CC BY
46
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ
ТомХХІ 1990 № 4
УДК 532.556.4 532.525
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОТОКА И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ОКОН СО СВОБОДНЫМ ВИХРЕМ
А. А. Гилерсон, В. И. Панченко, В. Г. Рафиков, Р. И. Сериков, В. М. Хайлов
Приведены газодинамические характеристики аэродинамических окон со свободным вихрем, рассчитанных на отношения давлений р = 1,5 ... 15. Указаны методы повышения и регулирования отношения давлений на окне, выбора оптимальной геометрии сопла и диффузора, рассмотрены особенности расчета слоев смешения на границах затопленных криволинейных струй.
Аэродинамические окна (АО)—устройства, в которых перепад давлений между двумя средами поддерживается за счет организации течения в газовой завесе с поперечным градиентом давления. АО используются в проточных газовых лазерах [1], в качестве высокоэффективных эжекторов [2], в струйных завесах [3] и других газодинамических устройствах.
По способу создания потока в АО их принято разделять на напорные, в которых газ подается из системы высокого давления, и вакуумные, через которые атмосферный воздух просасывается откачивающей системой (вакуумным насосом).
АО со свободным вихрем (АОСВ) — одни из наиболее экономичных окон напорного типа. В таких окнах на срезе специально спрофилированного сопла создается поток с распределением параметров по закону свободного вихря иг = сопз! (и — скорость, г — радиус линии тока), которое сохраняется в ядре потока при дальнейшем течении в апертуре. Организация течения в окнах такого типа имеет свои особенности во всех основных элементах тракта: в соплах, в завесе, пересекающей аперхуру, в выходном диффузоре. Экспериментальное изучение этих особенностей в АО, рассчитанных на отношения давлений на завесе р=1,5 ... 15 и представляет предмет настоящего исследования.
Основной газодинамической характеристикой АОСВ является зависимость отношения давлений на завесе окна р = р+/р_ от относительного полного давления рабочего газа р0 — р0/р+, которую называют обычно дроссельной характеристикой (р0 — давление перед соплом, р+ — давление над струей, р_ — давление под струей завесы). Вид этой характеристики зависит от геометрических соотношений используемого диффузора, а также в некоторой степени от способа профилирования сопла.
В работах [4, 5) рассмотрены методы построения сопел, реализующих на срезе течение со свободным вихрем. В зависимости от принимаемого метода получаются сопла различной длины, имеющие соответственно разную толщину пограничного слоя на выходе из сопла.
Выполненное в настоящей работе прямое экспериментальное сопоставление АОСВ с соплами, спрофилированными по рекомендациям работ [4] и [5], показало следующее. Распределение полного давления в ядре потока на срезе сопла минимальной длины [5] в АО, рассчитанного на ро = 9,6, р = 7,6, 0 = 60°, где 8 — угол поворота потока (установка /)*, на расчетном режиме с высокой степенью точности соответствовало теоретическому распределению. В ядре потока на срезе более длинного сопла [4] измеренные трубкой Пито полные давления отличались от расчетных в сторону меньших чисел Маха (Дро/ро= 10 . . . 12%), что связано с большими толщинами пограничного слоя на всех четырех стенках сопла. В результате, при той же конфигурации диффузора дроссельная характеристика АО с длинным соплом проходила несколько ниже, чем с соплом минимальной длины. Поэтому при тех же рабочих давлениях достигались меньшие перепады давлений на завесе, в том числе и в области рабочей точки (рис. 1).
* Геометрические параметры £> = 30 мм, = 2,25 мм.
Рис. 1. Дроссельные характеристики АО с коротким и длинным соплом:
Лд = ^-= 3,6; с — •г— = 0,54
а На
короткое О — Че = (0,62 . . . 3,08) • 105;
сопло Д — = 1,23 • 105;
длинное О — йе = (0,62 . . . 3,08) • 105;
сопло д — Яе4 = 1,23 • 105
Тем не менее расчетное значение р удавалось получить, несколько опустив нижнюю стенку диффузора, т. е., увеличив размер с. Аналогичные результаты были получены при исследовании АО с р0=7,0, р — 15, 0 = 60° (установка 2)**.
Возможность реализации заданных отношений давлений на окне и вид дроссельной характеристики определяются, главным образом эффективностью работы сверхзвукового диффузора, в котором, по крайней мере на нижней стенке, должно произойти восстановление давления от Р- до р+ на расчетном режиме. Особенностью АОСВ является также то, что сопло запускается с верхней и нижней стенках не одновременно, и эта особенность усложняется динамикой формирования течения в диффузоре. Положение передней кромки нижней стенки диффузора определяет положение нижней границы струи в апертуре. От положения верхней стенки зависит площадь горла диффузора, а также количество газа, эжектируемого в диффузор из атмосферы. В экспериментах нижняя стенка всегда выполнялась плоской, верхняя стенка имела наклон у входа в диффузор.
При параллельном перемещении нижней стенки диффузора существенно менялось отношение давлений на окне как на расчетном, так и на нерасчетных режимах. Если нижняя стенка была опущена ниже некоторого номинального положения параллельно оси луча, то на расчетном режиме возникала комбинированная структура — <40 со свободным вихрем + АО с расширением потока. Так, в окне с Рорасч = 8. Ррасч = 2. 0 = 26° (установка 3)* при опускании стенки от £
Є = т— =0,14 до £=1,55 отношение давлений на расчетном режиме увеличивалось от £ = 2,0 ° _ до р = 4,15 (рис. 2, а). В установке / опускание нижней стенки от с = 0,38 до с = 0,76 привело к увеличению отношения давлений на расчетном режиме от р= 7,6 до р=10. Отметим,
* £) = 30 мм, Л, = 3,6 мм ** £) = 30 мм, п„ = 3,43 мм
Рис. 2. Влияние положения нижней стенки (а) и высоты диффузора (б) на дроссельные характеристики АО: а) — установка 3, Иеф = (0,95 . . . 4,67) • 105, О —с = 0, Д — с = 0,28, V — с — 1,55,
□ — с = 2,25, О — С — 1,55 (с отсосом^; 6) — установка 1, с = 0,38, 1?е = (0,62 . . . 3,08) •
• 105, □ — Лд = 3,7, О — Ад = 4,3, X — Лд = 4,9, О — Ад = 5,35
что опускание нижней стенки ниже некоторого значения С, которое обусловлено геометрией диффузора и расчетным значением р0, не приводит к увеличению отношения давлений на окне.
Влияние положения верхней стенки диффузора при малых отношениях давлений на окне проявляется слабо. С увеличением отношения давлений это влияние возрастает (рис. 2, б, установка /). В диапазоне высот диффузора Лд= -т&- = 3,7 . . . 4,3 дроссельная характеристика не ме-
Па
нялась, а с увеличением высоты диффузора до Лд= 4,9 сохранялся начальный участок характеристики, но уменьшалось максимальное отношение давлений на окне, наконец, при Лд = 5,35 при запуске окна, т. е. с увеличением ро наблюдались скачкообразные изменения отношения давлений на окне, обусловленные особенностями присоединения потока к стенкам в широком диффузоре.
На течение в апертуре и диффузоре, а также на количество газа, эжектируемого струей из атмосферы, существенно влияет геометрия передней кромки верхней стенки диффузора. Если передняя кромка острая (как в работе [4]), то происходит сильный разгон эжектируемого воздуха при его обтекании, что приводит к возникновению отрывных зон. При скруг-лении передней кромки обтекание становится более плавным, увеличивается количество подсасываемого атмосферного воздуха, и для получения расчетных отношений давлений на окне требуется дополнительная доводка диффузора. Вследствие более слабого влияния положения верхней стенки (по сравнению с нижней) параллельное перемещение всего диффузора в целом приводило к такому же изменению параметров, как и перемещение нижней стенки: опускание диффузора позволяло увеличить крутизну дроссельной характеристики и отношение давлений на окне.
Экспериментальные установки для исследования АОСВ выполнялись таким образом, что область высокого давления над струей завесы представляла собой полость, отделенную от атмосферы, но сообщающуюся с областью за диффузором. Откачкой газа из этой области можно было уменьшать давление над струей и изменением полного давления на входе в сопло моделировать течение при различных числах Рейнольдса. В экспериментах с различными моделями окон обнаружено, что при числах Рейнольдса, подсчитанных по параметрам в критическом сечении сопла, меньших Ие*= (0,7 ... 0,9)-105, начиналось заметное расслоение дроссельных. характеристик: отношение давлений на окне существенно уменьшалось (рис. 3). В АОСВ с широким сверхзвуковым диффузором при малых числах Рейнольдса иначе происходил запуск окна, соответственно изменялась конфигурация скачка на дроссельной характеристике (рис. 3, б).
Давление в полости под струей завесы АО определяется, с одной стороны, эжектирую-щими свойствами струи, а с другой—натеканием газа в полость по пограничным слоям на боковых стенках в апертуре под действием перепада давлений на окне. На рис. 4 показаны дроссельные характеристики АОСВ с различными конфигурациями полости низкого давления, которые могли уменьшить перетекания газа по пограничным слоям в полость. Установкой профилированных пластин вдоль линии тока перпендикулярно боковым стенкам (схема б) или плоских пластин на этих стенках (схема в) удалось несколько увеличить максимальное отношение давлений на окне. В области расчетной точки отношение давлений во всех схемах осталось неизменным.
Давление в полости зависит также от газообмена на границе аэродинамическое окно — зона резонатора. При наличии перепада давлений на границе происходит перетекание газа в том или другом направлении. Характеристики АО очень чувствительны к расходному воздействию со стороны области низкого давления: при вдуве воздуха в количестве, составляющим
а) 5)
Рис. 3. Влияние числа Рейнольдса на дроссельную характеристику АОСВ: с = 0,38, О — Ие = (0,62 . . . 3,08) - Ю5, V — Ие, = 1,23 • 105, * — Яе = 0,6 • 105 а) — Ад = 3,7, б) - Ад = 5,35 *
Рорасч 7,0 > Ррасч
= 15
а) а без 6стад а к
6) *
6) о
г) о
"Т *
«М
■^1 ^ *%1*Ь
<ьгз
Рис. 4
всего 0,8% от расхода основного потока й0, максимальное отношение давлений уменьшилось
р^ 7,',р- /3,/
с р = 13,5 до р = 8,3, а при вдуве с Овд = ----=
<Зо
= 0,104 — до /3 = 3,0. Отсосом воздуха с вогс =
= 3,5% удалось увеличить отношение давлений на расчетном режиме с р = 7,6 до р= 16.
Структура течения в АОСВ исследовалась с использованием теневых и интерференционных методов. Интерферограмма течения (с настройкой на бесконечную широкую полосу, где интерференционные полосы соответствуют линиям равной плотности) на расчетном режиме в установке 2 приведена на рис. 5. Линии равной плотности указывают прежде всего на высокое качество профилирования сопла — на выходе из сопла изохоры эквидистантны. В пределах апертуры эквидистантность линий нарушается, во-первых, слоями смешения (прежде всего на верхней границе струи), во-вторых, слабыми волнами разрежения и сжатия, возникающими на кромках сопла, и наконец, вблизи диффузора, где проявляется влияние эжекции воздуха из области над струей. Тем не менее, в среднем в пределах апертуры линии равной плотности близки к дугам окружности.
По интерферограммам с настройкой на полосы конечной ширины можно было более тщательно проследить нарастание слоев смешения на границах струи. На всех теневых и интерференционных картинах течения в АОСВ наблюдалась следующая тенденция: на верхней границе струи слой смешения нарастал существенно быстрее, чем в случае струй с прямолинейной осью, а нарастание слоя смешения со стороны низкого давления практически не происходило. Как было показано в работе [6], для приближенной оценки толщины слоев смешения в области, где не проявляется влияние диффузора и эжекции, может быть использована формула, применяемая для слоев смешения на границах струй с прямолинейной осью [7].
'Щ*: . . ''
Рис. 5
1 + — С-Л1.
где Ь — толщина слоя смешения, I—длина средней линии тока, с—постоянный коэффициент, для начального участка с — 0,27, рг, Р1—плотности на внешней и внутренней границах слоя; причем в работе [6] отмечалось, что ввиду переменных плотностей в ядре потока в формулу нужно подставлять текущие плотности на границе слоя, соответствующие значению I. Качественно формула правильно отслеживает более быстрое нарастание слоя смешения на верхней границе струи по мере нарастания слоя смешения при неизменных плотностях на внешних границах платности р| меняются по-разному со стороны высокого и низкого давлений: первая — уменьшается, а вторая — увеличивается. Обработка интерферограмм показала, что наблюдается и количественное совпадение расчетных и экспериментальных значений толщины слоев смешения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Парментьер, Гринберг. Сверхзвуковые аэродинамические шлюзы для мощных лазеров.— РТиК, 1973, т. II, № 7.
2. Мал ков Г. В., Панченко В. И., Виноградов Б. С., Абдрашитов А. А. Экспериментальное исследование эжекционных свойств сверхзвуковой турбулентной струи при сложном зчальном распределении скорости.— Газодинамика двигателей и энергоуо . .овок летательных аппаратов. Казань, 1987.
3. С а к и п о в 3. Б., Т об а я ко в Б. О. К расчету эффективности газовой завесы.—Аэродинамика и теплообмен топочных и горелочных устройств, 1981.
4. Guile R. N., Н i 1 d i n g W. E. Jnvestigation of a free vortex aerodynamic window.—AIAA Paper, 1975, N 122.
5. ШеломовскийВ. В. Сопла, реализующие на срезе поток свободного вихря и особенности течения в них.— Ученые записки ЦАГИ, 1982, т. 13, № 1.
6. Панченко В. И., Гилерсон А. А., Виноградов Б. С. Исследование структуры сверхзвуковой струи, истекающей из свободновихревого сопла, методом импульсной голографической интерферометрии.— «Изв. ВУЗов. Авиационная техника», 1986, № 1.
7. Теория турбулентных струй. Под ред. Г. Н. Абрамовича. М.: Наука,
1986.
Рукопись поступила 14/VI1989 г.
