Исследование влияния модели на характеристики гиперзвуковых диффузоров при малых числах Re Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

_____УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

То м IX 197 8

№ 6

УДК 629.7.018.1:533.6.071.62-225.98

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МОДЕЛИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИПЕРЗВУКОВЫХ ДИФФУЗОРОВ ПРИ МАЛЫХ ЧИСЛАХ Ие

А. П. Филатов

Приведены результаты исследования в вакуумной аэродинамической трубе при Мшах ~ 5 -г- 13 эффективности восстановления давления в системе, состоящей из недорасширенного сопла и оптимального цилиндрического диффузора, в присутствии модели — сферы с диаметром, соответствующим коэффициенту загрузки поперечного сечения диффузора Ры = 0,01 -+-0,07. Установлено, что при изменении числа ИеЭф от Ие9ф = 170 до Не9ф я: 800 коэффициент эффективности диффузоров ц (по отношению к восстановлению давления в прямом скачке уплотнения) увеличивается от 0,25 до к) = 0,55 при загрузке сечения диффузора моделью ~ 0,04. Дано сравнение коэффициента эффективности оптимальных диффузоров с коэффициентом эффективности восстановления давления в скачках уплотнения свободной струи без диффузора при одинаковых моделях.

Эффективность восстановления давления в системе, состоящей из сильно недорасширенного сопла с числом М на срезе Мс =; 1ч-4 и цилиндрического диффузора, значительно превышает эффективность восстановления давления в системе скачков уплотнения, замыкающих область изэнтропического гиперзву-кового потока в свободной струе, истекающей из недорасширенного сопла, без диффузора [1, 2]. Например, оптимальные диффузоры (для данного отношения давления на выходе из диффузора рА к давлению торможения изэнтропического потока ро) без модели при $е* а: 3- 10*-т-1,6-103 приблизительно вдвое эффективнее восстанавливают давление, чем скачки уплотнения свободной струи (Ие* — число Рейнольдса, определенное по параметрам потока в критическом сечении сопла и диаметру критического сечения сопла «?*) [2].

Для выяснения влияния размера модели на коэффициент эффективности т) = рл1р'0 системыЦсопло-диффузор были проведены исследования характеристик двух диффузоров диаметром <1Л = 150 и 190 мм, длиной 1а = 600 и 530 мм соответственно. Длина диффузоров близка к оптимальной (см. работу [2]) для их сочетаний с соплами, имеющими диаметр критического сечения ^ = 4 и 12 мм и диаметр среза <1С = 14,5 и 43,6 мм соответственно, которые были использованы в настоящем эксперименте. Расширяющаяся часть сопл — коническая с углом раскрытия 30°. Эксперимент проведен с моделями—сферами диаметром й?м = 20, 30 и 40 мм в вакуумной аэродинамической трубе, вакуумная система которой состоит из паромасляных бустерных и механических насосов.

Схема установки дана на фиг. 1. Диффузоры 1 устанавливались внутри рабочей части трубы (вакуумной камеры) 2 с помощью переходного отсека 3

Вода

и установочных колец 4 с уплотнением в одном из них. Рабочий газ (воздух) нагревался в омическом электроподогревателе 5 с трубчатым нагревательным элементом и через недорасширенное сопло 6 вытекал в диффузор. Давление воздуха в форкамере, расположенной внутри подогревателя, регулировалось игольчатым вентилем 7, а давление на выходе из диффузора — дросселем-заслонкой 8. В моделях 9 было выполнено сквозное отверстие, через которое проходил приемник полного давления диаметром 4 мм, служивший державкой модели. Торец приёмника давления был совмещен с лобовой поверхностью модели. Приемник давления служил одновременно и для измерения давления торможения р0м в критической точке модели. С помощью координатника, на котором был укреплен приемник давления, модель устанавливалась в заданное положение хи по отношению к срезу сопла. Приемник давления перемещался вдоль прорези в стенке диффузора, заклеенной тонкой (8 = 1 мм) лентой из вакуумной резины с разрезом■ вдоль осевой линии прорези. Для дистанционного ввода модели в диффузор во время работы установки в стенке диффузора было сделано отверстие диаметром 50 мм, также заклеенное резиновой лентой с крестообразным разрезом. Резиновая лента достаточно хорошо (хотя и негерметично) закрывала прорезь и круглое отверстие. Экспериментально было установлено, что такие небольшие отверстия в стенке диффузора не снижают его эффективности.

Эксперимент проведен при температуре воздуха в форкамере :Г05: 1000К на двух режимах течения с каждым из четырех сочетаний диффузора и сопла. Режимы течения отличались величиной давления в форкамере р0. При сопле с диаметром критического сечения ^* = 4 мм давление р0= 11460 Па (Ре*=1620) й 6600 Па (Ре* = 940), при сопле с диаметром й* = 12 мм р0= 1280 Па (Ие*=540) и Ро==730 Па (Не* = 310). На этих четырех режимах течения был проведен также эксперимент без диффузоров.

Для измерения давления были ■ использованы и-образный манометр, термопарные манометры ПМТ-2 и манометр сопротивления (для измерения давления торможения р0 и р0м (см. фиг. 1). Манометр ПМТ-2 и манометр сопротивления, установленные в вакуумной камере, были термостатированы с помощью водяного охлаждения [2].

В опытах определялись дроссельные характеристики — зависимости отношения Рк/Ро от отношения ря]ро (см. фиг. 1) с диффузором и без диффузора, с моделями и без модели. Испытания проводились при различных положениях модели в рабочей области течения. Для определения размеров рабочей области, ограниченной системой скачков уплотнения, и параметров потока в ней исследовалось распределение давления торможения р0 вдрль оси и поперек потока. Эти исследования проводились при отношениях давлений рД1р0, близких к оптимальным для данных параметров [2]. При определении числа М по изме-

ренному отношению давлений р01р0 в показания приемника полного давления р0 вводилась поправка на влияние вязкости [3].

Зависимости М =/(*), приведенные на фиг. 2, показывают, что течение на оси потока не зависит от внешних условий на значительном расстоянии, начиная от среза сопла и почти до замыкающего скачка уплотнения, положение которого определяется координатой х = х (Мтах).

Модель, внося сопротивление в поток, приводит к увеличению давления в камере рА вследствие уменьшения эффективности диффузора (или системы скачков уплотнения) при заданном давлении ря. Поэтому число Мтах и величина -*(Мта*) при наличии модели в потоке оказываются при заданном отношении давлений рд1ро меньше, чем без модели.

Как показал эксперимент, дроссельные характеристики диффузора в присутствии модели не зависят от положения модели, пока она не выходит за пределы изэнтропического ядра потока. Этому соответствует диапазон изменения положения модели

хм ~ [х (Мтах) — <4 -5- [х (Мшах) <*„],

где йя — диаметр изэнтропического ядра потока.

Диаметр изэнтропического ядра потока определялся в области расположения модели по зависимостям р01ра = /(у), часть которых приведена на фиг. 3. Было установлено, что в этой области во всех исследованных случаях диаметр изэнтропического ядра > 40 мм, причем поток в центральной части струи диаметром примерно 40 мм достаточно равномерный. Поэтому здесь может быть установлена модель диаметром до 40 мм.

Были определены оптимальные для каждого сочетания исследованных диффузоров и сопл отношения рж1ро, соответствующие наибольшей эффективности системы сопло—диффузор в присутствии модели. Присутствие в потоке модели с относительной загрузкой поперечного сечения диффузора 5^0,07 не приводит к существенному изменению зависимости отношения рд/ро от параметра определенной для оптимальных диффузоров без модели в работе [2]

М

13

11

9

7

5

^0 50 100 150 200 х,мм

Фиг. 2

О 0 о

Г

Яе* Рд/Ро Рк/Ро

л *7,5 132 1620 5,5-10Ч 6,9 1<Г*

о 57,5 150 * 1620 Ь,8‘Ю~* 1,17-10+

0 15,8 и,г 12 540 5- Ю'5 1ч -ю~¥

о 12,5 50 12 5У) 5.2-10* 1,05 10^

• Без диффузора * 1620 Э,2-10~¥ 1,5 ■10~*

■ 12 5Ь0 51СГ3 2,27- КГ’

9___Ученые записки № 6

129

Фиг. 4

Фиг. 5

(фиг. 4). Максимальное отклонение точек от осредненной зависимости работы [2] не превышает ±25%. Для сравнения на фиг. 4 дана расчетная зависимость / (Рц1Ро)> соответствующая уравнениям

где ?(М) и (х (М) — известные газодинамические функции для идеального газа при х = 1,4.

Коэффициент эффективности восстановления давления тг) в исследованных диффузорах и в системе скачков уплотнения (без диффузора) с моделями в потоке и без моделей в зависимости от 1?еэф дан на фиг. 5. Коэффициент тг) определялся по формуле

-П = Рж1Ро,

где давление торможения р'0 соответствовало числу Мгаах при работе без модели и числу Ммшах набегающего на модель потока при наличии в потоке модели, установленной на расстоянии хм Шах ~ х (Мшах) — йи от сопла. Число ИеЭф определялось по эффективному диаметру потока соответственно этим двум случаям при М = Мшах или М = Мм шах:

Ие 4, = Хр (м) . а* Л* Ро

Р(Т)Уя (М) ят°

где (і (Т) — вязкость при статической температуре Т; X, р (М) — газодинамические функции; а* — критическая скорость звука; —газовая постоянная.

Фиг. 6

Коэффициент эффективности восстановления давления т) увеличивается с ростом числа 1?еэф как без диффузора, так и с оптимальными диффузорами, с моделями и без модели. Наличие в потоке модели существенно уменьшает коэффициент т) как без диффузора, так и с диффузором, и тем значительней, чем больше относительный размер модели. Например, в диапазоне изменения числа Иеэф от •—1,7-!02 до ~8-102 при оптимальных диффузорах коэффициент т) возрастает от ~ 0,5 до ~ 0,8'без модели и от ~ 0,25 до ~ 0,55 при загрузке сечения диффузора моделью ,РМ = 0,04. В этом же диапазоне изменения числа ИеЭф без диффузора коэффициент •») изменяется от ~ 0,25 до ~ 0,33 без модели и от — 0,12 до — 0,18 с моделями диаметром йм = 40 мм.

Оптимальному диффузору с загрузкой его сечения моделью =: 0,04 при числе 1^еЭф;<; Ы02 соответствует коэффициент восстановления давления ч|^0,1, не превышающий коэффициент и] для свободной струи без диффузора с той же моделью. Поэтому при числах 1?еЭф<1-102 применять диффузоры нецелесообразно. При числе НеЭф:ь;1-103 оптимальный диффузор с загрузкой г 0,04 эффективнее по восстановлению давления, чем скачки свободной струи, примерно в три раза.

Установленная в поток модель вызывает увеличение давления в рабочей камере аэродинамической трубы рк при любом давлении на выходе из диффузора рА. Зависимость коэффициента увеличения давления рк == ^к' - , где рк —

Рк.о

давление в камере при наличии модели, рк 0 — без модели, от относительной

загрузки сечения диффузора при оптимальном отношении давлений рж1р0 приведена на фиг. 6. Эта зависимость является общей для всех исследованных систем сопло — диффузор и всех режимов, число Ие не влияет на этот коэффициент. При коэффициенте загрузки сечения диффузоров моделью ~ 0,04 давление в рабочей камере примерно в полтора раза выше, чем при этом же диффузоре без модели.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гусев В. Н., Никольский Ю. В. Особенности струйного разгона потока до гиперзвуковых скоростей. .Ученые записки ЦАГИ\ т. 7, № 5> 1976.

2. Филатов А. П. Экспериментальное исследование гиперзвуковых диффузоров при малых числах Ие. .Ученые записки ЦАГИ“, т. 8, № 2, 1977.

3. Костерин С. И., Юшенкова Н. И., Белова Н. Т., Камаев Б. Д. Исследование влияния разреженности сверхзвукового потока на показания зондов полного напора. ИФЖ, т. V, № 12, 1962.

Рукопись поступила ЩХ1 1977