Исследование течения в эжекторе с помощью лазерного допплеровского измерителя скорости Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Т о м XII 19 81 № 3

УДК 533.697.5

532.57:621.375.8

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В ЭЖЕКТОРЕ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО ДОППЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ

СКОРОСТИ

В. К. Алаторцев, А. В. Саплин, В. В. Скворцов

Приведены результаты экспериментальных исследований течения в осесимметричном дозвуковом эжекторе с помощью лазерного допплеровского измерителя скорости. Исследованы поля средней скорости и пульсационных составляющих скорости в зоне предварительного смешения — между соплом и конфузором камеры смешения, внутри камеры смешения и в ее выходном сечении. На основании полученных данных определен коэффициент эжекции. Для различных сечений начального и основного участков струи в эжекторе построены профили безразмерной избыточной скорости, которые оказались близки к универсальным, а также профили продольных пульсаций скорости.

Применение лазерного допплеровского измерителя скорости (ЛДИС) представляет значительный интерес в экспериментальных исследованиях задач внутренней газовой динамики, где контактные способы измерений могут особенно сильно влиять на характеристики изучаемого течения или возможности их применения оказываются ограниченными. Одной из таких задач является изучение процесса смешения эжектирующего и эжектируемого потоков в системах различного назначения. ЛДИС позволяет исследовать как осредненные, так и пульсационные характеристики течения в эжекторе, не нарушая картины течения, и сравнить их с известными результатами расчетных методов (например, [1 — 4, 8]).

В настоящей работе ЛДИС был использован для исследования характеристик потока в осесимметричном дозвуковом эжекторе. В частности, наряду с профилями средней скорости одновременно были определены величины продольных пульсаций в различных точках на срезе сопла, в промежутке между соплом и конфузором, а также в выходном сечении диффузора.

Основные геометрические параметры эжектора приведены на рис. 1, а. Он состоял из высоконапорного тракта с профилированным соплом и камеры, цилиндрическая часть которой набиралась из сменных колец. Профилированное сопло имело диаметр 25 мм. Скорость потока на выходе из сопла поддерживалась равной 70 м/с. В проведенных опытах расстояние между срезом сопла и входной

Рис. 1. Схема эжектора. Профили средней скорости и пульсационной составляющей скорости

кромкой конфузора было равно 52 мм, длина цилиндрической части камеры смешения составляла 235 мм, а ее внутренний диаметр—70мм. Диффузор камеры имел угол раскрытия а = 4°. Особенность конструкции эжектора состояла в том, что один из сменных отсеков камеры смешения имел окна, выполненные из оптического стекла толщиной 5 мм, для ввода и вывода лазерного излучения. Модель эжектора с помощью образцовых мер длины, имевших погрешность 0,05 мм, юстировалась относительно стола сканирующего устройства, на котором был смонтирован ЛДИС. Непараллельность хода стола относительно геометрической оси модели составляла не более +0,2 мм.

Экспериментальные исследования характеристик потока в эжекторе проводились с помощью однокомпонентного лазерного допплеровского измерителя скорости, собранного по дифференциальной двусторонней оптической схеме [5], в которой используется прямое рассеяние света гелий-неонового лазера. Оптическая схема была собрана таким образом, чтобы регистрировались значения продольной составляющей скорости потока. Рассеянное излучение, несущее информацию о свойствах потока, попадало на фотоприемную аппаратуру ЛДИС из измерительного объема, формируемого в зоне пересечения лазерных лучей, который представлял собой цилиндр с характерным размером 0,2 мм и длиной менее 1,5 мм, причем его ось была ориентирована поперек потока. Шаг интерференционных полос в центре измерительного объема составлял 13,55 мкм, причем по данным, полученным с помощью измерителя шага полос, неравномерность шага по длине измерительного объема не превышала 0,05%. Погрешность измерения скорости в единичном измерении оценивалась по методике, изложенной в рабо-

те [6], и была равна —0,3%. Аэрозолем служили частицы естественной запыленности потока.

В условиях проведенных экспериментов реализовался одночастичный режим работы, при котором в измерительном объеме с вероятностью, близкой к единице, находилась только одна частица, и паузы между моментами прихода частиц в данный объем были велики по сравнению со временем пролета частицы через него. Поэтому для регистрации и обработки применялась электронная система дискретного измерения частоты возникающего допплеровского сигнала, принцип действия которой описан, например* в работе [7]. В этой системе осуществлялась фильтрация поступающего сигнала, а также определялись (по некоторому амплитудному уровню) его длительность и число периодов, которые необходимы для вычисления частоты сигнала. Фильтрация сигнала производилась с помощью набора переключаемых полосовых фильтров, перекрывающих диапазон частот от 0,09 до 10,36 мГц. Регистрация полученных данных производилась на ленточном перфораторе с темпом 5 — 8 отсчетов в секунду. Вся вторичная обработка результатов измерений (определение частоты сигнала, скорости потока, пульсаций скорости и т. д.) проводилась на ЭВМ.

Измеренные ЛДИС распределения относительных значений скорости и и среднеквадратичных отклонений и' по диаметру струи в различных сечениях эжектора приведены на рис. 1, а и б, причем опорной величиной является средняя скорость течения на оси выходного сечения сопла. В экспериментах значение данной скорости уточнялось перед и после каждой серии измерений профиля в том или ином сечении. Из рис. 1 видно, что на начальном участке (сечения х/Иа = 0 Ч- 3,8) течение им^ет четко выраженное потенциальное ядро, которое по мере удаления от сопла постепенно размывается из-за увеличения толщины струйного пограничного слоя. Продольная составляющая скорости спутного потока возрастает от нуля до значения (0,12 — 0,15) иа на входе в конфу-зор. На рассматриваемом участке смешения скорость потока в ядре остается постоянной, но у самого среза конфузора начинается ее увеличение (см. распределение и по оси эжектора на рис. 1, в), обусловленное, как известно, понижением статического давления. Ускорение потока продолжается в камере смешения, причем скорость в ядре достигает максимума —1,06 иа в начале цилиндрической части. Как будет видно из дальнейшего, этому максимуму скорости соответствует минимум пульсаций в переходной зоне от ядра потока к спутной струе. В конце начального участка скорость эжектируемого потока, отнесенная к величине на срезе сопла, равна примерно 0,32. В дальнейшем ядро струи размывается, и в сечениях х/Ца^-19 эжектирующий и эжектируемый потоки разделить нельзя. На выходе диффузора эжектора поток достаточно равномерен: скорость изменяется от 0,6 иа на оси потока до 0,4 на его периферии. Таким образом, полученные экспериментальные профили средней скорости качественно согласуются с общими представлениями о характере течения газа в эжекторе (см., например, [1, 2]).

На основании полученных распределений средней скорости в цилиндрической части камеры смешения был проведен расчет коэффициента эжекции исследуемого эжектора путем интегрирования профилей скорости. Поскольку в условиях эксперимента (ско-

рость на срезе сопла 70 м/с) сжимаемостью потока можно пренебречь, то коэффициент эжекции

як

К = = и(Г)гс1г- 1, (1)

1 ка 0

где в2 — полный расход газа в цилиндрической части камеры смешения; вх — расход через сопло; и (г) — скорость потока, отнесенная к скорости на срезе сопла (ее значения могут быть определены из измеренных распределений скорости); £?а — радиус сопла; /?к — радиус цилиндрической части камеры смешения.

Интеграл в выражении (1) определялся численно, для чего сечение цилиндрической части камеры смешения разбивалось на систему колец шириной 2 мм, каждому из которых сопоставлялось экспериментальное значение й(г). Для оценки эффективности примененного метода расчет коэффициента эжекции производился по местным полям в различных сечениях по длине камеры смешения. В пределах погрешности метода он оказался постоянным и равным 2,6.

Обобщение экспериментальных распределений средних значений продольной скорости по поперечной координате было получено путем построения избыточной скорости для различных сечений начального и основного участков струи. С этой целью применялась методика обработки экспериментальных данных для турбулентных струй [1, 2]. В сечениях эжектора х^а — 2; 3,8 и 8 (см. рис. 1), в которых существует ядро потока, определялась величина избыточной скорости

Ди и — ин

Ьит и0 — ип

где и0 — скорость в ядре потока, ии—скорость спутного потока около внешнего края пограничного слоя, и—-местная скорость струи (все величины отнесены к скорости на срезе сопла).

Кроме того, для каждого из указанных сечений определялись радиусы г', г" и гс, в которых достигалась скорость струи, соответствующая 0,9 (и0— ин); 0,1 («0 — ин) и 0,5 (ы0 — ин). По этим координатам рассчитывалась величина Ауь — г' — г", которая характеризует толщину пограничного слоя, а также относительная координата экспериментальной точки -г-д-—- = • Полученные значения пРнвеДены различными значками на рис. 2.

Безразмерные профили, полученные в различных сечениях,» где имеется ядро потока, близки по своей форме к универсальному профилю, и, следовательно, примененное преобразование переменных является аффинным не только для классической турбулентной струи, но и для потока в изучаемом типе эжектора.

Аналогичным образом в обобщенных координатах были построены профили избыточной скорости струи для некоторых сечений основного участка струи (сечения л://?а = 13,6; 19,2; 22) в цилиндрической части камеры смешения. В данном случае в качестве

обобщенных переменных принимались отношение = ~~ “н и

а ит и0 —■ ин

отношение г/гс, причем в тех случаях, когда спутный поток уже

5—„Ученые записки ЦАГИ“ № 3

65

-1,0 -0,8 -0,6 -0,4- -О,? О 02 0,4- 0,5 &ус/&у1

Рис. 2. Профили безразмерной избыточной скорости и продольных пульсаций для начального участка струи

Д — ЛГ,7?„

= 3,8; X - х'Яа — 8

не был явно выражен, в качестве мн бралась величина скорости на границе потока. Полученные значения безразмерной избыточной скорости приведены различными значениями на рис. 3.

Для основного участка струи профили также близки к универсальному профилю. В центральной зоне струи они близки также к безразмерному профилю избыточной скорости для турбулентной струи в спутном потоке воздуха, приведенному в монографии [1] (пунктирная кривая). Однако на периферии, в зоне перехода к спутному потоку, избыточная скорость струи в случае эжектора убывает по радиусу более резко, чем для свободной струи.

Полученные экспериментальные результаты сравнивались также с теоретическим распределением скорости в осесимметричном эжекторе, которое найдено в работе [8], исходя из анализа турт булентного перемешивания потока:

и =

^ср

2,43

«о — «и

н0

х

Ж

/0(3,83г),

(2)

где и — отклонение местной средней продольной скорости от среднемассовой скорости мср; /0— функция Бесселя нулевого порядка, определенная на интервале [0, 1]; и0 и иа — скорости на оси и на периферии потока для некоторого сечения основного участка струи; х — продольная координата; /?0 — характерная ширина зоны турбулентного перемешивания, в пределах которой скорость изменяется от м0 до ин (в случае, если спутный поток явно не выражен, в качестве /?0 согласно [8] брался радиус камеры смешения), Г = г/я о.

Для того чтобы сопоставить экспериментальные результаты с формулой (2), принималось во внимание, что

Ц°Р _ / ту~ | 1 \ Ра

— - (Л -Г 1) у-,

где .Раи /^ — площади среза сопла и цилиндрической части камеры смешения соответственно.

Тогда формула (2) может быть приведена к виду:

>к 1

2,43

■(*+ 1)

1

= /0.(3,83г).

(3)

Отношение х//?0 определяется из условия, что при г = г//?0=:0 и = и0 и /0 = 1. С учетом этого условия левая часть

[' к Щ

и°

; РкН

~ I М* +

+ 1)

1

Ра{К+ I)

1

(4)

На рис. 4 приведены распределения и0 для сечений —

= 13,6; 19,2 и 22 цилиндрической части камеры смешения эжектора, причем принималось, что К— 2,6; 2/?а = 25мм, 2/?к = 70 мм. Для сечений х/1?а — 19,2 и 22, в которых эжектируемый и эжектирую-• щий потоки разделить нельзя, принималось, что /?0 = /?к. Для сечения х/1?а — 13,6 |В качестве к0 бралась граница эжектирующего потока (/?0 = ЗОмм). На рис. 4 сплошной линией приведено распределение /0 (3,83 г). Сопоставление результатов показывает, что в центральной зоне струи они удовлетворительно согласуются между собой, однако на периферии струи подобие течения в рассматриваемых переменных соблюдается несколько хуже.

Изучению пульсационных характеристик свободных турбулентных струй посвящен в настоящее время ряд работ (см., например, подробные исследования, опубликованные в работе [9], и приведенную там библиографию). Такие исследования выполняются обычно с помощью термоанемометрической аппаратуры. Метод чЛДИС позволяет измерять также пульсационные характеристики, причем бесконтактным способом, что имеет определенные преимущества при исследовании внутренних течений, где использование контактной аппаратуры бывает затруднено. В данном методе вег личина пульсаций определяется в результате обработки массивов экспериментальных значений скорости, полученных при пролете отдельных частиц аэрозоля через измерительный объем. В настоящей работе были изучены распределения продольных пульсаций

ем = V<Си' 2> /и в различных сечениях начального и основного участков турбулентного течения в эжекторе.

Проведенные измерения показали, что величина продольных пульсаций непосредственно на срезе сопла в ядре потока была

Аи.

т

0,8

0,6

0,2

- ¥0 -20

-X

ч

4“

0Л 0,8 11

г/гс

Рис. 3. Профили безразмерной избыточной скорости и продольных пульсаций для основного участка струи

О _ х1Яа = 13,6; х - х/Яа = 19,2;

• - хШа = 22

А Л

в \.

. V о

\ 1 V

о, ? 0 # 0, г/Но

4 • О

* *

Рис. 4. Обозначения точек такие же, как на рис. 3

равна примерно 1%. Распределения величины еа в других сечениях струи с целью привязки к профилю скорости показаны на рис. 2 и 3 кривыми 1, 2 и 3. В некоторых характерных точках этих кривых приведены также среднеквадратичные погрешности результатов измерений величины £а. Распределения 1, 2, 3 на рис. 2 были получены в сечениях х/7?а = 2; 3,8; 8 соответственно, а распределения с такими же номерами на рис. 3 —в сечениях л://?а=13,6; 19,2; 33,4, причем последнее сечение относится к срезу диффузора. Пунктирный участок кривой 2 соответствует области сильного разброса экспериментальных точек, где выбранного массива в сто частиц аэрозоля оказалось недостаточно для получения гладкого распределения. Из приведенных данных следует, что хотя основная закономерность распределения пульсаций — нарастание их величины в области перехода от основного к спутному потоку — имеет такой же вид, как для свободной турбулентной струи [9], однако можно отметить и особенности, характерные для эжектора. Из рис. 2 видно, что в сечении хЩа = 8 (начало цилиндрического участка камеры смешения), которому соответствует отмеченный ранее максимум продольной скорости, происходит уменьшение величины пульсаций (кривая 3) по сравнению с предыдущим и последующим участками эжектора. Этот минимум имеет место не только для величины еи, но и для абсолютных значений |/<и’ 2>. При переходе от начального участка струи к основному (см. рис. 3) пульсации на оси потока вновь возрастают, тогда как на периферии течения с увеличением координаты х имеет место тенденция к их постепенному уменьшению и более равномерному распределению по радиусу. Наконец, заметное влияние на пульсации оказывает диффузор, обусловливая равномерное их распределение по сечению струи.

Авторы благодарят Ю. Г. Жулева за внимание к данной работе и обсуждение полученных результатов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй. М., „Физ-матгиз", 1960.

2. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М., „Наука", 1976.

3. Гиневский А. С. Теория турбулентных струй и следов. Интегральные методы расчета. М., .Машиностроение", 1969.

4. Яковлевский О. В. Гипотеза об универсальности эжекци-онных свойств турбулентных струй газа и ее приложения. „Изв. АН СССР, ОТН, Механика и машиностроение", 1961, № 3.

5. Ринкевичус В. С. Лазерная анемометрия. М., „Энергия",

1978.

6. Гродзовский Г. Л. Анализ точности измерений ЛДИСа. Труды ЦАГИ, вып. 1750, 1976.

7. Карпов В. А. Электронная система дискретного измерения частоты сигнала ЛДИСа. Труды ЦАГИ, вып. 1750, 1976.

8. Гродзовский Г. Л. Выравнивание неравномерности поля скоростей в осесимметричном турбулентном и ламинарном потоке. „ДАН СССР", т. ХСУП, № 4, 1954.

9. Гиневский А. С., Елизарова Л. И., Шубин Ю. М. Исследование микроструктуры турбулентной струи в спутном потоке. „Изв. АН СССР, МЖГ", 1966, № 4.

Рукопись поступила 101VII 1979 г.