CC BY
71
_________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ
Том XXXII 2001
№ 3—4
УДК 533.6.071.4 533.6.071.088
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯ ПОТОКА ГАЗА В РАБОЧЕЙ ЧАСТИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЫ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ СТЕНОК (М = 0,4—1,6)
В. Р. Бертынь, В. П. Верховский, Н. К. Михайлов,
Д. Е. Смирнов
Приведены результаты экспериментального исследования поля потока газа в рабочей части № 1 аэродинамической трубы Т-128 ЦАГИ. Показано, что при дозвуковых скоростях (М < 1) степень проницаемости и изменение давления в форкамере оказывают слабое влияние на равномерность поля потока в зоне расположения модели. Для течений газа со сверхзвуковыми скоростями М= 1,02—1,6 найден оптимальный закон изменения степени проницаемости по длине панелей, обеспечивающих высокую равномерность поля потока (АМ/М- 1%) в зоне расположения модели. При течении газа с числами М= 1,2—1,6 с высокой влажностью воздуха (— 8 г/кг) в сопле наблюдались скачки конденсации.
Аэродинамическая труба Т-128 ЦАГИ [1] в настоящее время имеет четыре рабочие части (проектом предусмотрено пять РЧ) с размером 2,75 х 2,75 м, предназначенные для испытаний крупномасштабных моделей летательных аппаратов в диапазоне чисел М от 0,15 до 1,7. Труба замкнутого типа имеет четырехступенчатый компрессор с электроприводом мощностью — 100 МВт. Давление в контуре трубы может устанавливаться от
20 КПа (за счет вакуумирования) до 400 КПа (за счет наполнения из газгольдеров). Изменение чисел М в рабочей части трубы осуществляется путем регулирования полного давления в форкамере за счет изменения углов установки лопаток направляющих аппаратов компрессора при дискретно-фиксированных числах оборотов главного привода. Аэродинамическая труба оснащена регулируемым соплом, системой принудительного отсоса воздуха из камеры давления и имеет четыре сменные рабочие части для проведения различных видов испытаний: для определения аэродинамических характеристик моделей летательных
аппаратов, профилей, полумоделей; измерения распределения давления на их поверхностях; исследования эффектов нестационарной аэродинамики, физических явлений обтекания и флаттера [2]—[5]. Объединить все виды испытаний в одной рабочей части из-за существенно различных требований к конструкции оказалось невозможным. Поэтому было принято решение оснастить трубу Т-128 сменными рабочими частями. Последнее позволяет проводить трудоемкие подготовительные монтажные работы в рабочих частях вне контура трубы и тем самым повысить ее производительность. В данной работе представлены поля течения в рабочей части № 1.
1. Исследование поля потока в рабочей части с дозвуковым соплом (М = 0,4—1,1). Рабочая часть № 1 со створками камеры смешения имеет длину 12 м (рис. 1). Верхняя и нижняя панели рабочей части параллельны оси трубы, боковые стенки могут отклоняться на углы ап р ч от 0 до 2°. Все
четыре стенки рабочей части перфорированы круглыми отверстиями диаметром 20 мм. На стенках рабочей части имеется 128 независимых регулируемых секций. На каждой секции с внутренней стороны установлены подвижные перфорированные листы, перемещение которых обеспечивает изменение степени проницаемости от 0 до 18%. Управление от ЭВМ позволяет автономно регулировать проницаемость на всех секциях. При проведении испытаний регулирование проницаемости по длине рабочей части выполнялось по поясам, объединяющим секции перфорации на всех четырех стенках. Первый пояс расположен в начале рабочей части на участке х = 0—1,3 м, второй — на участке х = 1,3—2,6 м, третий — на участке х = 2,6—3,5 м и четвертый — в зоне расположения модели и до конца рабочей части на участке х = 3,5—7 м. В работе принято следующее условное обозначение переменной степени проницаемости по длине рабочей части Е = а — Ь — с — d%, где а, Ь, с, й — значение степени проницаемости по приведенным выше поясам по длине рабочей части от
Рис. 1. Рабочая часть № 1
первого до четвертого. Е — отношение площади проходных сечений в отверстиях к общей площади панелей. Например, Е = 2 — 3 — 4 —10% обозначает: проницаемость на первом поясе Е = 2%, на втором — Е = 3%, на третьем — Е = 4% и на четвертом — Е = 10%.
Режимные (трубные) значения параметров потока (числа M и скоростного напора д) вычислялись как функции отношения ркд/р0, где
ркд — давление в камере, окружающей рабочую часть, и ро — давление
в форкамере. Эти давления измерялись частотными датчиками типа ДВБЧУ. При исследовании полей течения в сопле и рабочей части проводилось измерение статического давления рвдоль верхней и нижней стенок сопла по оси симметрии и поперек, на выходе из сопла, вдоль четырех стенок рабочей части и в ядре потока в области расположения модели с помощью зонда статического давления. Для измерения статического давления использовались пневмокоммутаторы и тензометрические датчики. По измеренным давлениям вычислялись числа Мг-, значения ДМ = Мкд — М, и коэффициенты давления
ср =( р1 — ркд q. Результаты исследований поля потока в рабочей части
№ 1 отражены в работах [6]—[8].
При испытаниях с числами M <1,1 исследовалось влияние числа Re и степени проницаемости панелей на равномерность потока в рабочей части. Изменение числа Re осуществлялось за счет изменения давления в тракте трубы (от р0 = 30 КПа до 400 Кпа). Исследование поля потока проводилось как при постоянной по длине рабочей части степени проницаемости панелей с коэффициентами Е = 2, 4, 6, 8, 10 и 18%, так и при переменной по длине рабочей части проницаемости. Целью этого исследования являлось определение оптимального закона изменения степени проницаемости по длине рабочей части, обеспечивающего наилучшее качество потока
в области расположения модели при сверхзвуковых скоростях. На первых трех поясах, расположенных в области расходного сопла, степень проницаемости принималась равной Е = 2 — 3 — 4%, Е = 2 — 4 — 6% и
Е = 2 — 5 — 8%. На четвертом поясе в области расположения модели она изменялась от 6 до 18%. Указанные законы изменения степени проницаемости по длине рабочей части выбраны на основании оценки разгона потока в «жестких» конических соплах, выполненной по методике работы [9].
Результаты исследования поля потока в рабочей части с числами M < 1 представлены на рис. 2—4 в виде распределения значений ДМ и М по оси. Исследования показали, что при скоростях течения с числами М = 0,4—0,9 величина неравномерности потока по оси в области расположения модели при различной проницаемости стенок (рис. 2) и различных начальных давлениях в форкамере (рис. 3) лежит в пределах ДМ «± 0,002. При числах
М = 0,95—1 неравномерность потока увеличивается до значения ДМ «± 0,005. При этом с уменьшением степени проницаемости панелей наблюдается повышение чисел М в рабочей части по сравнению с числами
Мк.д (рис. 2 Мк.д = 1 )•
На рис. 4 представлены измеренное поле потока газа в рабочей части с помощью зонда при числах М = 0,98—1,08 для секционно переменной
' 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 х,М
Рис. 2
2,0 2,5 3,0 3,5 х,м
Рис. 3
Рис. 4
проницаемости с F = 2 - 3 - 4 - 6%, 2 - 3 - 4 - 10% и 2 - 3 - 4 - 18%
(апрч = 0,5°). Закон изменения степени проницаемости на первых трех
секциях с F = 2 - 3 - 4% обеспечивает плавный разгон потока в начале рабочей части, и в области расположения модели реализуется достаточно однородное течение газа. Изменение степени проницаемости четвертой секции от 6 до 18% практически не влияет на равномерность потока в области расположения модели. При других рассмотренных законах изменения секционно переменной проницаемости по длине рабочей части, а именно F = 2 - 4 - 4-10% и F = 2 - 5 - 8-10%, в рабочей части реализуются течения газа с большей величиной неравномерности, чем с проницаемостью F = 2 - 3 - 4 -10%.
При постоянной по длине рабочей части проницаемости панелей F = 2, 6, 10 и 18%, а также для переменной проницаемости
F = 2 - 3 - 4 -10% неравномерность ДM/M, полученная с помощью зонда, приведена на рис. 5. При степени проницаемости стенок F = 2% и с F = 2 - 3 - 4 -10% в рабочей части реализуются течения с величиной
АМ/М осп.р.ч =0,5°; рнач =100 КПа 5 Г
10,98 1,0 1,02 1,04- 1,0В Щ 1,1 М
Рис. 5
неравномерности ДМ/М~ 1,5—1,8%, причем зависимость чисел Мг- вдоль оси лежит на дорожке экспериментального разброса чисел Мг- вдоль стенок рабочей части. Увеличение степени проницаемости (F = 6, 10 и 18%) приводит к увеличению неравномерности чисел M в рабочей части. Максимальная неравномерность потока наблюдается при проницаемости F = 18%, которая при числе М= 1,04 составляет ~ 4,5%. Оптические
исследования показали, что при F = 18% разгон сверхзвукового потока осуществляется в начале рабочей части. Это приводит к некоторому перерасширению потока и появлению серии характеристических ромбов на теплеровских снимках. Вследствие этого по длине рабочей части возникает периодическая синусоидальная неравномерность потока с периодом, равным длине характеристического ромба.
Для рабочей части № 1 переменная по длине проницаемость
F = 2 - 3 - 4 -10% и угол наклона панелей апрч = 0,5° приняты
«штатными». Исследования показали, что при испытании моделей с площадью затенения менее 2% поле набегающего потока в рабочей части не меняется во всем рассмотренном диапазоне скоростей.
2. Реализация сверхзвуковых течений с регулируемым соплом (М=1,1—1,6). Плоское регулируемое сопло аэродинамической трубы Т-128 имеет длину 12,7 м и квадратное выходное сечение 2,75 х 2,75 м. Регулирование скорости потока осуществляется в вертикальной плоскости изменением геометрии боковых стенок, горизонтальные стенки сопла параллельны. Входная часть сопла образована двумя гибкими листами и расположенными между ними жесткими участками (рис. 6). Далее идет второй жесткий профилированный участок, который плавно по параболе третьей степени без разрыва кривизны переводит начальную часть, выполненную по дуге окружности, в прямолинейную, длиной 604 мм. На этом жестком участке расположены приводы № 1 и № 2, устанавливающие при сверхзвуковых режимах течения высоту критического сечения и угол наклона разгонного прямолинейного участка. За жестким участком следует гибкий (выравнивающий), представляющий собой пластину толщиной 50 мм.
На гибком участке расположены корректирующие приводы №№ 3, 4 и 5. Жесткий концевой участок длиной 500 мм обеспечивает установку требуемого угла наклона контура на выходе из сопла (необходимого для компенсации пограничного слоя), который устанавливается с помощью привода № 6.
Регулируемое сопло управляется с помощью ЭВМ. Точность установки приводных точек сопла составляет ±2 мм. При работе системы управления регулируемым соплом от ЭВМ на экране дисплея отображаются: расчетное число сопла М р, расчетные и текущие
координаты всех приводных точек, рассогласование между ними, готовность системы к работе; в случае возникновения аварийных ситуаций отображаются причины их возникновения.
Исследование сверхзвуковых полей течения с регулируемым соплом проводилось в рабочей части № 1 [7]. Угол раскрытия панелей рабочей части изменялся в диапазоне апрч = 0,5—1,5°. Использовалась как
переменная по длине рабочей части проницаемость перфорированных стенок F = 2 —3—4—10% для апрч = 0,5° и Г = 4 —6—8—10% для
апрч = 1°, так и постоянная — со степенью проницаемости Г = 6 и 10%.
Регулирование числа M в рабочей части осуществлялось по числу Мкд.
При числах Мкд < 1,4 испытания проводились без системы отсоса, при
числах Мк д > 1,4 использовалась система отсоса воздуха из камеры
давления. Система отсоса предназначена для реализации максимальных режимов течения газа в рабочей части по числам М и Яе за счет уменьшения потерь полного давления в тракте трубы [10].
Высокая равномерность поля потока в рабочей части реализуется, если выполняется равенство статического давления на срезе сопла и давления в камере, окружающей рабочую часть, что эквивалентно равенству Мс = Мк д (Мс — осредненное значение числа М в поперечном
распределении чисел М (у) в области выходного сечения сопла). Однако экспериментальное число M на выходе из сопла, как правило, не совпадает с расчетным М р, на которое настраивается контур (вследствие неточного
учета влияния вязкости, влажности воздуха и т. д.), поэтому необходимо корректировать положение контура сопла, добиваясь равенства чисел
При проведении данных испытаний использовалась следующая методика выхода трубы на заданные сверхзвуковые числа Мкд. Запуск трубы производился при предварительно установленном положении
Рис. 6. Схема регулируемого сопла Т-128
регулируемых стенок сопла на число Мр = 1,1. На дисплей выводились значения чисел Маха: расчетного — М р, экспериментального — Мс и Мкд. Выход на режим течения с заданным числом Мкд осуществлялся
программой управления при максимальном числе оборотов компрессора с помощью изменения углов направляющего аппарата, а затем в рабочей части поддерживался режим с числом М кд. Сравнивались значения чисел
Мс и Мкд. Если величина ДМ = Мкд - Ме превышала значение 0,01, то осуществлялся переход контура на новое расчетное значение Мр2 = Мр1 + ДМ
На рис. 7 приведены экспериментальные распределения чисел M вдоль верхней стенки сопла и рабочей части при заданных числа Мк д = 1,1—1,6,
углах апрч = 0,5° и проницаемости перфорированных панелей
Г = 2 -3-4-10%. Абсолютная влажность воздуха в трубе при этих испытаниях не превышала 3 г/кг. Результаты испытаний показали, что в рабочей части реализуются течения газа с числами М, близкими к Мкд, расчетные положения створок сопла при этом устанавливались на числа М р, которые были больше значений Мкд на величину ДМ ~ 0,05—0,1. На
рис. 7 представлено сравнение экспериментального (Мкд = 1,6) и расчетных (Мр = 1,6 и 1,65) распределений чисел М по длине сопла. Экспериментальная зависимость М (х) лежит между расчетными зависимостями Мр = 1,6 и 1,65. Последнее объясняется в основном
влиянием «слабой» конденсации паров воды на параметры потока в зоне равномерного течения газа в сопле. Качество потока в рабочей части при этом вполне удовлетворительное, величина неравномерности чисел М в зоне расположения модели не превышает 1%.
М
1,8
1,4-
іг
1,0
0,8
0,8
"Расчет\^ ч* іН ™,сс И
■
- -г ^ 2,0 1 Ш* л ш штш : \Ш і м.._..ии 50 ор^<ЪоОСРоОООООэоОС)о00ОоОО м !—••• и.иц»м»м Граница характеристического роміїа
/і\ Область ,г,.у, * /2 й\ расположения ' V* / \ і модели, Л* і 1 1 1 1-/..А 1 1 1 и-
1«.3
1,6
15
Ш
Мр 1,68 1,80 1,50 1,35 1,25 1,1 1,10
10
12 П Рис. 7
18 х,м
12 П Рис. 8
При высокой влажность воздуха ~ 8 г/кг в сопле наблюдались скачки конденсации. На рис. 8 приведены распределения чисел М в сопле и рабочей части с числами Мкд = 1,2; 1,4 и 1,6 с высокой влажностью
воздуха в трубе. Наблюдаемые в сопле возмущения потока являются скачками конденсации, которые в процессе пуска за счет роста температуры в форкамере (на 11 ° за 20 мин) и уменьшения абсолютной влажности воздуха (осаждения влаги на стенках трубы) перемещались вниз по потоку с уменьшением их интенсивности. Необходимо отметить, что на выходе из сопла и в рабочей части влияние скачков конденсации на поле течения практически не наблюдалось. Поперечные профили чисел М
достаточно равномерные, в области расположения модели реализовался однородный поток газа с числами М близкими к М к д.
3. Расчетное исследование влияния неравновесной конденсации водяного пара на течение газа в регулируемом сопле. Методическая сторона постановки расчетов двумерных течений конденсирующей среды подробно изложена в работе [11], [12]. Ниже представлены результаты расчетно-экспериментального исследования течения влажного воздуха в рассматриваемом сверхзвуковом сопле с контуром на число Мр = 1,5
(расчеты выполнены А. В. Чирихиным). На рис. 9—10 линия I представляет собой контур сопла (отсчет х ведется от критического сечения), II — распределения числа М, III — распределение статического давления (р = рст/ р0 ), IV — распределение степени конденсации в по оси
сопла. Цифрами 1—6 обозначены расчетные кривые, полученные для параметров в форкамере, приведенных в таблице.
параметры 1 2 3 4 5 6
То, К 300 300 300 300 300 300
р0/105, Па 1 0,62 0,62 0,62 0,35 0,35
Ут, г/кг 0 1 1,7 2,5 8 12
Здесь Ут — массовая концентрация водяного пара в воздухе. Точками, через которые проведены штриховые линии, нанесены экспериментальные данные, полученные для условий в форкамере Т = 303 К, р0 = 3,5 КПа и
абсолютной влажности 4—5 г/м (Ут = 8—12 г/кг). В данном случае черные точки соответствуют верхней плоской стенке сопла, а светлые — нижней стенке.
Удовлетворительное соответствие рассчитанных и измеренных распределений статического давления (рис. 9) позволяет идентифицировать наблюдаемые в экспериментах локальные максимумы давления как спонтанные скачки конденсации. При этом большая интенсивность скачков
у верхней стенки по сравнению с нижней объясняется большей концентрацией водяного пара, вследствие его стратификации. Спонтанная конденсация в сопле является главным источником возмущений газодинамического поля потока, определяя его сложную трехмерную структуру. Из материалов расчета (рис. 10) видно, что фазовый переход в форме «скачков» конденсации реализуется в пределах разгонного участка сопла, а на участке выравнивания и в области равномерного течения имеет место «слабая» конденсация паров воды, которая нарастает плавно и не приводит к заметному возмущению газодинамических параметров потока.
Рис. 9 Рис. 10
При этом во всех рассмотренных случаях к выходному сечению сопла паровая компонента практически полностью переходит в сконденсированное состояние, о чем свидетельствуют зависимости степени конденсации Р(х) — кривая IV (см. рис. 9). Выделение теплоты фазового перехода наиболее ощутимо воздействует на число Маха, причем образование сравнительно небольшого количества конденсата может привести к его заметному уменьшению. Результаты расчета показывают, что при концентрации водяного пара Ут < 1 г/кг на выходе из сопла реализуется течение с числом М, близким к расчетному. В работе [12] приведены формулы для оценки влияния слабой конденсации на параметры потока газа на выходе из сопла.
На основании проведенных исследований за счет оптимизации проницаемости стенок достигнуто высокое качество потока в рабочей части № 1 аэродинамической трубы Т-128, что позволяет достоверно определять аэродинамические характеристики моделей летательных аппаратов в широком диапазоне чисел М (от М = 0,4 до 1,6).
ЛИТЕРАТУРА
1. Белорусов Ю. Н., Лапин В. В. Аэродинамическая труба Т-128 ЦАГИ//Труды III НТК по технике и методике эксперимента в аэродинамических трубах.— Изд. ЦАГИ.— 1985.
2. Белорусов Ю. Н., Бертынь В. Р., Нейланд В. М. Техника и методика испытаний моделей летательных аппаратов в аэродинамической трубе Т-128 ЦАГИ//Труды IV НТК по технике и методике эксперимента в аэродинамических трубах.— Изд. ЦАГИ.— 1990.
3. Белорусов Ю. Н., Бертынь В. Р., Нейланд В. М., Шля -гун А. Н. Методика эксперимента в трансзвуковой АДТ Т-128 ЦАГИ — основные этапы научной деятельности.— М.: Наука.— 1996.
4. Верховский В. П., Иванов А. И., Смирнов Д. Е. Методика реализации течений с числами М = 0,4—1,2 в рабочей части АДТ Т-128// Материалы Х конференции школы-семинара ЦАГИ «Аэродинамика летатель-
ных аппаратов».— Изд. ЦАГИ.— 1999.
5. Верховский В. П., Иванов А. И., Смирнов Д. Е. Методика оптимизации параметров течения при испытаниях двумерных моделей в аэродинамической трубе Т-128//Материалы IX конференции школы-семинара ЦАГИ «Аэродинамика летательных аппаратов».— Изд. ЦАГИ.— 1998.
6. Бертынь В. Р., Верховский В. П., Нейланд В. М., Фи -липенков В. Н. Исследование неравномерности поля потока при М> 1 в АДТ с перфорированной рабочей частью//Труды IV НТК по технике и методике эксперимента в аэродинамических трубах.— Изд. ЦАГИ.— 1990.
7. Бертынь В. Р., Верховский В. П. Исследования сверхзвуковых режимов в АДТ Т-128 и результаты первых испытаний контрольной модели//Материалы VI конференции школы-семинара ЦАГИ «Аэродинамика летательных аппаратов».— Изд. ЦАГИ.— 1995.
8. Бертынь В. Р., Верховский В. П., Иванов А. И., Гор -б у ш и н А. Р., С м и р н о в Д. Е. Исследование качества потока газа в перфорированных рабочих частях аэродинамической трубы Т-128//Материалы XI конференции школы-семинара ЦАГИ «Аэродинамика летательных аппаратов».— Изд. ЦАГИ.— 2000.
9. Быркин А. П., Верховский В. П., Межиров И. И. Расходные профилированные трансзвуковые сопла//Ученые записки ЦАГИ.— 1987. Т. XVIII, № 4.
10. Лыжин О. В., Пасова З. Г. Экспериментальное исследование расходного диффузора трансзвуковой аэродинамической трубы//Ученые записки ЦАГИ.— 1979. Т. X, № 4.
11. Чирихин А. В. К расчету автоколебаний, инициируемых спонтанной конденсацией потока в трансзвуковой части сопла Лаваля//Математи-ческое моделирование.— 1992. Т. 4, № 10.
12. Ч и р и х и н А. В., В е р х о в с к и й В. П., Ф и л и п е н к о в В. Н. Неравновесная конденсация водяного пара при течении влажного воздуха в плоском сопле крупномасштабной трансзвуковой аэродинамической трубы// «Фундаментальные исследования в аэродинамической науке», Материалы международной конференции.— Изд. ЦАГИ.— 1994.
Рукопись поступила 26/УП 2000 г.
