CC BY
40
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ Том XVI 1985
№ 6
УДК 532.525.6
ИССЛЕДОВАНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ ЗАТОПЛЕННОЙ ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ СТРУИ ВОГНУТОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
Ю. Г. Жулев, Р. В. Неймарк, В. Е. Никитин
Определены потери импульса осесимметричной затопленной струи при натекании на вогнутую цилиндрическую поверхность и отклонении на 90°, а также исследованы эпюры давлений в такой струе после ее отклонения.
Отклонению затопленной струи вогнутой поверхностью посвящено значительное количество исследований. В этих работах :(например, [1—6]) исследования проводились на конфигурациях, воспроизводящих условия отклонения струи расположенного под крылом двигателя. Настоящая работа дополняет проведенные ранее исследования, хотя в ней исследование отклонения затопленной струи вогнутой поверхностью проводилось только на угол, близкий к 90°. Дополнения эти заключаются в следующем.
1) Исследовались потери импульса при отклонении струи вогнутой поверхностью, снабженной боковыми стенками, как это показано на рис. 1 (идея использования таких боковых стенок для уменьшения потерь импульса от растекания части струи изложена в [7], где, однако, не приводятся экспериментальные результаты, поз-
воляющие оценивать влияние этих стенок на величину потерь импульса при отклонении затопленной струи).
2) Исследовались эпюры давления в отклоненной струе и сопоставлялись интенсивности размывания отклоненной струи и обычной затопленной осесимметричной струи.
Схема экспериментальной установки дана на рис. 1. Модель представляла собой форкамеру с осесимметричным сужающимся соплом и кронштейном, на котором на различных расстояниях от сопла закреплялись вогнутые поверхности для отклонения струи. Боковые стенки на вогнутой поверхности могли переставляться или убираться совсем. Воздух в форкамеру подавался через трубопровод с двухкомпонентными тен-зовесами. Таким образом, установка позволяла изменять относительные размеры вогнутой поверхности по отношению к диаметру сопла и положение ее относительно сопла. Все эксперименты были проведены при диаметре сопла, равном 20 мм. Число Не, подсчитанное по диаметру сопла, изменялось в диапазоне 2,7-105 -н 5,6 • 105.
Потери импульса струи определялись путем сопоставления фиксируемой тензо-весами тяги при снятой с кронштейна вогнутой поверхности и тяги при наличии этой поверхности. Двухкомпонентные тензовесы позволяли в последнем случае определять одновременно и направление вектора тяги. При экспериментах измерялось также давление воздуха в форкамере установки. Эпюры давления в отклоненной струе определялись с помощью гребенки трубок полных напоров, устанавливаемой на различных расстояниях от отклоняющегося устройства так, как это показано на рис. 1. Для каждого расстояния от отклоняющего устройства гребенка устанавливалась в пяти положениях (передвигалась в направлении стрелки А, см. рис. 1). Одно положение соответствовало плоскости симметрии системы, равноотстоящей от боковых стенок. Другие положения получались перестановкой гребенки вверх и вниз на четверть и примерно половину расстояния между боковыми стенками.
Результаты экспериментов по определению потерь импульса при повороте струи представлены на рис. 2 и 3. По оси ординат отложено отношение измеряемой тензо-
л/яс В/і'~г;Р„/Р,-ІЄ І/ІГ‘2;РМ/РГ3
0,9
ол
V
0,6 * Я/і^1 1.5
0,5 яд ■*7*- 1 1._ 1 _ *2 О ^ ■ 1 1 1
2,5 5,0
о В /¿с — /
15 0 2,5 5,0 7,5 хг /¿е
о В/йс = 1,3
0 2 и без боковых стенок
весами тяги при наличии вогнутой поверхности к измеряемой тензовесами тяге неотклоняемой струи Яс. По оси абсцисс отложено безразмерное расстояние вогнутой поверхности от сопла х21йс, где х2—расстояние от задней стенки вогнутой поверхности до среза сопла, а Лс — диаметр сопла (см. рис. 1). На рис. 2 и 3 использованы также следующие условные обозначения: Н и В —■ соответственно габаритный размер отклоненной поверхности в плоскости разворота и расстояние между боковыми стенками на вогнутой поверхности (см. рис. 1); рос и ра—соответственно полное давление перед соплом и атмосферное давление. Для каждого значения х2/йс изменялся размер к (см. рис. 1). На рис. 2 и 3 представлены результаты для значений А/йс, при которых потери импульса струи при ее отклонении были минимальны. Эти значения оказались равными примерно 0,25 для всех исследованных вариантов, кроме вогнутой поверхности с Н/йс— 4, для которой (Н/<1е)Ор\^0,5. Определенный по показаниям тензовесов угол отклонения струи был равен 80°—100°.
Зависимости на рис. 2 показывают, что высота вогнутой поверхности (параметр Н/йс) сильно влияет на потери импульса струи. Эти потери начинают сильно расти при Я/^с<2. Из рассмотрения зависимостей рис. 3 видно, что боковые стенки (параметр В/^с) очень сильно влияют на потери импульса струи при ее отклонении. При близком расположении вогнутой поверхности к соплу минимальные потери импульса имеют место при значении В/£?с» 1,3. При В/4с>1,3 потери импульса непрерывно растут и достигают максимальных значений при отсутствии боковых стенок. Отмеченный факт объясняется, очевидно, тем, что боковые стенки препятствуют частичному растеканию струи в поперечном для плоскости разворота направлении. Рост же потерь при В/с1с<1,3 объясняется, очевидно, увеличением потерь на трение струи о стенки.
Сказанное выше о положительном влиянии торцевых стенок при отклонении струи дополнительно иллюстрируется рис. 4, который построен по данным работ [1] и [2] и показывает связь угла отклонения струи с потерями импульса для случая расположения двигателя под крылом (Ну и Ях — соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие импульса отклоненной струи, — полный импульс исходной струи; экспериментальные результаты соответствуют отношениям давления на срезе сопла ро с/Ра=1,5-5-2). На этой же диаграмме нанесены полученные в настоящей работе экспериментальные результаты как при наличии боковых стенок, так и без них. При анализе представленных на рисунке результатов необходимо учитывать, что взятые из работ [1] и [2] результаты относятся к случаю расположения двигателя под крылом и поворота струи на отклоненных закрылках. Поэтому эти результаты правомерно сопоставлять с результатами проведенных в настоящей работе экспе-
100° Лу/яс л/]°
О
10°
0,2 0,4- 0,6 0,8В.х1Ле
Л И , р>с/ра= 1,5+1
Эксперименты аЗторой
риментов без торцевых стенок. Видно, что для этого случая полученные в настоящей работе результаты хорошо согласуются с результатами работ [1] и [2]. С учетом сказанного, из рис. 4 видно, насколько эффективнее осуществляется разворот струи, когда имеются торцевые стенки. Если для сравнения брать результаты экспериментов при малых значениях лг2/сСс (а именно таким значениям х2/с1с соответствуют взятые из работ [1] и [2] результаты), то видно, что потери импульса при отклонении струи на угол примерно 90° снижаются за счет применения торцевых поверхностей с 56% до 4—10%. К этому следует добавить, что объем проведенных экспериментов был недостаточным для определения наивыгоднейших геометрических параметров отклоняющего струю устройства.
Отметим, что можно также с достаточно малыми потерями импульса отклонять струю, обтекающую выпуклую поверхность. Но это может иметь место только в том случае, когда струя будет истекать не из осесимметричного сопла, а из плоского сопла с достаточно большим удлинением (см., например, (8]).
Эксперименты по измерению давления в струе после ее отклонения показали, что распределение полных давлений в ней резко изменяется. Приближенная качественная картина изменения давления в струе (а, следовательно, и скорости) показана на рис. 5. Из осесимметричной струя превращается в прямоугольную с резко несимметричным распределением давления по сечению, которое затем по мере удаления от места поворота быстро выравнивается.
Характер размываемости отклоненной струи иллюстрирует рис. 6, где по оси ординат отложено отношение максимального полного давления в рассматриваемом
Круглле сопло
Рис. 5
В
5 10 15 х/іс
сечении струи к давлению окружающей среды Ро/Ра, а по оси абсцисс — отношение суммарного расстояния от среза сопла до рассматриваемого сечения к диаметру
(см. рис. 1). На рис. 6 приведены также для сравнения соответствующие зависимости для затопленной осесимметричной неотклоненной струи. Верхние точки зависимостей для отклоненной струи соответствуют расположению приемников полного напора в выходном сечении вогнутой поверхности. Поэтому эти зависимости характеризуют интенсивность размывания струи после разворота.
Из рассмотрения зависимостей рис. 6 видно, что интенсивность размывания отклоненной струи существенно больше интенсивности размывания неотклоненной струи. Например, при Роо/Ра=3, В/йс— 2 и *1/^0 =0,1 струя на расстоянии трех калибров от выходного сечения вогнутой поверхности (т. е. на расстоянии примерно шести калибров от среза сопла, если эти калибры определять по суммарному расстоянию
примерно восемнадцати калибров. Струя на выходе из вогнутой поверхности уже не имеет начального участка и размывается интенсивнее, чем осесимметричная струя на основном участке. Причина, очевидно, заключается как в деформации поперечного сечения струи при ее отклонении (из круглого оно превращается в практически прямоугольное), так и в характере изменения скоростей по сечению струи.
Таким образом, показано, что можно существенно уменьшить потери импульса при отклонении затопленной струи вогнутой цилиндрической поверхностью, если на этой поверхности установить торцевые стенки, ограничивающие растекание струи вдоль оси этой цилиндрической поверхности. Установлено также, что интенсивность размывания отклоненной цилиндрической поверхностью струи в несколько раз больше, чем затопленной осесиметричной струи.
1. Perry D. N. A review of some published data on the external-flow jet augmented flap. — ARC CPN 1194, 1972.
2. P a r 1 e 11 L. P., Freeman D. С., Smith С. C. — Wind-tunnel investigation of a jet transport airplane configuration with higri thructweight ratio and an external flow jet flap. — NASA TN D-6058, 1970.
3. H a ugh G. R. A study of the flown flap/jet flap analogy. — AIAA
Paper, N 79—0119, 1979. „
4. Campbell J. P. Overview of powered-lift technology. — AIAA Powered-Lift Aerodynamics and Acoustics. 1976, NASA, SP-406.
5. Perry B., Greene G. C. Wind-tunnel investigation of aerodynamics loads on a largiscale externally blown flap model and comparison with theory. — NASA TND—7863, 1975.
6. Абрамян С. А., Колпакчиев И. И. Сравнительный весовой анализ аэродинамических и силовых способов создания подъемной силы для СКВП. — Труды Гос. НИИГА, вып. 109, 1974.
7. A s h i 11 P. R., Foster D. N. Improvements in or relating to aircraft wing flaps. Патент Великобритании, iN 1379814, кл. B64C 3/58 15/06 3/50 9/24, 1972.
8. W i m p r e s s J. K. Upper surface blowing technology, as applied to the YC-14 airplane. — SAE Paper, 1973, N 730916.
сопла. Под суммарным расстоянием условно понимается
размывается так же, как неотклоненная струя на расстоянии
ЛИТЕРАТУРА
Рукопись поступила 27/IV 1984 г.
