° о 10°

Л7

Рис. 3. Изменение величины

Рд/Р«

М2’3 вт2 р

еп г

от параметра подобия

Мдафр при различных значениях М.

На рис. 4 дано сравнение результатов расчета по приближенной формуле (1) с экспериментальными данными для величин донного давления за ступенькой клина с углом при вершине р = 90°. Из этого сравнения видно, что результаты расчета удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. Расчет по приближенной формуле можно использовать для оценки относительных величин донного давления за ступенькой клина с большими углами при вершине и ги-перзвуковых скоростях. . « г ;

На этом же рисунке приведены относительные величины донного давления за цилиндром, установленным торцем к набегающему потоку

10

10

20

Р-’М- Pi (см. штриховая кривая) [5] и за диском

(штрихпунктирная кривая) [6]. Это сравнение показывает, что уровень донного давления за ступенькой пластины, установленной перпендикулярно направлению скорости набегающего потока, значительно выше, чем уровень донного давления за диском или цилиндром.

Необходимо отметить, что при обтекании конуса с большими углами при вершине (55 -ь 90°) величина донного давления практически не изменяется в этом диапазоне углов при вершине конуса [6]. При обтекании же клина с увеличением углов при его вершине от 55 до 90° величина донного давления непрерывно возрастает. Такое значительное расхождение в величинах донного давления за клином и конусом в диапазоне углов при их вершине р = 55 + 90° является следствием различий в обтекании указанных тел.

Величины донного давления за ступенькой клина с различными углами при вершине были отнесены к давлению на поверхности соответствующего клина, которое находилось по модифицированной формуле Ньютона ср = c?max sin2 р, где ср = 1,76 для гелия при М -> оо. Отношение донного давления за ступенькой

Рис. 4. Зависимость относительной величины ря/р<в

от числа М® для моделей различной формы: ооо — р = 90", пластина, эксперимент;

----— расчет по формуле (1);

•------цилиндр [5];

-------диск [6]

Рис. 5. Сравнение расчетных данных с экспериментом: ооо — эксперимент, М. = 28 --- — расчет, М. “ 20 [7]

Рис. 6. Снимки обтекания моделей клина с различными углами при его вершине:

М„ = 18; ЯеА = 0,2 ■ 10*

бб

клина к давлению на его поверхности с увеличением угла при вершине клина непрерывно уменьшается. По теоретическим расчетам работы [7] уменьшение отношения Рд/Ркл происходит только до углов клина, равных р * 20°. При дальнейшем увеличении угла при вершине клина замечено возрастание отношения ра/рт при числе =20 (рис. 5). Следует иметь в виду, что расчет проведен для ламинарного режима течения на поверхности клиньев. Необходимо отметить, что при обтекании моделей клина с большими углами при его вершине перед моделями возникают отошедшие ударные волны, свидетельствующие, что в эродинамической трубе ГТ-1 при волновом запуске трубы реализуются расчетные режимы течения (рис. 6).

ЛИТЕРАТУРА

1. Артонкхн В. Г. Донное давление за ступенькой клина при ш-перзвуковых скоростях // Ученые записки ЦАГИ. — 1996. Т. XXVII, N° 3—4.

2. Безменов В. Я, Козырев А. П. Предельные размеры плохообтекаемых моделей, определяемые'рабочим режимом и режимом запуска гиперзвуковой аэродинамической трубы // Труды ЦАГИ. — 1969, № 244515.

3. Б е з м е н о в В. Я., К а б а н о в А. Г., К о л о б а ш к и н а А. А., Лебедев В- Ф-, М е ж и р о в И. И. Гиперзвуковая гелиевая аэродинамическая труба ГТ-1 // Труды ЦАГИ. — 1962, № 1217282.

4. Черный Г. Г. Течение газа с большой сверхзвуковой скоростью. — М.: Физматгиз. — 1959.

5. Артонкин В. Г. Влияние удлинения цилиндра на его донное давление при гаперзвуковых скоростях // Ученые записки ЦАГИ. — 1976.

Т. VII, № 1.

6. Артонкин В. Г. Влияние величины уша при вершине конуса на его донное давление при гаперзвуковых скоростях // Ученые записки ЦАГИ. - 1973. Т. IV, № 6.

7. Б л ь к и н Ю. Г., Н е й л а н д В. Я., С о к о л о в Л. А. О донном давлении за клином в сверхзвуковом потоке // Инженерный журнал. — 1963.

Т. III, вып. 2. .>■■■.

Рукопись поступила 7/ТУ 1995 г.