CC BY
82
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Том VIII 1977
М 2
УДК 533.6.071.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧИСЛА 1?е НА КОЭФФИЦИЕНТ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ДИФФУЗОРЕ ГИПЕРЗВУКОВОЙ ТРУБЫ
Ю. А. Тихомиров
Представлены результаты экспериментального исследования коэффициента восстановления в диффузоре гиперзвуковой аэродинамической трубы с камерой Эйфеля при наличии модели в рабочей части. Определена зависимость коэффициента восстановления давления от величины давления в форкамере и числа 1?е потока на режимах без подогрева и с подогревом газа до температуры 7’о = 3500К при работе с числом М = 10,5 и с диффузором, имеющим относительный диаметр горловины ^г=1,3.
Одним из важнейших параметров, характеризующих аэродинамическую трубу, является коэффициент восстановления давления в диффузоре, показывающий, насколько эффективно происходит преобразование кинетической энергии газового потока при его торможении в энергию давления. Именно этой величиной при заданном уровне давления в форкамере трубы определяется давление на выходе из диффузора, т. е. потребная степень сжатия эжекторной системы или давление в эксгаустере. Увеличение коэффициента восстановления давления позволяет существенно снизить мощность, потребную для работы трубы, что особенно важно при создании больших аэродинамическик установок, и расширить диапазон чисел Не, реализуемых в трубе.
В настоящее время сведения о коэффициентах восстановления давления в диффузорах гиперзвуковых труб, с моделями в рабочей части довольно скудны. Отдельные данные, приведенные в работах [1—3], свидетельствуют о том, что коэффициент восстановления давления зависит от числа М набегающего потока, числа 1?е и степени загрузки трубы. В подробных исследованиях, результаты которых изложены в работах [4] и [5], получены зависимости коэффициента восстановления давления чтр от числа М и степени загрузки трубы. Там же было отмечено существенное влияние числа Ие на величину мтр, но методика проведения испытаний не позволяла в чистом виде выделить это влияние.
Было установлено, что при фиксированной геометрии трубы, давления в форкамере при установлении и разрушении расчетного течения в трубе для каждой модели свои. Поэтому коэффициенты восстановления давления для различных моделей соответствуют разным числам Ие. Так, если, например, запуск трубы с моделью с1м = 0,3 получен при числе Ие я 1 • 10е, то для модели йи =0,50 при числе 1?е = 4-10в. Кроме того, так как число М потока зависит от давления в форкамере, то данные, полученные для больших и малых моделей, соответствовали несколько различным числам М потока. В приведенном примере число М изменялось в пределах М = 10,6 —10,3.
В настоящей работе исследовано влияние числа Ие на коэффициент восстановления давления в гиперзвуковой трубе с моделью в рабочей части на „холодных- режимах и на режимах с подогревом газа.
Исследования проводились в гиперзвуковой трубе с дуговым подогревом воздуха, аэродинамический контур которой состоял из электродугового подогревателя, конического сопла, рабочей части, сверхзвукового диффузора и системы эжекторов (фиг. 1). На выходе из диффузора было установлено дросселирующее устройство, позволяющее изменять величину противодавления при постоянном режиме работы эжекторной системы.
Рст.р.ч Р'о м
Диффузор
Фиг. 1
Электродуговой подогреватель коаксиального типа с медными охлаждаемыми водой электродами и охлаждаемой электромагнитной катушкой, в поле которой вращается дуга, обеспечивал подогрев воздуха до температуры 4000 К. Коническое гиперзвуковое сопло с углом раствора и отношением площади критического сечения к площади выхода = 1,44-10 з соответствовало
геометрическому числу М = 10,5. Рабочая часть трубы была выполнена в виде камеры Эйфеля и оборудована двумя пневматическими механизмами для последовательного ввода в поток насадка полного давления и модели. В боковых стенках имелись окна для визуального наблюдения картины течения. Нерегулируемый сверхзвуковой диффузор состоял из конического входного (а/2 = 6°) и выходного (а/2 = 4°) участков и цилиндрической горловины с относительным — йг
диаметром йг = = 1,3 и длиной 6 калибров. Система из четырех эжекторов
обеспечивала в зависимости от расхода степень сжатия от 30 до 500. Дросселирующее устройство представляло собой цилиндрический отсек трубы с заслонкой в виде медного диска, который мог поворачиваться на 90° вокруг своего диаметра. В закрытом состоянии эта заслонка перекрывала с небольшим зазором все поперечное сечение трубы. Для охлаждения к диску со стороны набегающего потока приварено несколько витков медной трубки, по которой циркулировала вода. С помощью электропривода можно плавно изменять угол поворота заслонки, т. е. дросселировать проходное сечение трубы и тем самым менять величину давления на выходе из диффузора при постоянном режиме работы эжекторной системы.
В качестве модели в испытаниях использовались шары с диаметрами йи — = 0,16 -ь 0,50.
В процессе испытаний измерялось давление в форкамере рф, статическое давление в рабочей части рсг, полное давление за прямым скачком уплотнения в рабочей части р0 и полное давление на входе в эжекторную систему />0д (фиг. 1). Для измерения использовались датчики типа ДМП и ЭДПД, выбранные для соответствующих диапазонов давления. Сигналы с датчиков регистрировались на одноточечных потенциометрах КСП.
Ш
Перед началом испытаний контур трубы проверялся на герметичность путем откачки воздуха эжекторами. После устранения всех течей давление в контуре было равно 1,95-102 Па. В испытаниях с подогревом контролировались также электрические параметры; сила тока и напряжение на дуге.
Эксперимент проводился в следующей последовательности. Вначале в испытаниях без подогрева определялся момент установления и разрушения расчетного течения в рабочей части трубы без модели и соответствующая величина противодавления род при четырех значениях давления в форкамере />ф = 9,8-105; 19,6-105; 39,2-105; 58,8-105 Па. Для этого при полностью открытой дроссельной заслонке включалась система эжекторов, в форкамеру подавалось требуемое давление (превышающее давление запуска трубы) и заслонка плавно закрывалась. При каком-то положении заслонки расчетное течение в рабочей части трубы разрушалось, заслонка останавливалась и снова открывалась. Момент установления расчетного течения в трубе определялся по резкому снижению статического давления в рабочей части трубы. Затем проводились испытания с моделями в рабочей части. Для определения максимальной величины противодавления, при котором может существовать расчетное течение после ввода в потоке модели при заданном давлении в форкамере (Род. разр)’ заслонка плавно закрывалась вплоть до срыва потока. Затем определялось максимальное противодавление, при котором ввод модели не разрушал расчетного течения (р0 3).
Для этого при каком-то положении заслонки модель вводилась в поток и если при этом течение не разрушалось, то модель выводилась из потока, заслонка несколько закрывалась и модель снова вводилась в поток. Эта операция повторялась до тех пор, пока ввод модели в поток не разрушал расчетного течения.
Аналогичные испытания были проведены и с подогревом воздуха до температуры 3000 — 3500 К.
Установление и разрушение расчетного течения в трубе отчетливо фиксировалось по изменению давления р0, измеряемому в передней критической точке модели, и статического давления в рабочей части рС1 ч.
По измеренным давлениям рф и род определялся коэффициент восстановления давления в трубе '’|тр=р^' Степень загрузки рабочей части моделью определялась как отношение квадратов диаметров шара и выходного сечения сопла /з = (<гм/^с)2 без учета державки. Дополнительная загрузка от державки составляла 0,05. Число М потока определялось по измерениям полного давления за скачком р'0 в рабочей части, рф и температуре газа в форкамере Т0 ф.
Характер изменения параметров р№ рст и чтр при изменении противодавления был одинаковым для всех моделей. Значение р0 и число М в рабочей части для каждого давления в форкамере оставались постоянными в течение всего пуска. Влияние давления в форкамере проявлялось только в изменении числа М потока вследствие изменения числа Ие и толщины вытеснения пограничного слоя на стенках сопла. Статическое давление в рабочей части возрастало при вводе модели и оставалось постоянным при фиксированном значении давления в форкамере. При изменении давления в форкамере статическое давление в рабочей части менялось в соответствии с изменением числа М потока. Коэффициент восстановления давления чтр с ростом противодавления возрастал до максимального значения чтр тах, при котором происходило полное разрушение течения в рабочей части с установленной моделью, фиксируемое по резкому возрастанию статического давления рст ч и давления за скачком уплотнения р0. Чем ниже было давление в форкамере, тем быстрее возрастал чтр с ростом противодавления.
Результаты измерения коэффициента восстановления представлены на фиг. 2 и 3 в виде зависимости ^0 д’ разр и V.,, , = д~ 3 от степени загрузки
тр. разр тр. з Рф
трубы моделью при различных значениях давления в форкамере как для „холодных", так и для .горячих” испытаний. Там же указаны соответствующие числа Ие, реализованные в испытаниях.
Видно, что кривые %/тр з и разр в испытаниях с подогревом и без него при всех давлениях в форкамере имеют одинаковый вид. Коэффициент восстановления падает с увеличением загрузки рабочей части моделью. Так, например, при рф = 58,8-105 Па ч,.р_ разр на .холодном” режиме уменьшается от \тр = 10,4-10~4
для/з = 0,0625 до мтр =8,65-10 * для /3 = 0,22, Такой же характер зависимости был получен и ранее в испытаниях, когда перепад давлений между выходом из диффузора и форкамерой изменялся за счет применения давления в форка-мере [1].
Полученные данные позволяют оценить влияние давления в форкамере Рф и числа Ие на коэффициент восстановления давления в трубе. Как видно из фиг. 2, V азр с уменьшением давления в форкамере падает, причем с увеличением загрузки рабочей части трубы моделью это влияние усиливается. Так, для
/3=0,0625 при уменьшении давления от
хо_
Диффузор <?г К3; МГ. «г 10,5• ёез подогрева
• Рф~2&,8-10 Ла; Ие-3,86-10 х 39,2-105Па; 2,58 •10 6
д 136-ю5па • ид-т6
9,8 '105Па • Фиг. 2
0,64-10*
&8.8105 Па до 9,8-106 Па Утр разр на лодном' режиме падает от vIp = 10,4 -10 4 до утр = 9,75-10-4 или примерно на 6%,
Диффузор; 1Г= 1,3; „= 10,5; с подогревом
газа-, 1^=3500К
5 *10^ р. /{/ ^гр.
• Рф= 58,8-105Па-, Яе=2,в-10*
* 39,2-105Па; 1,в7-)0^
й 19,6-10в/?а:
и
8^35-10*
Фиг. 3
а для /3 = 0,09 это уменьшение составляет уже 20%. Такой характер изменения V разр объясняется тем, что с уменьшением числа 1?е растет пограничный слой на стенках сопла и диффузора, а следовательно, растут и потери давления в нем. Кроме того, при больших размерах модели пограничный слой сопла, по-видимому, начинается взаимодействовать с пограничным слоем на модели и увеличивает потери давления в трубе.
При сравнительно небольшой степени загрузки 3 практически не зависит от давления в форкамере (см, фиг. 2 и 3), а при загрузке, близкой к предельной, величина итр_ 3, как и ^р зр, падает с уменьшением числа Не. Это объясняется тем, что при вводе модели в поток возникают возмущения, существенно более интенсивные, чем при неподвижном положении модели в струе, которые могут вызвать разрушение режима. Эти возмущения и связанные с ним потери, в основном, и определяют момент разрушения течения при вводе модели. При загрузке, близкой к предельной, когда размер модели становится сравним с величиной ядра потока, к этому добавляются потери, обусловленные взаимодействием пограничного слоя струи с моделью, что и приводит к уменьшению чтр при снижении давления в форкамере. При предельных для каждого давления моделях значения 3 близки к значениям чтр>т)п для этого диффузора, определяемого степенью сжатия эжекторов и соответствующего полностью открытому положению дроссельной заслонки.
В результате проведенных исследований установлено, что при загрузке в трубе, близкой к предельной, число 1?е существенно влияет на коэффициент
8—Ученые записки № 2
113
восстановления давления в диффузоре гиперзвуковой аэродинамической трубы. Полученные данные могут быть использованы для корректирования значений коэффициентов восстановления давления, полученных по методике с переменным давлением в форкамере.
ЛИТЕРАТУРА
1. Wegener P., Lobb Re. Ап experimental stady of hypersonic wind-tunnel diffusors. JAS, vol. 20, N 2. 1953.
2. Снегирев Ю. И., Красильщиков А. П. О некоторых особенностях течения газа в диффузоре гиперзвуковой аэродинамической трубы. „Ученые записки ЦАГИ“, т. 5, № 5, 1974.
3. П о у п Л., Г о й н К. Аэродинамические трубы больших скоростей. М., ,Мир\ 1968.
4. Конотоп В. А., Тихомиров Ю. А. Влияние загрузки гиперзвуковой аэродинамической трубы и числа М в рабочей части на коэффициент восстановления давления в трубе. Труды ЦАГИ, вып. 1414, 1972.
5. Конотоп В. А., Тихомиров Ю. А. О влиянии положения замыкающей системы скачков уплотнения в диффузоре на коэффициент восстановления давления в гиперзвуковой аэродинамической трубе. .Ученые записки ЦАГИ". т. 7, № 2, 1976.
Рукопись поступила 7jVII 1976 г.
