CC BY
67
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Том XIII 1982
№ 5
УДК 629.735.33.03
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕРЬ ИМПУЛЬСА ЩЕЛЕВОЙ СТРУИ, РАСПРОСТРАНЯЮЩЕЙСЯ ВДОЛЬ КРИВОЛИНЕЙНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Ю. Г. Жулев, В. А. Макаров
Проведено экспериментальное исследование импульса пристеночной щелевой струи, обтекающей поверхность, имитирующую поверхность отклоненного закрылка. Определены потери импульса такой струи в зависимости от ее угла разворота и ее геометрических и газодинамических параметров. Найден способ, позволяющий не только снижать потери импульса таких струй, но в ряде случаев и увеличивать импульс струи при ее развороте.
Эффект .прилипания* струи к поверхности, вдоль которой эта струя направлена (эффект Коанда), может быть использован как в струйных системах улучшения взлетно-посадочных характеристик самолетов (струйные системы увеличения Су шах и различные эжекторные устройства), так и в самолетах с плоскими
соплами. Поэтому исследованию этого эффекта посвящено значительное число работ. Часть работ (например, [1—3]) посвящена исследованию закономерностей распространения .прилипшей" к цилиндрической поверхности струи, когда в процессе экспериментов изучались эпюры скоростей и давлений в струе. Другая часть работ (например, [4—7]) посвящена исследованию крыльев илй их элементов, когда в процессе экспериментов изучалось влияние выдуваемой вдоль поверхности отклоняющегося закрылка струи на аэродинамические характеристики крыла.
Однако в упомянутых работах не проводилось подробного исследования зависимости потерь импульса струи от угла ее разворота и не изучались методы уменьшения этих потерь. В то же время сведения о величинах потерь импульса струи и возможностях уменьшения этих потерь необходимы для более глубокого анализа работы струйных систем и изыскания путей их совершенства.
Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию потерь импульса пристеночной щелевой струи и возможностей их уменьшения в условиях, типичных как для струйного или эжекторного закрылков, так и для некоторых схем эжекторных увеличителей тяги.
1. Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рис. 1. При экспериментах сжатый воздух поступал в щелевое сопло и из этого сопла в виде щелевой струи направлялся по касательной к снабженному концевыми шайбами цилиндру, поверхность которого переходила в поверхность пластины. Цилиндр с пластиной и концевыми шайбами мог поворачиваться вокруг своей оси, изменяя угол между начальным направлением струи и пластиной. Таким образом, описанная конструкция воспроизводила условия обтекания щелевой струей либо поверхности струйного закрылка (выполненного с концевыми шайбами), либо поверхности эжекторного увеличителя тяги с щелевыми эжектирую-щйми струями.
Сопло с цилиндром и концевыми шайбами закреплялось консольно на трубчатой штанге, через которую подводился сжатый воздух и на которой располагались двухкомпонентные тензовесы, представляющие собой полый цилиндр с наклеенными на наружной поверхности тензодатчиками Двухкомпонентные тензовесы позволяли определять величину и направление тяги струи. Совпадение направления вектора тяги с направлением пластины означало, что имеет место безотрывное течение струи. Отношение замеренной для этого случая тяги к тяге изолированного щелевого сопла определяло потери импульса щелевой струи при ее развороте. Возникновение отрыва определялось по резкому изменению направления вектора тяги.
При проведении исследований зависимостп потерь импульса струи от ее разворота изучалось также влияние на эти потери взаимного расположения сопла и поверхности. Рассматривались следующие случаи, которые могут имитировать условия реальной конструкции:
а) струя выдувается по касательной к поверхности цилиндра (рис. 1, а);
б) между соплом и поверхностью цилиндра имеется зазор, через который
может эжектироваться окружающий воздух (рис. 1, б);
в) зазор между соплом и поверхностью цилиндра закрыт, образуя уступ на срезе сопла (рис. 1, в).
Показанная на рис. 1 экспериментальная установка позволяла, наряду с изменением давления поступающего в щелевое сопло воздуха, изменять следующие геометрические параметры: толщину струи 8; зазор между выходным сечением сопла и поверхностью цилиндра Д; угол между пластиной и осью сопла ■(. Эксперименты проводились в широком диапазоне изменения относительной
толщины струи (0,08 <__< 0,44). Отношение полного давления на срезе сопла
р0 к атмосферному давлению ра изменялось в пределах 1,6—2,9. Число Ие, подсчитанное по начальной толщине струи 8, изменялось от 3,7хЮ4 при 8=2 мм и
=1,6 до 3,6ХЮ5 при 5 = 11 мм и ро1ра = 2,9. Температура струи при экс-
\ Ра !
периментах менялась в диапазоне 280—300 К. Наличие концевых шайб и большое
I
отношение ширины струи к ее высоте (15,5 <------ < 85) обеспечивали условия,
&
близкие к двухмерному течению в исследуемых струях. Основные абсолютные геометрические размеры исследованной струйной системы (см. рис. 1) были следующими: 2,0 < о < 11 мм; / = 100 мм: £ = 170 мм; = 25 Мм.
Показания приборов снимались при фиксированных геометрических параметрах и при различных давлениях перед соплом. Давление вначале повышалось до наступления отрыва, сопровождающегося резким изменением отношения компонентов тяги, а затем снижалось до начального уровня.
2. На рис. 2—4 представлены результаты проведенных экспериментов, позволяющие определять изменение импульса струи в зависимости от угла у при различных значениях В//? и Д/В и двух значениях полного давления на срезе сопла. Определяемый по показаниям тензовесов действительный угол разворота струи был несколько меньше угла у, и это отличие увеличивалось с ростом 7 и относительной толщиной струи. Однако максимальное различие действительного угла разворота струи от угла у не превышало 3—4°. По оси ординат отложено отношение тяги Л , измеряемой тензовесами при развороте струи на угол у, к
тяге изолированного сопла /?с, которая определялась тензовесами при снятых цилиндре и пластине. Зависимости как правило, заканчиваются вертикаль-
ными штрихами, отмечающими появление колебаний в показаниях тензовесов, которые являлись признаком предотрывного характера обтекания. Отрыв потока (при котором вектор тяги имеет направление, близкое к оси сопла) наступал при дальнейшем увеличении угла у примерно на 5е.
Из рассмотрения зависимостей рис. 2—4 видно, что увеличение относительной толщины струи приводит к некоторому уменьшению потерь импульса струи на малых углах ее разворота, хотя, как правило, при этом уменьшается предельный угол разворота. Значение давления перед соплом не сказывается на величине потерь импульса для „тонких* струй (8//? = 0,08). Для .толстых* струй (5//? = 0,25 и 0,44) увеличение давления перед соплом приводит к некоторому возрастанию потерь импульса на разворот и к уменьшению предельного угла разворота. Потери импульса при развороте струи можно существенно уменьшить, если между соплом и цилиндрической поверхностью организовать зазор, через который может эжектироваться воздух. При небольших углах разворота и больших зазорах имеет место даже заметное увеличение суммарного импульса струи. В этом случае рассматриваемая струйная система работает как эжекторный увеличитель тяги.
На рис. 5 и 6 представлены зависимости, аналогичные зависимостям рис. 2 и 3, но для случая, когда при В//?=0,08 и 0,25 через зазор между соплом и поверхностью цилиндра протока воздуха нет (см. рис. 1, в). В экспериментах этот зазор закрывался, имитируя таким образом уступ, который может иметь место в реальной конструкции.
Из рассмотрения зависимостей рис. 5 и 6 и сравнения их с зависимостями рис. 2 и 3 видно-, что наличие уступа заметно увеличивает потери импульса струи.
Эти потери тем больше, чем меньше относительная толщина струи и больше величина уступа. При этом наличие уступа увеличивает предельный угол разворота струи, очевидно, за счет усиления турбулизации струи. Уменьшение потерь импульса при увеличении угла разворота для тонкой струи с В//?=0,08 в области малых значений 7 (см. рис. 5) объясняется, очевидно, тем, что для тонкой струи угол ее разворота на кромке уступа может быть значительным и, следовательно, могут быть заметными дополнительные потери из-за большого угла падения струи на поверхность. В этих условиях увеличение 7 в некоторых пределах приводит к уменьшению этого угла падения и к уменьшению дополнительных потерь.
На рис. 7 представлены зависимости, характеризующие гистерезисные явления при отрыве струи, которые исследовались как при фиксированном угле поворота и изменяющемся давлении перед соплом (как это делалось при проведении основных экспериментов), так и при фиксированном давлении перед соплом и изменяющемся угле разворота. В первом случае при фиксированном угле ; давление
перед соплом постепенно увеличивалось до наступления отрыва, а затем давление уменьшалось. Во втором случае при фиксированном давлении перед соплом угол 7 постепенно увеличивался и находился угол наступления отрыва струи 70Хр, а затем угол 7 уменьшался.
Было установлено, что независимо от способа достижения отрыва струи
зависимости 70Тр—оказываются одними и теми же. „Прилипание* же
струи не зависит от способа ликвидации отрыва только при А=0. При наличии
А
зазора А (при экспериментах исследовались случаи — >0,5) возникающий отрыв
В
ликвидировался только уменьшением угла 7, уменьшение же давления при фиксированном угле 7 отрыва не ликвидировало.
Таким образом, проведенные эксперименты позволили не только получить зависимости импульса щелевой струи от ее угла разворота и ее геометрических и газодинамических параметров, но и найти способ существенного снижения потерь импульса за счет использования эффекта эжектирования газа через зазор между щелевым соплом и поверхностью, вокруг которой осуществляется разворот щелевой струи. Показано, что во многих практически интересных случаях использование этого эффекта позволяет заметно увеличивать импульс щелевой струи при ее развороте.
9—«Ученые записки ЦАГИ» № 5
129
ЛИТЕРАТУРА
1. Newman В. G. The prediction of turbulent jets and wall jets. „Canadian Aeronautics and Space Journal", vol. 15, N 8, 1969.
2. Петров А. В., Шеломовская В. В. Метод расчета коэффициента импульса струи, потребного для ликвидации отрыва потока на профиле крыла. Труды ЦАГИ, вып. 1977, 1979.
3. Maisters G. F. The attachment of a ventilated plane jet to an inclined plane wall. „Aeron. Quartely*, vol. 29, N 2, 1978.
4. Perry D. H. A review of some published data on the externa 1-flow jet-augmented flap. ARC С. P, N 1194, 1972.
5. Phelps A. E., L e t k о W. and Henderson R. L. Low-speed wind-tunnel investigation of a semispan STOL jet transport wing-body with an upper-surface blown jet flap. NASA TN D—7183, 1973.
6. Wim press J. K. Upper surface blowing technology as applied to the YC-14 airplane. SAE Paper, N 730916, 1973.
7. D a v e n p о r t F. J., H u n t D. N. Deflection of a thick jet by a convex surface: a practical problem for powered lift. ,AIAA“ Paper, N 75—167 1975.
Рукопись поступила 25(111 1981
