Исследование течения в горле воздухозаборника на больших сверхзвуковых скоростях потока при числах м, больших расчетного Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ То м V 1974

№ 1

УДК 629.7.015.3.036:533.697.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В ГОРЛЕ ВОЗДУХОЗАБОРНИКА НА БОЛЬШИХ СВЕРХЗВУКОВЫХ СКОРОСТЯХ ПОТОКА ПРИ ЧИСЛАХ М, БОЛЬШИХ РАСЧЕТНОГО

П. Д. Гончару к, В. Г. Гу рыле в

В диапазоне чисел Мн = 2-н5 и 1?е = (6,7-т- 1)*106 исследована структура течения на входе и в горле воздухозаборника при числах Мн, больших расчетного. Показаны особенности изменения структуры течения от степени дросселирования воздухозаборника. При больших числах Мн потока на входе возмущения от дросселя передаются вдоль стенок канала в горле далеко вперед от замыкающей системы скачков уплотнения, вызывая отрывы пограничных слоев на центральном теле и обечайке. При этом отмечается большая неравномерность и несимметричность течения в поперечных сечениях канала в начале горла, а также нестационарность течения.

Изучение структуры течения на входе и в горле воздухозаборника при сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях потока имеет большое значение, так как от характера торможения сверхзвукового потока в горле зависит эффективная работа воздухозаборника и возникновение помпажа. Структура течения на входе и в горле для воздухозаборников с головной волной на входе подробно изучалась в работе [1]. Исследования течений со сверхзвуковой скоростью потока и без головной ударной волны на входе проводились в работах [2], [3]. Во всех случаях числа М„ были меньше расчетных (М„<СМР). В данной работе изучается структура потока на входе главным образом при числах Мн, больших расчетного (М„>Мр), когда косые скачки уплотнения, образующиеся на поверхности торможения, проходят под переднюю кромку обечайки воздухозаборника. Такие режимы течения становятся основными для воздухозаборников с центральным телом при больших сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях полета. Однако они пока мало изучены. В работе подробно анализируется перестройка течения на входе и в горле по мере дросселирования воздухозаборника и изменения числа Мн. Исследуются нестационарные режимы течения.

Методика эксперимента. Испытания проводились на моделях воздухозаборников с внешним сжатием потока и с различной формой. Пограничный слой на входе был турбулентным, и толщина вытеснения составляла около 5% от площади входа. Течения различных типов, показанные на фиг. 1, наблюдались при испытаниях плоских воздухозаборников, боковыми стенками которых служили либо прозрачные стенки аэродинамической трубы (фиг. 2 и 3), либо прозрачные боковые щеки (фиг. 4). Испытания проводились также на осесимметричных моделях (фиг. 5).

/—протяженная зона отрыва; //—замыкающая система скачков уплотнения

Фиг. 1

Модель 1 (фиг. 2, фотографии 1—5) представляла собой плоский воздухозаборник с центральным телом, которое при расчетном числе Мр = 2 обеспечивало пересечение скачка уплотнения, идущего от носка начального клина с углом ^ = 4,5°, и характеристик сжатия, выходящих из криволинейного участка контура, на передней кромке обечайки. Конечный угол наклона контура центрального тела 9К = 20°. Относительная величина площади горла воз-_ ^

духозаборника /72 = -^ = 0,7 и 0,59. Относительная длина горла

«о

/2 = /2//г2 = 4. Высота входа Л0 = 55 мм, ширина Ь = 175 мм.

Модель 2 (фиг. 3)_отличалась от модели 1 высотой входа А0 = 30 мм, величиной /г2 = 0,57 и 0,67 и относительной длиной горла /=10 при Р2=0,57 и / = 8,5 при — 0,67. Модель имела отверстия для измерения статического давления на центральном теле и обечайке и гребенку насадков полного давления, установленную на расстоянии 7=6 от плоскости входа.

Модель 3 (фиг. 4) — плоский воздухозаборник с одноступенчатым клином на входе с углом 0! = 10°, Л0 = 50 мм, ^ = 0,5; / = 5,5; 6=175 мм. Модель имела дренаж для измерения статического и полного давлений. Три гребенки устанавливались на расстоянии / = 5,5 от плоскости входа. В процессе испытаний давление изме-

Фотография мн ’/'’шах ///шах

1 3.5 0,73 1

2 3,5 0,86 1

3 3,5 0,88 1

4 2,5 0,87 1

5 2,5 0,95 0,94

Фиг. 2

рялось с помощью групповых регистрирующих манометров ГРМ с классом точности 0,5 и при помощи малоинерционных датчиков давления ДМИ, позволяющих фиксировать колебания в диапазоне частот (о = 0 — 500 Гц.

Модель 4 (фиг. 5) — осесимметричный воздухозаборник с одноступенчатым конусом на входе с_ полууглом 61 = 20°. Диаметр входа с?0=94 мм, Мр = 4,5; 1 = 8, /г2 = 0,3; /у/^ = 0,765 — степень внутреннего сжатия потока. Особое внимание при изготовлении этой модели обращалось на соосность центрального тела и обечайки. Соосность контролировалась специальным цилиндрическим калибром, который входил в горло воздухозаборника с точностью допусков скользящих посадок. Отклонение оси обечайки от оси центрального клина не превышало 0,02 мм.

Измерение расхода воздуха через воздухозаборник осуществлялось стандартным расходомерным устройством. Картина течения наблюдалась с помощью прибора Теплера. Нестационарные явления на входе и в горле воздухозаборника изучались при помощи скоростной киносъемки с частотой 1000—2000 кадр/с, и малоинерционных датчиков давления ДМИ.

Типы течения при дросселировании. Изучение течения на входе и в горле на разных моделях показало, что основная особенность течения на режиме дросселирования при больших числах Мн потока (Ми^Мр) заключается в том, что в горле наблюдаются про-

тяженные зоны отрыва пограничного слоя от стенок канала впереди замыкающей системы Х-образных скачков уплотнения (см. фиг. 2), Воздействие противодавления от дросселя при сверхзвуковом потоке в горле передается через пристеночный дозвуковой слой и зоны отрыва и распространяется на большое расстояние I вверх по потоку впереди замыкающей системы скачков (для М„ = 3,5; //Л2>3-ь4). Наличие зон отрыва приводит к большой неравномерности потока по высоте и ширине канала. Течение становится трехмерным. Отмечаются скачкообразные перемещения зон отрыва по центральному телу в области горла. При меньших значениях числа Мн<2,5 воздействие противодавления на пристеночный слой распространяется вверх по течению на малое расстояние от начала замыкающей системы скачков уплотнения (///г2< 0,5). Замыкающая система Х-образных скачков уплотнения постепенно перемещается вверх по потоку в области горла по мере закрытия дросселя.

В системе скачков уплотнения вниз по течению статическое давление возрастает и происходит существенное выравнивание потока по высоте и ширине канала. Выравнивание статического давления происходит значительно быстрее, чем полного давления [3]. Отличительная особенность течения на входе и в горле при числах Мн>Мр по сравнению с МН<;МР состоит в том, что ударная волна (косой скачок) от поверхности торможения проходит под переднюю кромку обечайки воздухозаборника и, взаимодействуя с пограничным слоем, вызывает его отрыв. Зона отрыва фиксируется на передней кромке обечайки и существенно изменяется по своим размерам при дросселировании воздухозаборника. При Мн > Мр на входе и в горле воздухозаборника с внешним сжатием потока на основании испытаний ряда моделей можно выделить примерно пять основных типов течения, которые образуются в процессе дросселирования и показаны на фиг. 1.

Первый тип течения соответствует открытому дросселю и сверхзвуковой скорости потока на входе. Характеристики сжатия, идущие от криволинейной поверхности центрального тела, пересекаясь, образуют ударную волну, угол наклона которой возрастает вниз по течению. Эта волна попадает на внутреннюю поверхность обечайки воздухозаборника и вызывает образование отрывной зоны около передней кромки. Косой скачок от зоны отрыва взаимодействует с ударной волной. Отражаясь от обечайки и центрального тела, они распространяются вдоль горла воздухозаборника, создавая в нем систему пересекающихся косых скачков уплотнения, которые в глубине канала переходят в замыкающую систему скачков. В месте падения каждого скачка уплотнения образуется местная зона отрыва (фиг. 1, тип 1; фиг. 2, фотография 1). В горле не наблюдается протяженных отрывных зон.

Второй тип течения возникает при увеличении противодавления на выходе из канала. Это приводит к распространению повышенного давления вдоль стенок канала против потока. В результате на центральном теле образуется зона отрыва большой протяженности, которая, сдвигаясь против потока, фиксируется в месте излома контура тела. От начала зоны отрыва отходит косой скачок уплотнения, отражается от обечайки и распространяется вдоль горла. В сверхзвуковом течении над зоной отрыва наблюдается система пересекающихся скачков уплотнения (см. фиг. 1, тип 2;

фиг. 2, фотография 2). Замыкающая система скачков уплотнения располагается за горлом,

Третий тип течения. Дальнейшее увеличение противодавления приводит к увеличению начального угла наклона отрывных зон на центральном теле и на обечайке, так как их перемещение против потока ограничено изломом контура центрального тела и передней кромкой обечайки. Углы наклона скачков уплотнения, начинающихся около мест отрыва потока, также увеличиваются. При этом замыкающая система скачков уплотнения располагается в конце горла. С некоторого момента регулярное пересечение ударной волны со скачком уплотнения, возникающим при отрыве потока на обечайке, становится невозможным и возникает „маховский" тип пересечения скачков на входе (см. фиг. 1, тип 3; фиг. 2, фотография 3). В месте пересечения ударной волны и скачка уплотнения появляется участок прямого скачка с дозвуковой зоной за ним и поверхностями контактного разрыва.

Дальнейшее дросселирование приводит к увеличению участка прямого скачка уплотнения и перемещению его против потока. Размеры отрывных зон на обечайке и на центральном теле уменьшаются. Когда прямой скачок подходит к передней кромке обечайки, отрывная зона на ней исчезает. Начало цепочки замыкающих •скачков перемещается к плоскости входа.

Четвертый тип течения. При увеличении противодавления участок прямого скачка отходит от передней кромки обечайки. Устанавливается режим течения с головной волной перед плоскостью входа и зоной отрыва, начало которой располагается в месте излома контура тела. Коэффициент расхода воздухозаборника уменьшается, /</тах (см. фиг. 1, тип 4; фиг. 2, фотография 4).

Пятый тип течения. Отрывная зона в начале горла перемещается на наклонный участок поверхности сжатия (фиг. 1, тип 5; фиг. 2, фотография 5). В горле наблюдается замыкающая система Х-образных скачков уплотнения.

Все типы течений 1—5 наблюдались при площадях горла Р2, больших и равных площадям горла запуска (/^ Р3). С увеличе-

нием числа Мн от 2 до 3,5 при открытом дросселе типы течения на входе постепенно изменялись соответственно 5—4—3—2—1. При этом в горле замыкающая система скачков уплотнения перемещалась в сторону дозвукового диффузора. Таким образом происходил постепенный запуск воздухозаборника. С уменьшением числа М„ структуры течения постепенно изменялись в обратном порядке.

Неравномерность и несимметричность течения в горле. В соответствии с особенностями рассмотренных типов течений (см. фиг. 1), характеризующимися большими зонами отрыва пограничного слоя и сложным пересечением косых скачков уплотнения, течение в горле неравномерно. На фиг. 3 приведено распределение относительного статического давления р=р/р0, где р0 — полное давление в фор-камере трубы, по длине модели 2 плоского воздухозаборника при числе Мн = 3,5. При открытом дросселе (фиг. 1, тип 1) давление В горле неравномерно ПО длине /?тах//?тш ~ 4,5 и по высоте горла Рч. ыл/Роб ~ 3,2 при //Л, = 3,5, фиг. 3, а. В результате дросселирования воздухозаборника давление в горле возрастает и выравнивается по высоте горла, особенно при ///г2>2~3. На входе воздухозаборника (//Л2<С 2) неравномерность сохраняется, так как за

а)

г з t s

55 - ....Є53—\

V

6) 0,3

0.1

('■З

\ < V к

/>*<**.J > .

**a *a 1 /

f

¥'~T> /

057Л

OS’

y/l>2

Фиг. 3

фиг. 4

изломом контура центрального тела имеется участок течения разрежения (с пониженным давлением), а на обечайке имеется пик давления, связанный с поворотом потока.

Распределение относительного полного давления Ро = Ро/Ро в сечении горла на расстоянии 7=6 от плоскости входа приведено на фиг. 3, б. Полное давление неравномерно распределено по высоте горла. При дросселировании профиль полного давления изменяется в соответствии с изменением формы скачков уплотнения на входе. Неравномерность потока вне пограничного слоя велика. Из сравнения величин полного и статического давления видно, что на расстоянии Izz 6 течение безотрывно, р/ро<Ц. На фиг. 3 экспериментальные данные о величине статического давления сравниваются с расчетными, полученными для одномерного осредненного потока в горле при сверхзвуковом М2>1 и дозвуковом М3 < 1 течении по методике [3]. Параметры осредненного сверхзвукового и дозвукового течений значительно отличаются от параметров действительного течения, зависящего от степени дросселирования потока в горле р/р0. При М2>1 (дроссель полностью открыт, см. фиг. 1, тип 1) максимальное статическое давление на обечайке в начале горла значительно больше расчетного и составляет 0,095 при x/h2 = 1,5. Выравнивание статических давлений на центральном теле и обечайке происходит при //Л2> 6, фиг. 3, а. Это давление на 30% отличается от расчетного. При М2 < 1 цепочка замыкающих скачков уплотнения располагается в горле (см. фиг. 1, тип 5), и поток в конце горла становится более равномерным. Статическое давление на центральном теле и обечайке выравнивается при ///г2>- 4, фиг. 3, а. Отличие р от расчетного значения составляет 62% для //Л2~ 3 и 35% для l/h2 = 6.

На ряде моделей при больших значениях числа Мн и сравнительно малых площадях горла F2 — F3 максимальный коэффициент восстановления полного давления в воздухозаборнике vmax достигался при положении замыкающей системы скачков уплотнения в расширяющемся канале за горлом. Срыв течения на входе и пом-паж воздухозаборника начинался раньше, чем удавалось переместить замыкающую систему скачков уплотнения в горле и увеличить в нем давление (см. фиг. 3, режим vmax). Это приводило к дополнительным потерям полного давления и уменьшению коэффициента vmax.

Наряду с большой неравномерностью течения по высоте и длине горла наблюдалась также неравномерность и по ширине канала в начале горла. Отмеченная неравномерность наблюдалась при дросселировании и полностью открытом дросселе. Статическое давление на клине в одном и том же поперечном сечении может отличаться примерно в 2,5 раза (см. фиг. 4 — ljh2 = 4 ч-5), а на обечайке осесимметричной модели 5 — на -~25% (см. фиг. 5). При дросселировании канала распределение давления несимметрично относительно плоскости симметрии воздухозаборника (см. фиг. 4). На расстоянии l/h2 = 5 от плоскости входа относительные давления по показаниям симметричных приемников статического давления могут отличаться в 1,2—2 раза в диапазоне чисел Мн = 2,5-*-4. Несимметричность распределения статического давления наблюдалась также в работе [4] при взаимодействии косого скачка уплотнения с пограничным слоем на плоской пластине. На осесимметричной модели 5 при полностью открытом дросселе Мн = 2,5

Р и

05

вл

03

о/

р

05

ал

03

02

р

05

ал

0.2,

‘ ’ fч).ax ’ (^/.)

и таз:

1

-В] ■ с. « к

/ V Т т ах = і IX —

\ / ^тах

V і/

д V — яд- я:д ’ -е ~ ' ’(Не ) ~ ’ / глаз: тах оь

^тах

V Ф\ модель $\поверні/іпіі на 180°

\і ^ / А А

ю

Х/?1г

' ; %=7,е * 1

■ <Г' <5» ' 1 1

Фиг. 5

давления на обечайке по окружности различаются примерно на —18% для //7г2 = 5 (см. фиг. 5). Распределение давления в системе координат, связанной с моделью, сохранялось при повороте модели на 180° вокруг продольной оси при повторных запусках трубы и фиксированном положении дросселя (см. фиг. 5). Неравномерность и несимметричность течения в начале горла, очевидно, связана с образованием трехмерных зон отрыва и неравномерным распространением фронта возмущений от противодавления вдоль стенок канала вверх по потоку. При уменьшении числа Ие неравномерность потока на входе воздухозаборника увеличивается. Визуальные исследования с масляной пленкой (смесь трансформаторного масла с сажей) на моделях 1, 2 и 3 показали, что при открытом дросселе масло на центральном теле собирается в виде узкой прямолинейной полосы поперек горла в месте падения скачка уплотнения от передней кромки обечайки. При дросселировании эта полоса, расположенная недалеко от места присоединения отрыва, сдвигается вверх по потоку и приобретает подковообразную форму. Течение становится трехмерным.

Нестационарные режимы течения. На входе и в горле воздухозаборников наблюдалось несколько типов нестационарности тече-

ния, зависящих от степени дросселирования, величины горла и числа Мн: скачкообразные перемещения отрывной зоны в горле, низкочастотные колебания этой отрывной зоны, колебания замыкающей системы скачков уплотнения, предпомпажные колебания и помпаж. На эти колебания, соответствующие основным гармоникам, накладывались высокочастотные колебания меньшей амплитуды.

Нестационарные режимы течения изучались на моделях 1, 2, 3. Для исследованных моделей расстояние от плоскости входа до дросселя —1 м. За горлом располагался дозвуковой диффузор, переходящий в цилиндрический канал. Общий объем тракта от входа до дросселя ~0,006 м3.

Наличие протяженных зон отрыва пограничного слоя в горле воздухозаборника, возникающих впереди замыкающей системы скачков уплотнения на клине или обечайке при дросселировании, приводит в ряде случаев к скачкообразному изменению положения этих зон отрыва. Время перемещения отрывной зоны, наблюдавшееся на клине модели 3 приМн = 2,5, составляло —0,15 с, скорость перемещения 1 м/с. Начало отрывной зоны смещалось на —140 мм против потока. Изменение относительного статического давления по датчику № 3 Д/?/р0 = 0,2. После скачкообразного перемещения зоны отрыва она фиксируется в новом устойчивом положении, и течение становится относительно устойчивым. При Мн =4,5 и постоянном положении дросселя наблюдались периодические колебания отрывной зоны на клине в области горла внутри канала с частотой 3—4 Гц. Колебания статического давления по датчику № 3 составляли Ър!р0 = 0,05; колебания полного давления по датчику № 2 Д/?0//?0 = 0,18. Замыкающая система скачков уплотнения в этих случаях располагалась в конце горла и начале дозвукового диффузора. На моделях 1 и 2 при Мн =2,5—3,0 с помощью скоростной киносъемки наблюдались колебания системы скачков уплотнения в горле воздухозаборника. При этом структура течения на входе не изменялась. В процессе колебаний начало замыкающей системы скачков перемещалось вдоль горла на расстоянии /^(2-ьЗ)/г2. Частота колебаний на модели 2 при Мн =3 составляла 125—150 Гц. Датчик, расположенный в конце горла (см. фиг. 3), фиксировал амплитуду колебаний полного давления Ар0/р0^0,Ъ.

На модели 1 (Мн — 3; 3,5) с помощью скоростной киносъемки проводились исследования структуры течения на входе и в горле при предпомпажных колебаниях потока и при помпаже воздухозаборника. Предпомпажные колебания возникали в результате дальнейшего дросселирования воздухозаборника, когда замыкающая система скачков уплотнения подходила к началу горла. Предпомпажные колебания представляли собой периодические изменения типов течения в горле с частотой —33 Гц при постоянном расходе воздуха. Последовательность изменения типов соответствовала 1—2—3—2—1 (см. фиг. 1). В предпомпажном режиме течения колебания давления, измеренные на модели 3, распространялись до плоскости входа воздухозаборника.

Помпаж воздухозаборника на режиме Мн >Мр подробно исследовался на моделях 1, 2, 3 при фиксированном положении дросселя, соответствующем началу возникновения помпажа. Помпаж представлял собой периодические изменения структуры течения на входе и в горле с частотой 8—20 Гц(Мн =4,5—2). При помпаже изменялся расход воздуха через модель.

Размах колебаний полного и статического давлений

Р о

на модели 3 при частоте колебаний о> = 11 Гц по датчикам № 1, 3 и 4 составлял 0,06, по датчику № 2— 0,25, а по датчику № 5 — 0,09 (датчик № 5 располагался за дозвуковым диффузором воздухозаборника).

В зависимости от числа Мн и площади горла помпаж может начинаться с любого из типов течения 1—5. Так, при Мн = 3,5 (модель 1) на режиме помпажа течение проходит последовательность типов 1—2—3—4—5—4—3—2—1, а при Мн = 3 последовательность 3—4—5—4—3 (см. фиг. 1). В некоторых случаях отрыв у основания головной волны (тип 4) не выходит на наклонную поверхность клина. Характерной особенностью исследованного помпажа при МН>МР, не наблюдавшейся ранее, является периодическое увеличение и уменьшение зоны отрыва у передней кромки обечайки вплоть до полного ее исчезновения (тип 4) и возможность протекания помпажа без появления зоны отрыва на наклонной поверхности клина. На режимах Мн-<Мр (модель 3) помпаж связан с периодическим возрастанием и уменьшением зоны отрыва на наклонном участке центрального тела и соответствующим изменением скачков уплотнения на входе. Если в результате уменьшения числа Мн или площади горла /% на входе устанавливалось течение, соответствующее типам 4 и 5 (см. фиг. 1), то помпаж воздухозаборника был связан с колебаниями зоны отрыва на центральном теле. Таким образом, возникновение нестационарных режимов течения в горле можно связать с нарушением стационарности течения в зонах отрыва, которое происходит при дросселировании воздухозаборника вследствие передачи противодавления по стенкам к зонам отрыва и увеличения давления в местах присоединения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Николаев А. В. Течение на входном участке канала сверхзвукового диффузора при отрыве пограничного слоя головной волной. .Ученые записки ЦАГИ“, т. I, № 1, 1970.

2. D е’1 е г у J., М a s и г е В. Action d’une variation brusque de pres-sion sur une couche limite turbulente et application aux prises d’air hyper-soniques. „JCAS Paper' No 68—42.

3. Г у p ы л e в В. Г., Елисеев С. Н. К теории „псевдоскачка“ на входном участке канала. .Ученые записки ЦАГИ“, т. III, № 3, 1972.

4. Kilburg R. and Kotansky D. Experimental investigation of the interaction of a plane, obligue, incident reflecting shock-wave with a turbulent boundary layer on a cooled surface vol 1: Test description and data summary. NASA CR—66841—1, oct. 1969.

Рукопись поступила 22jV 1973 г.