CC BY
144
Том ХЬЇЇЇ
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2012
№ 6
УДК 629.7.036 — 225.12 629.7.036.22
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕЧЕНИЙ В КАНАЛАХ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВОЗМУЩЕНИЙ С ПСЕВДОСКАЧКОМ
Н. В. ГУРЫЛЕВА, М. А. ИВАНЬКИН, Д. А. ЛАПИНСКИЙ, В. И. ТИМОШЕНКО
Рассмотрено образование рециркуляционных зон при интерференции свободного и фиксированного псевдоскачка с возмущениями от тонкой иглы, вихревого шнура и низконапорной струи. Оценено влияние такого взаимодействия на интегральные характеристики течения в каналах и методы управления ими.
На основании исследования взаимодействия с псевдоскачком вихревого шнура, генерируемого перед плоскостью входа в канал, предложен способ улучшения характеристик течения в канале с псевдоскачком при попадании в него вихревого шнура. Это может быть получено за счет создания на входе в канал локальной рециркуляционной зоны при установке острой иглы, выступающей перед плоскостью входа.
Ключевые слова: сверхзвуковой поток, канал, псевдоскачок, струя, вихрь, игла, рециркуляционные зоны.
ВВЕДЕНИЕ
Значительный практический интерес при проектировании входных устройств и каналов силовых установок высокоскоростных ЛА представляет определение особенностей взаимодействия различных возмущений с течением торможения внутри канала и поиск способов улучшения характеристик течения в каналах (повышение коэффициента восстановления давления, снижение пульсаций и т. д.). Предлагается в качестве защиты от воздействия сверхзвуковых сдвиговых слоев (в частности, вихревого шнура) на характеристики течения в канале использовать локальную отрывную зону, генерируемую иглой, установленной по оси канала.
ГУРЫЛЕВА Наталья Валериевна
кандидат технических наук, старший научный сотрудник ЦАГИ
ИВАНЬКИН Михаил Анатольевич
кандидат технических наук, начальник отдела ЦАГИ
ЛАПИНСКИИ Дмитрий Александрович
младший научный сотрудник ЦАГИ
ТИМОШЕНКО Валерий Иванович
доктор физикоматематических наук, член-корреспондент НАНУ, профессор, заместитель директора ИТМ НАНУ и НКАУ
Хорошо известно, что при обтекании сверхзвуковым потоком затупленных тел с иглой перед торцом тела реализуется различный характер течения в зависимости от относительной длины иглы. Обтекание тел с длинной иглой рассмотрено, например, в работах [1 — 3], а обтекание тел с короткой иглой — в работах [3, 4]. Как показано в [1, 3], при установке длинной иглы перед затупленным телом в сверхзвуковом потоке образуется отрывная зона и реализуется квази-стационарное течение с углами поворота потока, меньше предельных, что соответствует слабому решению, т. е. нижней ветви ударной поляры.
При обтекании затупленных тел с укороченной иглой в случае, когда длина иглы меньше предельной длины отхода ударной волны, течение имеет пульсирующий характер. При нестационарном режиме течения реализуется скачкообразный переход от нижней ветви ударной поляры (слабое решение) к течению с углами поворота потока 90°. Подробное исследование физики такого течения, частотных и амплитудно-временных характеристик проведено в [3, 4].
Целью проведенных в данной работе исследований являлось определение особенностей течения в канале с протоком при наличии иглы, выступающей перед плоскостью входа на различную длину.
Кроме определения особенностей течения с реализацией отрывной зоны на тонкой игле, выступающей перед плоскостью входа канала, также исследовалось образование рециркуляционной зоны при интерференции возмущений, создаваемых вихревым шнуром и струей, с течением торможения в канале: со свободным и фиксированным псевдоскачком, а также головной ударной волной.
Ранее было показано, что при взаимодействии интенсивного вихревого шнура с сильным скачком уплотнения происходит их взаимное разрушение с образованием конических скачков уплотнения и рециркуляционной зоны [5 — 7]. Вихревой шнур не разрушается при низкой интенсивности вихря [6] и интенсивности скачка уплотнения меньше предельной интенсивности, т. е. при реализации слабого решения (нижняя ветвь ударной поляры).
Интерференция вихревого шнура со скачком уплотнения в воздухозаборнике с образованием рециркуляционной зоны может привести к существенному ухудшению характеристик воздухозаборника — снижению коэффициента восстановления давления и уменьшению противопом-пажного запаса [5]. Известные способы воздействия на течение в воздухозаборнике — вдув и отсос пограничного слоя, закрутка потока — не приводят к заметному улучшению характеристик воздухозаборника в условиях попадания в него вихревого шнура. Для этих целей необходимо применение способов, устраняющих или ослабляющих вихревой шнур, а также способов, уменьшающих интенсивность скачков уплотнения.
В данной работе предложен способ управления взаимодействием вихревого шнура с псевдоскачком путем снижения интенсивности скачков уплотнения и организации течения, приводящего к замене прямого скачка уплотнения косым. Такое течение возникает при взаимодействии прямого скачка уплотнения с пограничным слоем на продольной тонкой игле. При взаимодействии прямого участка скачка (расположенного в начальной части псевдоскачка) с иглой, установленной по оси диффузора и практически не загромождающей площадь канала, должно возникнуть течение потока по кольцевому каналу вокруг отрывной зоны с косым скачком уплотнения на входе. Можно ожидать, что при попадании в такой канал вихревого шнура он не будет разрушаться, пока интенсивность скачков уплотнения будет меньше предельной.
Наряду с вихревым шнуром в качестве возможного генератора отрывной зоны при взаимодействии с ударными волнами рассматривалась низконапорная струя.
В настоящей работе приведены результаты исследований:
течения при размещении тонкой иглы варьируемой длины перед плоскостью входа канала с протоком;
особенностей течения при интерференции вихревого шнура и струи с течениями торможения в канале;
способа улучшения характеристик течения в диффузоре при попадании вихревых шнуров: увеличения коэффициента восстановления полного давления в конце диффузора, повышения противопомпажного запаса Ушш, т. е. минимального коэффициента расхода, при котором помпаж еще не наблюдается.
МОДЕЛИ И МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ
Испытания проводились на осесимметричной (рис. 1) и плоской (рис. 2) моделях, имеющих перед плоскостью входа источники возмущений, такие как генератор вихря, пилон для выдува спутной струи, а также иглу, выступающую перед плоскостью входа. Для плоской модели также рассматривались источники возмущений, расположенные за плоскостью входа, внутри канала модели.
Рис. 1. Схема исследуемых моделей, осесимметричный канал:
а — свободный канал; б — генератор вихря перед плоскостью входа; в — генератор струи перед плоскостью входа; г — игла, выступающая перед плоскостью входа
Осесимметричная модель (рис. 1, а) представляла собой канал с начальным цилиндрическим и последующим расширяющимся участком. Диаметр входа в канал Ок = 40 мм, длина начального участка Ь = 14 мм. Полуугол раствора конического участка 4°48'. В конце канала устанавливался механический дроссель. По длине канала модели измерялось распределение статического давления. Полное давление измерялось в конце цилиндрического и конического участков канала.
Плоская модель (рис. 2) представляла собой канал с прямоугольным входным участком постоянного сечения с острыми входными кромками. Длина прямоугольного участка канала составляла Ь = 200 мм, высота и ширина — 36 и 40 мм соответственно. В хвостовой части модели прямоугольный канал переходил в цилиндрический, в котором располагался механический дроссель.
На одной из стенок прямоугольного канала располагался ряд приемников для измерения статического давления, а в конце прямоугольного участка канала устанавливалась гребенка для
Рис. 2. Схемы моделей для исследования условий образования свободновисящей рециркуляционной зоны в плоском
канале при интерференции струи с псевдоскачком
измерения полных давлений. Для визуализации течения внутри прямоугольного канала он был снабжен прозрачными боковыми стенками.
При испытаниях осесимметричной модели перед плоскостью входа канала располагались различные генераторы возмущений. Использовались: крылообразный генератор вихря (рис. 1, б);
генератор низконапорной осесимметричной струи (рис. 1, в), который представлял собой державку со сменным звуковым соплом; диаметр сопла варьировался и составлял 5 — 8 мм, расстояние от среза сопла до входа в модель варьировалось от 5 до 45 мм;
тонкие иглы диаметром Ои = 1.8, 3.3 мм, выступающие перед плоскостью входа на относительную длину Ьи = Ьи/Ок = 0.2 — 0.75 (рис. 1, г), которые крепились на резьбе в центральном приемнике гребенки полных давлений, расположенной в конце цилиндрического участка канала.
Определялось распределение относительного статического давления р^р0ф по относительной длине канала и эпюры относительного полного давления р0)і ф р0) по диаметру или высоте канала (р0ф — полное давление в форкамере АДТ).
Для плоской модели (рис. 2) испытания проводились при наличии:
крылообразного генератора вихря, высотой 18 мм, крепившимся на расстоянии 40 мм от входной кромки канала, аналогично рис. 1, б;
пилона для выдува низконапорной осесимметричной струи, которая выдувалась на расстоянии 80 мм от входных кромок канала, на высоте 18 мм, аналогично рис. 1, в;
крылообразного генератора вихря и микропилона для выдува спутной струи, которые располагались внутри канала (рис. 2).
Испытания проводились в АДТ ЦАГИ ТССМ в диапазоне чисел М = 1.7 — 3.5; Яе ~ 2 • 106, угле атаки а = 0 при различных режимах дросселирования каналов моделей. Дросселирование обеспечило различные положения псевдоскачка при его перемещении вплоть до входной кромки, а также течение с выбитой головной ударной волной на входе. В процессе испытаний производилась фото- и видеозапись теневой картины течения перед входом в модели. Для плоской модели также проводилась визуализация течения внутри канала.
ТЕЧЕНИЕ С ТОРМОЖЕНИЕМ ПОТОКА ВНУТРИ ОСЕСИММЕТРИЧНОГО И ПРЯМОУГОЛЬНОГО КАНАЛОВ ПРИ ОТСУТСТВИИ ГЕНЕРАТОРОВ ВОЗМУЩЕНИЙ
Исследования проводились при М = 1.8 — 2.5. В процессе испытаний осуществлялось торможение потока в псевдоскачке, создаваемом в результате механического дросселирования каналов. В зависимости от степени дросселирования по распределениям давления можно выделить четыре характерных режима течения, для которых на рис. 3 и 4 представлены типичные распределения давления по длине осесимметричного и прямоугольного каналов.
РіІРн М-2
ГXX XX XXX А X---------X-------X---------
4
Рис. 3. Распределение относительного статического давления по длине осесимметричного канала при дросселировании
М = 2
_______________________________I________________________I
О 100 X 200 мм
Рис. 4. Распределение относительного статического давления по длине плоского канала при дросселировании
Режим 1 — режим открытого дросселя. На рассматриваемом участке канала при этом реализуется сверхзвуковое течение по всей длине. Статическое давление по длине осесимметричного и прямоугольного каналов примерно постоянно. Некоторое торможение потока происходит за счет трения.
По мере закрытия дросселя начинается торможение потока в псевдоскачке. Псевдоскачок перемещается вверх по потоку, его начало располагается в исследуемом канале. Это режим свободного псевдоскачка — режим 2. На этом режиме наблюдается характерное повышение статического давления по длине канала. Для осесиметричного и прямоугольного каналов в области псевдоскачка имеет место цепочка замыкающих скачков уплотнения (сверхзвуковая область) и зона выравнивания потока (дозвуковая область). Особенности такого торможения потока в каналах подробно рассмотрены в [8, 9].
С увеличением степени дросселирования начало псевдоскачка смещается вверх по потоку, достигая входных кромок, что соответствует возникновению 3-го режима течения — режима фиксации псевдоскачка на передних кромках канала. При этом дальнейшее увеличение степени дросселирования вызывает рост угла зоны отрыва у стенок канала и угла соответствующих косых скачков. В результате цепочка косых скачков уплотнения «схлопывается». Длина псевдоскачка уменьшается. Цепочка замыкающих скачков на режиме развитой фиксации вырождалась в один А,-скачок, причем прямой участок А-скачка занимает ~ 60% площади поперечного сечения канала как для осесимметричного, так и для прямоугольного каналов.
Режим 4 характеризуется наличием выбитой головной волны перед плоскостью входа.
ТЕЧЕНИЕ ПРИ НАЛИЧИИ ДЛИННОЙ ИГЛЫ НА ВХОДЕ КАНАЛА С ПРОТОКОМ
Рассматривалось течение, реализующееся при дросселировании канала с длинной иглой перед плоскостью входа. Для такого типа течения отличия по сравнению с течением в исходном канале наблюдаются для режимов 3 и 4, т. е. для режима фиксации и режима с выбитой головной ударной волной перед плоскостью входа канала (рис. 5).
Рис. 5. Схема образования рециркуляционной зоны при дросселировании канала с длинной иглой, установленной перед плоскостью входа:
а — режим 3; б — режим 4; 1 — рециркуляционная зона вблизи входной кромки обечайки канала; 2 — рециркуляционная зона в центре
канала
На режиме фиксации перед входом в диффузор на игле появляется возмущение с коническим скачком уплотнения (рис. 5, а, режим 3). Это возмущение свидетельствует о возникновении в центре канала рециркуляционной зоны, которая способствует образованию кольцевого потока на входе в канал. Возникновение дополнительной рециркуляционной зоны в осевой зоне изменяет картину течения на начальном участке канала и влияет на развитие отрывной зоны у обечайки. При дальнейшем дросселировании точка отрыва — начало центральной рециркуляционной зоны — продвигается к носку иглы.
После того, как рециркуляционная зона дошла до носка иглы, перед входом образуется система ударных волн: косой скачок + прямой (выбитая головная ударная волна) с местной дозвуковой скоростью течения у обечайки (рис. 5, б, режим 4). В кольцевом канале происходит разгон потока до местной звуковой скорости — «горло» создается вблизи от входной кромки. При дальнейшем разгоне потока в расширяющемся участке этого «полужидкого» канала достигается сверхзвуковая скорость и вновь возникает замыкающий скачок уплотнения (в сечении х!Вк = 0.5) с последующим торможением потока в псевдоскачке до дозвуковой скорости. При достижении на носке иглы предельного угла поворота потока 0 < 0м = 1 возникает режим 5 — помпаж, связанный с образованием отошедшей ударной волны. Наблюдаемая картина течения имеет место для всего исследованного диапазона чисел М. Диаметр иглы в исследованном диапазоне (£>и/Д< = 0.045 — 0.075) практически не влияет на картину течения и полученные характеристики.
Показано, что в результате установки иглы коэффициент восстановления полного давления уменьшается на 3 — 5% по сравнению с каналом без иглы. Кроме того, появляется режим пом-пажа, отсутствующий в исходном канале без иглы.
ТЕЧЕНИЕ ПРИ НАЛИЧИИ КОРОТКОЙ ИГЛЫ НА ВХОДЕ КАНАЛА С ПРОТОКОМ
При дросселировании канала с короткой иглой после того, как отрывная зона дошла до носка иглы и углы поворота потока достигли значений, близких к предельному; в зависимости от длины иглы дальнейшее дросселирование приводит к реализации течений двух типов. На рис. 6 приведено изменение предельной относительной (в калибрах высоты канала) длины отхода
Рис. 6. Изменение предельной длины отхода ударной волны от плоскости входа в зависимости от числа М
Рис. 7. Ударная поляра
ударной волны от плоскости входа канала^) в зависимости от числа М по [10]. Экспериментальные исследования показали, что при длине иглы, соответствующей области 1 (рис. 6), когда она больше длины отхода ударной волны А, реализуемый при дросселировании процесс соответствует последовательному перемещению по нижней ветви ударной поляры а = ф(9) (рис. 7). При степени дросселирования, соответствующей а = апред, начинается помпаж — низкочастотные колебания. Для длин игл, лежащих в области 2 (рис. 6), т. е. при Хпред < А (короткая игла), реализуется течение, для которого характерно «затягивание» беспомпажного режима. Так, например, для зависимости коэффициента восстановления полного давления V от коэффициента расхода / для = 0.4 получено, что при М = 1.7 (область 2, рис. 6) беспомпажный режим наблюдается до / = 0.36, а при М = 2.4 помпаж начинается при / = 0.7. Таким образом, при длинах игл, меньших предельной длины отхода ударной волны от тела, удается получить беспомпажное течение при меньших коэффициентах расхода, чем при длинах игл, соответствующих области 1.
область 1 область 2 область 3
Рис. 8. Изменение картины течения для тела с протоком при наличии короткой иглы, выступающей перед плоскостью входа при дросселировании канала (М = 1.7, Ь = 0.4)
Для длин игл, соответствующих 2-й области на рис. 6, при дросселировании канала наблюдалось следующее развитие картины течения (рис. 8):
область 1: увеличение углов отрывной зоны на носке иглы и соответствующих им углов косого скачка до а < апред, нижняя ветвь ударной поляры (см. рис. 7);
область 2: высокочастотный пульсирующий режим, сопровождающийся переходом с нижней ветви ударной поляры на верхнюю;
область 3: течение с присоединенной на носке иглы ударной волной, так же как и для тел с короткой иглой без протока (для длинной иглы этот режим отсутствует).
Для длинной иглы в двух последних случаях наблюдается помпаж.
Таким образом, в результате экспериментальных исследований определена область длин игл, отделяющая течение с реализацией сильного решения от течения, соответствующего слабому решению ударной поляры. При этом переход от углов поворота потока, соответствующих слабому решению, к сильному решению сопровождается режимом высокочастотных низкоамплитудных пульсаций.
ОБРАЗОВАНИЕ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОЙ ЗОНЫ ПРИ ПОПАДАНИИ ВИХРЕВОГО ШНУРА В КАНАЛ С ПРОТОКОМ
Рассмотрим интерференцию вихревого шнура с течением торможения, реализующемся в осесимметричном и прямоугольном каналах при дросселировании.
При установке генератора вихря перед входом в плоский канал было обнаружено, что рассмотренные выше режимы течения изменились следующим образом.
Режим 1 — сверхзвуковое течение в канале при наличии вихревого шнура — аналогичен режиму 1 без вихревого шнура.
Режим 2 — начало псевдоскачка расположено в плоском канале (что подтверждалось визуализацией течения через прозрачные боковые стенки), и его начало имеет место при уменьшенной примерно в 2 раза степени дросселирования канала, чем без вихревого шнура. Таким образом, вихревой шнур инициирует более быстрое перемещение псевдоскачка вверх по потоку. Это, по-видимому, объясняется тем, что вихревой шнур проходит в сверхзвуковом потоке, не разрушаясь в видимой области плоского канала; разрушение происходит в дозвуковой области, находящейся вблизи механического дросселя. При разрушении вихревого шнура возникает достаточно устойчивая рециркуляционная зона, которая загромождает канал и оказывает дополнительное дросселирующее воздействие на поток.
Режим 3 — фиксация псевдоскачка на входной кромке и режим 4 — головная волна перед плоскостью входа в квазистационарном режиме отсутствуют.
При детальном рассмотрении цикла помпажа, что стало возможно при анализе динамики изменения теневой картины течения на входе в канал, было выделено два предельных типа течения: 1 — скачки в канале; 2 — образование рециркуляционной зоны перед входом, практически полностью перекрывающей вход в канал. Полученные данные позволяют предположить следующую динамику изменения картины течения: при дросселировании канала начало псевдоскачка доходит до входной кромки, вихревой шнур попадает на прямой участок А,-скачка, разрушается, образуя рециркуляционную зону, которая закрывает вход в канал, что и вызывает помпаж.
Для осесимметричного канала при дросселировании также наблюдается быстрое перемещение псевдоскачка вверх по потоку, обусловленное разрушением вихревого шнура с образованием рециркуляционной зоны в дозвуковой области вблизи механического дросселя. Когда псевдоскачок смещается вверх по потоку, ближе ко входу в канал, наблюдается взаимное разрушение вихревого шнура и скачка с образованием внутренней рециркуляционной зоны (рис. 9). На этом режиме в канале образуются две отрывные зоны: внешняя 1 и внутренняя 2 (рис. 9, а). При дальнейшем дросселировании, т. е. увеличении противодавления, происходит фиксация внешней отрывной зоны 2 на передней кромке обечайки, увеличение ее размеров, а также продвижение носка центральной рециркуляционной зоны 1 вперед по потоку (рис. 9, б).
Носок центральной рециркуляционной зоны 1 пульсирует с низкой частотой на всех режимах. Это связано с тем, что при разрушении вихря и развитии рециркуляционной зоны вверх по потоку (стадия 1) она теряет поддержку противодавлением из зоны вниз по течению, что приводит к восстановлению первоначальной картины течения (стадия 2).
Стадия 1 Стадия 2
Рис. 9. Схема образования рециркуляционной зоны при интерференции вихревого
шнура с псевдоскачком:
1 — рециркуляционная зона вблизи входной кромки обечайки канала; 2 — рециркуляционная
зона в центре канала
По мере продвижения отрыва вверх по потоку возникает запирание канала и начинается режим 5 — помпаж.
Режим 5 несколько отличается от обычного помпажа в воздухозаборнике, связанного с выбитой головной ударной волной, наличием перед каналом неустойчивой рециркуляционной зоны с косым скачком уплотнения, образующимся вдоль вихревого шнура. Визуально при этом режиме наблюдаются колебания картины течения на входе. Картины течения, наблюдаемые перед входом осесимметричного и плоского каналов, аналогичны.
Анализ количественных характеристик течения показал, что при интерференции вихревого шнура с течением в осесимметричном диффузоре наблюдается значительное ухудшение характеристик течения торможения в диффузоре: снижение коэффициента восстановления полного давления, рост пульсаций в канале, появление режима течения типа помпажа.
Следует, однако, отметить, что интерференция вихревого шнура с течением в диффузоре не всегда ведет к ухудшению характеристик. Образовавшуюся в центре канала рециркуляционную зону можно использовать для улучшения запуска. В этом случае центральная рециркуляционная зона играет роль центрального тела, как это было предложено в [11].
Однако, как правило, необходимо защищать диффузор от негативного воздействия вихревого шнура. Это можно обеспечить установкой перед плоскостью входа тонкой иглы.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПСЕВДОСКАЧКА СО СТРУЕЙ, ГЕНЕРИРУЕМОЙ ПЕРЕД
ПЛОСКОСТЬЮ ВХОДА КАНАЛА
Исследования проводились как на осесимметричной, так и на плоской моделях с механическим дросселированием.
При установке перед входом в канал пилона с соплом для выдува струи наблюдалась следующая картина течения. Псевдоскачок в видимой части канала появляется для тех же степеней дросселирования, что и для модели без струи. Наличие струи во всем диапазоне чисел М не инициирует более быстрого перемещения псевдоскачка вверх по потоку, как это наблюдалось в случае с вихревым шнуром. Струя не разрушается в дозвуковой области, возникающей вблизи механического дросселя. При дросселировании происходит перемещение псевдоскачка вверх по по-
Рис. 10. Образование «свободновисящей» рециркуляционной зоны при взаимодействии струи воздуха с фиксированным псевдоскачком в осесимметричном канале
току. Когда начало псевдоскачка доходит до входных кромок, наблюдается образование «свободновисящей» рециркуляционной зоны перед плоскостью входа (рис. 10). Это можно объяснить фиксацией головной части псевдоскачка на передних кромках с последующим разрушением. Следует отметить, что при этом размер рециркуляционной зоны меньше, чем для случая вихревого шнура. Дальнейшее дросселирование канала вызывает рост рециркуляционной зоны, практически полное перекрытие входа в канал и помпаж.
При уменьшении расстояния от среза сопла пилона до входа в канал динамика процессов качественно повторяется, однако размер рециркуляционной зоны в этом случае существенно увеличивается.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПСЕВДОСКАЧКА С ВОЗМУЩЕНИЯМИ, ГЕНЕРИРУЕМЫМИ ВНУТРИ КАНАЛА
На рис. 11, а приведены фотографии и схемы течения для плоского канала, у которого вихревой шнур создается за плоскостью входа при помощи крылообразного генератора вихря, расположенного внутри канала на расстоянии Ь = 50 мм от его передней кромки.
При этом можно выделить ряд характерных режимов течения. Во-первых, режим 1 сверхзвукового течения в канале, когда режим течения при наличии вихревого шнура аналогичен режиму течения без вихревого шнура.
Во-вторых, при дросселировании канала наблюдается режим 2, когда начало псевдоскачка располагается в видимой части канала. В случае, когда начало псевдоскачка находится на расстоянии х/к = 2.5 — 3 (где к — высота канала) от передней кромки канала, наблюдается взаимо-разрушение вихревого шнура и скачка, сопровождаемое значительными пульсациями образующейся при этом рециркуляционной зоны. Следует отметить, что картина течения перед плоскостью входа при этом не изменяется, т. е. пульсации потока не выходят за пределы канала. Пульсирующий режим течения прекращается, когда головная часть псевдоскачка заходит за генератор вихря.
Рис. 11. Взаимодействие псевдоскачка со сдвиговыми слоями, генерируемыми внутри канала:
а — интерференция вихревого шнура, создаваемого внутри плоского канала, с псевдоскачком; б — интерференция спутной струи,
выдуваемой из пилона внутри плоского канала, с псевдоскачком
При дальнейшем дросселировании имеет место режим 3 — фиксация псевдоскачка, аналогично варианту канала без генератора вихря. Для фиксированного псевдоскачка происходит выравнивание полей полных давлений. Дальнейшее дросселирование приводит к образованию выбитой ударной волны перед плоскостью входа (режим 4).
При установке микропилона для выдува струи внутри канала (рис. 11, б) характер основных режимов течения аналогичен течению с генератором вихря. Более подробно изменение структуры течения при взаимодействии псевдоскачка со сдвиговыми слоями, генерируемыми внутри канала было рассмотрено в [12].
На рис. 12 приведено сравнение распределения давления вдоль стенки канала для режимов открытого канала и канала со свободным псевдоскачком для трех рассматриваемых вариантов
О х 200 мм
Рис. 12. Распределение статического давления на стенке плоского канала
(свободный канал, канал + генератор вихря, канал + пилон для выдува струи). Имеет место достаточно близкое совпадение значенийрг /роф для всех трех вариантов. Это свидетельствует о том, что наличие вихревого шнура или струи приводит к разрушению только центральной части псевдоскачка, оставляя течение в районе стенок канала практически неизменным.
УПРАВЛЕНИЕ ТЕЧЕНИЕМ В КАНАЛЕ ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ: ВИХРЕВОЙ ШНУР И ДЛИННАЯ ИГЛА
Модель для исследования течения при комбинированном взаимодействии вихревого шнура и длинной иглы, выступающей перед плоскостью входа, представлена на рис. 1, г. При дросселировании так же, как и для рассмотренных выше вариантов: канал с иглой, канал с вихревым шнуром, можно выделить характерные режимы течения (рис. 13).
Было получено, что для режима открытого дросселя (режим 1) и продвижения псевдоскачка вверх по потоку (режим 2) распределения статического и полного давления соответствуют случаю диффузора с иглой.
При дальнейшем дросселировании канала (режим 3) наблюдается фиксация псевдоскачка на входной кромке обечайки (фиксация отрывной зоны 1) и образование рециркуляционной зоны 2 на игле. Наличие рециркуляционной зоны 2 подтверждается фотографиями теневой картины течения, а наличие фиксации отрывной зоны 1 подтверждается повышением давления, измеренного в передней точке на внутренней поверхности обечайки. Повышение давления в отрывной зоне 1 при этом несколько больше, чем критическое давление отрыва и примерно соответствует варианту канала с иглой, но меньше повышения давления в исходном диффузоре.
Режим 3 Режим 4
Режим 5
Рис. 13. Картина течения при попадании вихревого шнура в канал с иглой:
1 — рециркуляционная зона вблизи входной кромки обечайки канала; 2 — рециркуляционная зона в центре канала
При фиксации рециркуляционной зоны 2 на носке иглы (режим 4) отрывная зона 1 практически исчезает вследствие образования рециркуляционной зоны 2 и кольцевого канала между зоной 2 и обечайкой канала.
При превышении скачком уплотнения на носке иглы некоторой предельной интенсивности происходит разрушение вихревого шнура и возникает течение типа помпажа (режим 5), соответствующее подобному течению при взаимодействии с вихревым шнуром исходного диффузора.
СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КАНАЛА ПРИ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ ПСЕВДОСКАЧКА
С РАЗЛИЧНЫМИ ВОЗМУЩЕНИЯМИ
На рис. 14 представлено сравнение характерных картин течения, реализующихся при интерференции различных типов возмущений с псевдоскачком, зафиксированным на передней кромке осесимметричного канала.
Рис. 14. Интерференция различных типов возмущений с псевдоскачком, зафиксированным на передней кромке осесимметричного канала
Рис. 15. Параметры течения в осесимметричном канале с псевдоскачком при интерференции псевдоскачка
с различными возмущениями: а — коэффициент восстановления полного давления; б — противопомпажный запас
На основе экспериментальных исследований были построены зависимости изменения максимального коэффициента восстановления полного давления V осесимметричного канала с псевдоскачком от числа М набегающего потока при интерференции псевдоскачка с различными возмущениями (рис. 15, а). На том же графике приведена зависимость v(М) для исходного канала.
Рис. 15, б дает представление о величине противопомпажного запаса /тіп (минимального расхода, при котором начинается помпаж) для различных вариантов моделей.
Для осесимметричного канала при попадании в канал вихревого шнура коэффициент восстановления полного давления vmax уменьшается примерно на 20%, а противопомпажный запас /тіп снижается на 30% при М ~ 2.4.
При установке иглы интегральные характеристики течения улучшаются. При попадании вихревого шнура в канал с иглой утах возрастает на 10 — 15% (рис. 15, а), /тіп улучшается на 20% (рис. 15, б).
Таким образом, в качестве защиты от воздействия сверхзвуковых сдвиговых слоев (в частности, вихревого шнура) на характеристики канала потока может быть использована локальная отрывная зона, генерируемая иглой, установленной по оси канала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе анализа результатов экспериментальных исследований, проведенных в диапазоне чисел М = 1.7 — 3.5 на осесимметричном и прямоугольном каналах при наличии в канале псевдоскачка, создаваемого механическим дросселированием канала, показано, что:
при взаимодействии струи и вихревого шнура с псевдоскачком, фиксированным на входной кромке канала, возможно образование перед входом в канал локальной зоны рециркуляционного течения;
взаимодействие вихревого шнура с псевдоскачком в канале вызывает ухудшение характеристик течения в канале: коэффициента восстановления полного давления и противопомпажного запаса;
при установке генераторов вихря и струи внутри канала с псевдоскачком возможно создание рециркуляционной зоны в центральной части канала, при этом течение вблизи стенок практически не изменяется;
интегральные характеристики течения могут быть улучшены за счет создания дополнительной локальной рециркуляционной зоны при помощи острой иглы, выступающей перед плоскостью входа.
Полученные результаты могут быть использованы для интенсификации процессов торможения, смешения и организации энергоподвода в каналах со сверхзвуковыми и смешанными потоками.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект № 12-01-90416-Укр-а).
ЛИТЕРАТУРА
1. Мэр В. Экспериментальное исследование отрыва пограничного слоя на иглах, укрепленных впереди тупоносых тел в сверхзвуковом воздушном потоке // Механика. 1953.
№ 4, с. 28 — З0.
2. Глотов Г. Ф. Управление турбулентными отрывными зонами в сверхзвуковых потоках / Научные основы турбулентных явлений. — Сб. научных трудов под ред. В. В. Стру-минского. — М.: Наука, 1992, с. 79 — 89.
3. Глотов Г. Ф. Особенности сверхзвукового обтекания затупленных тел с иглой /
В сб.: Исследование творчества основоположников космонавтики и ее современные проблемы. — М.: Наука, 1989, с. 74 — 82.
4. Антонов А. Н., Грецов В. К., Шалаев С. П. Нестационарное сверхзвуковое обтекание тел с установленной впереди иглой // Изв. АН СССР. МЖГ. 1976. № 5, с. 118 — 124.
З. Затолока В. В., Иванюшкин А. К., Николаев А. В. Интерференция вихрей со скачками уплотнения в воздухозаборнике. Разрушение вихрей // Ученые записки ЦАГИ. 1975. Т. VI, № 2, с. 134 — 138.
6. Иванюшкин А. К., Коротков Ю. В., Николаев А. В. Интерференция вихревых следов со скачками уплотнения, структура вихря / 6-й Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Аннотация докладов. — Ташкент, 1986, с. 30.
7. Глотов Г. Ф. Интерференция вихревого шнура со скачками уплотнения в свободном потоке и неизобарических струях // Ученые записки ЦАГИ, 1989. Т. XX, № 5, с. 21 — 31.
8. Glotov G. F., Gurilyova N. V, Ivankin M. A. Gasthermodynamics of Flows in Model Ducts of Scramjets // AIAA, ISABE Paper № 99-70З4, 1999, 12 р.
9. Гурылева Н. В., Иванькин М. А., Колесников О. М., Лаврухин Г. Н.
Проблемы отрывных течений в каналах и выходных устройствах силовых установок перспективных летательных аппаратов / В сб.: Восьмой Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Аннотации докладов. — Пермь: УрО РАН, 2001, с. 218.
10. Гурылев В. Г. Положение головной волны перед плоскостью входа осесимметричных лобовых сверхзвуковых воздухозаборников // Труды ЦАГИ, 1963.
11. Иванюшкин А. К., Коротков Ю. В. Улучшение характеристик диффузора при попадании в него вихревого шнура // Вестник академии космонавтики. 1999. № 4.
12. Гурылева Н. В., Иванькин М. А. Газодинамика течения при генерации рециркуляционных зон в канале / В сб.: Актуальные проблемы российской космонавтики.
Труды XXXIII академических чтений по космонавтике. — М.: Комиссия РАН, 2009, с. 176 —177.
Рукопись поступила 17/III2009 г. Переработанный вариант поступил 12/VII2012 г.
