CC BY
47
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦА Г И
Том XVI 1 98 5 М2
УДК 629.735.33.65
ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕРХЗВУКОВОГО ТЕЧЕНИЯ КОАНДА
И. Н. Соколова
Приведены экспериментально полученные параметры струй Коанда, сформированных сверхзвуковыми плоскими соплами. Установлено отличие параметров отрыва таких струй от параметров отрыва струй, сформированных сужающимися соплами.
Важными параметрами, характеризующими течение Коанда, являются давление в форкамере сопла, при котором происходит отрыв струи от поверхности ,и угол на который при этом струя отклоняется от оси сопла.
При изучении эффекта Коанда обычно рассматривают истечение струи из сужающегося сопла [1]. Для этого случая установлены предельные значения полного давления ро отр в форкамере сопла, начальных толщин струй б и зазоров между соплом и поверхностью Д, при которых реализуется течение Коанда [2]. Вообще говоря, для каждого полного давления ро имеется свой угол отрыва струи р. Однако для тонких струй малое; изменение давления роотр(Р) ведет к резкому изменению угла отрыва. Практически р0 отр(Р) = сопз1 = ро отр(О), т. е. при некотором давлении ро отр струя отрывается сразу от всей поверхности цилиндра [2]. Экспериментальное изучение параметров струй Коанда, истекающих из сужающихся сопл, показало, во-первых, ЧТО давление, при котором происходит отрыв Ро отр=Ро отр/Ра (Ра—атмосферное давление), падает с увеличением относительной начальной толщины струи 6 = 6/Я (Я— радиус цилиндра) (см. рис. 1); во-вторых, при малых 6 и при отсутствии зазора (Д = 0) давление отрыва ро 0Тр больше критического значения 1,89, т. е. вниз по течению от среза сопла реализуются сверхзвуковые скорости.
Хотя в течении Коанда вязкие эффекты, обусловленные пограничным слоем на цилиндре, существенно искажают течение по сравнению со свободно истекающей струей, наличие хотя и искаженных «бочек» и ослабленных скачков уплотнения может способствовать возникновению отрыва. Поэтому представлялось естественным предположить, что наличие сверхзвукового течения в сопле должно привести к увеличению давления отрыва струи. Действительно, проведенные опыты показали, что в течениях Коанда, сформированных сверхзвуковыми соплами, достигаются большие давления отрыва, чем в течениях Коанда из сужающихся сопл с тем же критическим сечением 6кр (рис. 2).
Однако оказалось, что для большинства сверхзвуковых сопл сверхзвуковой режим истечения не реализуется — отрыв потока начинается при дорасчетных давлениях. При этом на срезе сопла имеет место дозвуковое истечение, соответствующее истечению из сужающегося сопла с сечением, равным выходному сечению сверхзвукового сопла, и давлению в форкамере, равному давлению торможения за скачком уплотнения, возникающим в сверхзвуковом сопле. Поэтому высказано предположение, что сверхзвуковое безотрывное течение Коанда может быть реализовано лишь при истечении из сопл, рассчитанных на отношение давлений ро<роотр=ро струи, истекающей из сужающегося сопла с таким же критическим сечением. Действительно, как видно из рис. 2, для таких сопл реализуется расчетный и даже сверхрасчетный режимы сверхзвукового истечения. При этом давление отрыва р0 отр' становится больше ро и больше,
й =0
чем у сверхзвуковых сопл, рассчитанных на Ро>Ро■ Это увеличение давления отрыва, достаточно большое! для тонких сопл, падает с увеличением 6кр (см. рис. 1, где штриховая кривая соответствует соплам, рассчитанным на Мр=1,3).
При проведении эксперимента плоская струя истекала из сопла по касательной к цилиндру. Двумерность течения обеспечивалась значительным удлинением сопла — отношение ширины сопла Ь к его высоте в критическом сечении бкр изменялось в диапазоне от 30 до 60 в зависимости от 6кр, и налиичем пластин на концах цилиндра. Число Ие, подсчитанное по высоте критического сечения сопла, изменялось от 4-104— 5-106. Давление в форкамере сопла ро плавно повышалось от атмосферного давления Ра до давления Ро отр, при котором происходил отрыв струи от цилиндра. Измерялись полное и статическое давления в различных сечениях струи. По полученным эпюрам давлений определялись параметры отрыва—давление отрыва ро отр и угол отрыва Ротр при установке сопла без зазора и с зазором А между соплом и цилиндром. Параметры отрыва струй для исследованных сопл приведены в таблице.
Все сверхзвуковые сопла имели прямолинейные образующие.
Для каждой исследованной высоты критического сечения 6кр были получены давления отрыва ро отр струи Коанда, истекающей из сужающегося сопла (Мр = 1) и
Мр ®Кр — ®кр ®ВЫХ — Эвы Д = Д/Я Роотр Ротр» ГРаД
1,0 0,125 0 3,6 145
0,04 2,6 120
0,08 2,5 120
0,10 1.8 75
1,0 0,21 0 2.4 150
0,02 2,0 150
0,04 1,4 90
1,0 0,32 0 2,0 150
0,04 1,7 120
0,06 1,35 120
1,3 0,120 0,128 0 4,6 145
0,04 3,6 135
0,10 2,6 120
1.3 0,212 0.224 0 2,6 120
0,04 2,4 90
0,06 2.2 60
0,08 2.0 75
1.3 0,32 0,34 0 2,0 90
0,04 1,8 45
1,55 0,125 0,152 0 3,8 120
0,04 3,15 105
0,08 2,6 105
0,10 2,4 105
1,76 0,125 0,172 0 4,2 105
0,04 3,3 120
0.08 2,7 105
0,12 2.5 105
0,20 2,4 90
сверхзвуковых сопл с той же высотой критического сечения бКр и различными высотами выходного сечения 5ВЫХ, т. е. различными расчетными числами Мр.
_Исследованы сопла с высотой критического сечения бКр=бкр//?=0,125-ь 0,32. При 6кр = 0,125 получены параметры отрыва для струй, истекающих из сужающегося сопла (давление_отрыва р0=3,6), и трех сверхзвуковых сопл, рассчитанных на отношение давлений Ро=2,75(Мр= 1,3), 4(МР=1,55) и 5,3(МР= 1,76). Струя, истекающая
из сопла с расчетным перепадом р0 =2,75 (Мр = 1,3), показала самое большое давление отрыва роотр = 4,6, так как в нем реализуется сверхзвуковое течение. Струи, истекающие из сопл, рассчитанных на отношение давлений Ро>Ро = 3,6, отрываются при давлении, ниже расчетного значения. Аналогичные результаты получены и для сопл с 6кр = 0,17 и 0,21. Например, при 6Кр = 0,17 струя из сужающегося сопла отрывается при давлении р0 = 2,8. Струя, истекающая из сверхзвукового сопла с расчетным давлением ро = 2,75 (МР=1,3), имеет более высокое значение давление отрыва, чем струя, истекающая из сопла с расчетным давлением р0 = 4 (Мр=1,55). Таким образом, использование оптимальных сверхзвуковых сопл, т. е. рассчитанных на Рорасч<Ро, значительно расширяет пределы реализации течения Коанда.
ЛИТЕРАТУРА
1. Newman В. Q. The deflection of plane jets by adjacent boundaries.— Coanda effect. — Boundary layer and flew control, vol. 1, 1961. Pergamen Press.
2. С о к о л о в а И. Н. Пределы реализации течения Коанда. — Ученые записки ЦАГИ, 1983, т. XIII, № 5.
3. С о к о л о в а И. Н. Экспериментальное исследование пристеночных струй. — Труды ЦАГИ, 1982, вып. 2148.
Рукопись поступила lOjVUI 1983 г.
