Исследование пульсаций донного давления при взаимодействии сверхзвуковых струй газа с преградой в спутном сверхзвуковом потоке Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И То м VII 197 6

№ 4

УДК 629.76.015.3.024.8

ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ ДОННОГО ДАВЛЕНИЯ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ СВЕРХЗВУКОВЫХ СТРУЙ ГАЗА С ПРЕГРАДОЙ В СПУТНОМ СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ

П. С. Антохин, Е. Г1. Столяров

Приводятся результаты экспериментального исследования пульсаций давления на днище модели при наличии полусферической преграды, располагаемой на различных расстояниях от плоскости среза сопл в пределах от х — 1,2 йа до х = 3,3 йа. Кормовая часть модели состояла из восьми сопл, расположенных по окружности на периферийной части донной области. Конические сопла были рассчитаны на геометрическое число М„ = 4,95. Степень нерасчетности ра— Ю-г-40. Скорость спутного потока соответствовала М00 = 6.

Установлено, что в исследованном диапазоне степеней нерасчетности и расстояний до преграды спектры пульсаций донного давления являются сплошными, широкополосными. Уровни пульсаций возрастают по мере увеличения степени нерасчетности и приближаются к некоторому предельному значению. В исследованном диапазоне расстояний до преграды суммарные уровни пульсаций давления монотонно убывают при увеличении этого расстояния.

1. Истечение сверхзвуковых струй сопровождается в ряде случаев возникновением крайне сложного нестационарного течения. Взаимодействие сверхзвуковых струй между собой и с внешним потоком при наличии преграды приводит к появлению открытых или замкнутых областей возвратных течений с дозвуковыми скоростями. Через эти области возмущения передаются вперед, что может служить причиной возникновения колебаний всей области газа, прилегающей к донному срезу [1—4]. Уровни и спектральный состав пульсационного компонента давления зависят от многих факторов: от геометрии кормовой части и преграды, скорости набегающего потока, от геометрических и газодинамических параметров струй. Сложность картины течения не позволяет в настоящее время получить надежные оценки газодинамических параметров в донной области расчетным путем, поэтому изучение таких явлений проводится в большинстве случаев экспериментально на моделях.

Результаты экспериментальных исследований спектрального состава и уровней пульсаций давления непосредственно в донной области, а также во внешнем поле приведены в ряде работ, например в [4—6]. Так, при измерении пульсаций давления на плоской преграде, установленной в недорасширенной сверхзвуковой струе [5], отмечено возникновение дискретных тонов значительной интенсивности. Кроме того, суммарный уровень пульсаций достигал максимального значения при определенном расстоянии от среза сопла в зависимости от степени нерасчетности. Исследование пульсаций донного давления при наличии нескольких струй в спутном околозвуковом потоке [6] показало, что в опреде-

ленном диапазоне степеней нерасчетности и скорости набегающего потока появляются интенсивные дискретные составляющие, уровни которых значительно превышают уровень сплошного шума. ,

В данной работе исследовалось влияние преграды и степени нерасчетности на уровни и спектральный состав пульсаций донного давления при наличии, сверхзвукового спутного потока. Скорость набегающего потока соответствовала числу Ми = 6. Число Рейнольдса, подсчитанное по параметрам набегающего потока и диаметру модели, составляло ~108.

2. Модель представляла собой цилиндр с конической носовой частью В кормовой части модели по окружности радиусом г//? = 0,7 располагалось восемь сверхзвуковых конических сопл с расчетным геометрическим числом Ь\а — 4,95. Относительный выходной диаметр сопл составлял йа/'/) = 0,25 (/? = 2/?). Воздух под высоким давлением подавался в сопла через общую кольцевую форкамеру. Преграда в виде сферического сегмента с относительным радиусом /?Х/Л = 0,75 располагалась на продольной оси модели на расстояниях х = х/Ла от 1,2 до 3,3 (фиг. 1). Степень нерасчетности ра1Рсо = 10-5-40 достигалась изменением давления торможения истекающих струй. Схема модели приведена на фиг. 1.

Измерение пульсаций донного давления производилось малогабаритными пьезокерамическими приемниками. Сигналы с приемников записывались на магнитную ленту многоканального регистратора. Спектральный анализ проводился в частотных полосах шириной 1/10 октавы. Давление в сопловом блоке модели измерялось магнитоанизотропным приемником давления в комплекте с усилительной аппаратурой и регистрировалось на светолучевом осциллографе. Дополнительно производились измерения статического давления на боковой поверхности модели вблизи донного среза и визуализация течения с помощью скоростной киносъемки через прибор Теплера. Скорость киносъемки составляла 4000 кадр./с.

3. Некоторые результаты спектрального анализа представлены на фиг. 2 и 3

V( Др2 >

в виде зависимостей относительного уровня пульсаций ¿ = 20^-1-£-— (в де-

Р° „

цибелах) от безразмерной частоты (числа Струхаля1 БЬ = /<1а/ Здесь

У <Д/?2> — среднеквадратичное значение пульсационного компонента давления в частотной полосе шириной 1/10 октавы, р0 = 2-10~6 Па, /—частота, —скорость набегающего потока. Для широкополосного процесса величина £ пропорциональна спектральной плотности. Поскольку в низкочастотной области 811<[0,14 уровни пульсаций незначительны, спектры приведены в диапазоне частот, соответствующих значениям БИ от 0,14 до 0,7. Область высоких частот (511^0,7) ограничена частотным диапазоном аппаратуры.

На фиг. 2 приведены зависимости уровней пульсаций донного давления от безразмерной частоты при различных степенях нерасчетности и минимальном удалении преграды от плоскости донного среза х 1,2. Во всем исследованном диапазоне степеней нерасчетности спектры являются сплошными с незначительным максимумом, соответствующим числу БЬ 0,56. По мере увеличения степени нерасчетности уровни спектральных составляющих монотонно возрастают во всей исследованной области частот. Дискретные составляющие в спектрах пульсаций не обнаружены. При изменении степени нерасчетности от ]0 до 40 максимальные уровни спектральных составляющих возрастают примерно на 7 дБ,

1>,д6 х=122.1Л 150\ -'ТЯЧ'

ПО

130

0,1 0,2 0,5 5»

Фиг. 2

Ь,жГ~

150

ПО

130

0,1 0,2 0,5 5»

Фиг. 3

160

150

Фиг. 5

Увеличение расстояния между донным срезом и преградой х не приводит к заметному изменению характера спектра, а выражается лишь в некотором уменьшении уровней спектральных составляющих. На фиг. 3_приведены спектры пульсаций донного давления при степени нерасчетности ра = 43 и различных расстояниях х. Разность максимальных уровней спектральных составляющих около 13 дБ при изменении расстояния х от 1,2 до 3,3. В исследованном диапазоне расстояний х также не обнаружены дискретные составляющие.

Зависимость суммарного среднеквадратичного уровня пульсаций донного давления от степени нерасчетности при расстоянии до преграды х.х 1,2 приведена на фиг. 4. Здесь величина = 201§ У.. (в децибелах) пропорцио-

" Ро

нальна интегралу от спектральной плотности пульсаций давления во всем исследованном диапазоне частот. С увеличением степени нерасчетности в диапазоне ра=Юч-20 суммарный уровень пульсаций быстро нарастает, а при ра^ 30 изменяется слабо. По-видимому, при степенях нерасчетности 40 <С.ра<^. Р*а СУМ" марный уровень пульсаций давления приближается к некоторому асимптотическому значению. Здесь р* означает такую степень нерасчетности при которой на боковой поверхности кормовой части модели возникает отрыв пограничного слоя, и все ноле течения заметно изменяется. Оценка величины р*а по данным }7] дает значение р*а а: 100.

Зависимость суммарного уровня пульсаций донного давления от расстояния х при постоянной степени нерасчетности ра х 40 представлена на фиг. 5. Увеличение расстояния до преграды приводит к монотонному уменьшению суммарного уровня пульсаций в исследованном диапазоне х. При значении х~3 суммарный

уровень достигает практически постоянного минимального значения, соответствующего отсутствию преграды.

Анализ результатов измерения статического давления подтверждает отсутствие отрыва потока на боковой поверхности модели в исследованном диапазоне степеней нерасчетности. По материалам скоростной киносъемки теневой картины течения не удается установить наличие колебаний струй или каких-либо особенностей течения вблизи донного среза. Это качественно согласуется с результатами измерения пульсаций давления (отсутствие в спектрах дискретных составляющих) и статического давления на боковой поверхности (отсутствие отрыва потока).

ЛИТЕРАТУРА

1. Мог ch К. A. A theory for the mode of operation of the Hartmann air jet generator. Journal of Fluid Mech., vol. 20, 1964.

2. Голубков А. Г., К о з ь м е н к о Б. К., Остапенко В. А., СолотчинА. В. О взаимодействии сверхзвуковой недорасширен-ной струи с плоской ограниченной преградой. Изв. СО АН СССР, Серия технических наук, № 13, вып. 3, 1972.

3. Семилетенко А. Г., Собколов Б. Н., Усков В. Н. Особенности неустойчивого взаимодействия сверхзвуковой струи с безграничной преградой. Изв. СО АН СССР, Серия технических наук, № 13, вып. 3, 1972.

4. Анцупов А: В., Благосклонов В. Г. Взаимодействие перерасширенной струи газа с плоской преградой. „Ученые записки ЦАГИ\ т. 4, № 1, 1973.

5. Набережнова Г. В., Нестеров Ю. Н. Исследование польсаций давления на плоской преграде, установленной в недорас-ширенной струе перпендикулярно ее оси. Труды ЦАГИ, вып. 1589, 1974.

6. Антохин П. С., Ганабов В. И., Маслова Э. Г., Мун й н А. П Исследование шума сверхзвуковых струй при наличии спутного потока. (Сб. .Авиационная акустика'). Труды ЦАГИ, вып. 1655, 1975.

7. А 1 р i n i е г у L., A d a m s R. Flow separation due to jet pluming. AIAA J., 1965, № 10.

Рукопись поступила 24/Ilf 1975 г.