CC BY
32
________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Т о м III 197 2
№ 2
УДК 533.6.011.5/.55:532.582.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЕРФОРИРОВАННЫХ НАСАДКОВ С ПРОДОЛЬНЫМИ ЩЕЛЯМИ НА ДОННОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕЛА ВРАЩЕНИЯ ПРИ СВЕРХЗВУКОВЫХ СКОРОСТЯХ
Г. Л. Гродзовский, Ю. А. Пашков, Г. П. Свищев, И. Н. Соколова
Приведены результаты исследования влияния хвостовых тонкостенных перфорированных насадков с различным количеством продольных щелей на донное сопротивление тела вращения при числах М=1,75; 2,25; и 4,0. Показано, что применение тонкостенных насадков с продольной щелевой перфорацией дает заметное уменьшение полного сопротивления тела вращения при числах М = 1,75-5—2,25. Изменение полного сопротивления тела вращения хорошо согласуется при этом с повышением донного давления.
Формирующее влияние перфорированных границ на сверхзвуковые течения газа подробно описано в монографии [1]. Там изложены также результаты первых исследований влияния перфорированных стенок на течение и давление в донной области — в камерах Эйфеля перфорированных аэродинамических труб с автоматическим отсосом.
Влияние перфорированных насадков (с расположенными в шахматном порядке круглыми отверстиями) на донное сопротивление при сверхзвуковых скоростях потока исследовалось в работах Я- С. Щербака, В. К. Григорова [2], К. С. Николаевой, В. М. Га-децкого и Е. С. Ефимова. Влияние такой же перфорации, а также щелевой перфорации на донное давление у плоских тел (профилей) исследовано в работе [3]. Эти исследования показали, что рационально подобранный перфорированный насадок при сверхзвуковых скоростях примерно вдвое снижает перепад между статическим давлением в набегающем потоке и давлением в донной области Рсо — Рп,- Однако при весовых исследованиях сопротивления тел вращения с насадками с круглыми отверстиями перфорации было обнаружено, что применение таких насадков снижает донное сопротивление всего на 5 — 10% в диапазоне чисел М=1,5-нЗ,0.
Расхождение между значительным влиянием на донное давление насадков с расположенными в шахматном порядке круглыми
отверстиями перфорации и малым влиянием этих же насадков на полное лобовое (донное) сопротивление следовало отнести к появлению сил сопротивления, приложенных к боковой поверхности многочисленных отверстий перфорации. Отметим, что в указанных выше исследованиях эффективная суммарная боковая поверхность отверстий в перфорированных насадках достигла 30 — 60% от площади дна (миделя) тела.
При продольной щелевой перфорации указанное сопротивление практически должно было отсутствовать. Поэтому следовало ожидать, что использование перфорированных насадков с тонкими стенками и рационально подобранной продольной щелевой перфорацией позволит реализовать вызываемое перфорацией повышение донного давления в виде соответствующего уменьшения полного лобового сопротивления тел при сверхзвуковых скоростях. В связи с этим было проведено экспериментальное исследовавание влияния тонкостенных насадков различных длин с продольными щелями перфорации на донное сопротивление тела вращения в диапазоне чисел М= 1,75-5-4,0 при различном числе щелей (8, 16,32).
Влияние перфорированных насадков на характер обтекания донного торца сверхзвуковым потоком. На фиг. 1 приведены характерные кривые изменения величины относительного донного давления рл/роо в зависимости от числа Мсо Для плоского и
осесимметричного тел [4]. На фиг. 2 приведены соответствующие значения коэффициента донного сопротивления схА — — р =
Р<:уэ Р д
= —---------. Отметим, что у тел вращения исходная величина
‘ 2 2 Роо Иоо
донного сопротивления существенно меньше, чем у плоских тел.
При установке в донной части тела перфорированного насадка (фиг. 3) возможны следующие два вида течения: ^
1. При малой степени проницаемости перфорации S <d 1 (см. фиг. 3, a) {S — отношение площади отверстий в перфорации
к площади боковой поверхности насадка) расход сквозь перфорацию небольшой, на задней кромке насадка устанавливается течение типа течения Корста [4]. Протекающий сквозь насадок расход (2 „подпитывает" течение Корста, что, как известно, повышает донное давление. На этом режиме с увеличением степени проницаемости перфорированных насадков 5 увеличивается „подпитыва-ющий“ расход <3 и соответственно увеличивается донное давление.
Фиг. 3
В качестве иллюстрации на фиг. 4 приведены кривые влияния
<2 (ЯТосоУ12
относительного расхода вторичного потока ся—~——— -----------------
РО 00 Р \ * /
(Ро СО полное давление набегающего потока, Г — площадь поперечного сечения, /? — газовая постоянная, То» — температура торможения набегающего потока, х— показатель адиабаты) на величину относительного донного давления при обтекании плоского уступа сверхзвуковым потоком [4].
2. При большой степени проницаемости перфорации 1 поток, прошедший сквозь перфорацию, остается сверхзвуковым и течение
Корста реализуется внутри насадка (см. фиг. 3, б). Проходящий сквозь перфорацию поток теряет часть полного давления [1]. На этом режиме с уменьшением степени проницаемости перфорированных насадков потери полного давления увеличиваются, что должно вызвать соответствующее увеличение донного давления.
Анализ показывает, что в диапазоне 0<:5<1 увеличение степени проницаемости перфорации 5 вначале должно приводить к повышению донного давления, затем к его уменьшению до исходного уровня. Поэтому имеется некоторая оптимальная степень проницаемости перфорации Зорь обеспечивающая максимум донного давления и минимум донного сопротивления. Задачей проведенных
экспериментальных исследований являлось определение оптимальной степени проницаемости донных насадков с продольными щелями перфорации.
Экспериментальное исследование влияния перфорированных насадков с продольными щелями на донное сопротивление тела вращения при числах М = 1,75; 2,25 и 4,0. Исследуемая модель представляла собой почти цилиндрическое тело с коническим носком (полууглом раствора конуса а=11°,1). В центральной части цилиндрического участка размещались электровесы для измерения лобового сопротивления (модель крепилась на боковых державках). В донной части размещались два приемника статического донного давления рА. На донную часть надевались сменные перфорированные насадки трех относительных длин / = -^- = 0,5; 1,0 и 1,5, где
I и с1 соответственно длина и диаметр насадка (фиг. 5). Перфорация насадков была выполнена в виде равномерно расположенных продольных 8, 16 и 32 щелей. Варьирование ширины щелей обеспечи-
вало изменение степени проницаемости перфорации 5. (Здесь и ниже при подсчете коэффициента проницаемости суммарная площадь щелей перфорации 5 отнесена к площади миделя донной
а — исходная модель; б — модель с перфорированным насадком; в — перфорированные насадки
Фиг. 5
Испытания проводились при числах М=1,75; 2,25 и 4,0 в диапазоне чисел Ие = (1,73 ч-2,2)-107. На фиг. 6 и 7 для восьмищелевой перфорации сопоставлены данные весовых (Асх => сх — сх0) и пневмометрических (Асх д = — Д/7 — схЯ — сх д0) измерений коэффициента донного сопротивления (сх0 и сх од — коэффициенты сопротивления исходной модели без насадков). Приведенные данные показывают, что для исследованных тонких насадков с продольными
М-1,75
щелями перфорации изменения донного сопротивления, определенные весовым и пневмометрическим методами, достаточно близки.
, Заметное влияние на донное сопротивление оказывает количество щелей (фиг. 8).
М = 2,2й
М = 2,25
йС,
7= 0,5)8 щелей
1/
У г
1 = 0,5, Л? щели /
\ / 1*1,0-,0 щелей
\ \ р Г
ч 5
^1-1,0 \ 16 щелей
) 1,
-006
4 |
*** V И 1»^.
/
К0
.V , /0,2 0,3 &
1
**
Л
\ — тЛ ,—
Фиг. 8
Исследования показали, что применение тонкостенных перфорированных насадков со щелевой перфорацией может дать при умеренных сверхзвуковых скоростях значительное уменьшение коэффициента полного сопротивления тела вращения с донным срезом. Так, при М=1,75 выигрыш в сопротивлении достигает Асх = — 0,040, а при М = 2,25 Дсх = —0,055. Максимальное уменьшение донного сопротивления достигается при оптимальной степени проницаемости перфорации 5opt~0,05.
На фиг. 9 показано влияние числа М на уменьшение коэффициента полного сопротивления тела вращения с донным срезом для оптимального 16-щелевого перфорированного насадка. Видно, что максимальный положительный эффект перфорация дает в диапазоне чисел М = 1,75-ь3,0.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гродзовский Г. Л., Никольский А. А., Таганов Г. И., Свищев Г. П. Сверхзвуковые течения газа в перфорированных границах. М., „Машиностроение", 1967.
2. Щербак Я. С., Гр и гор о в В. К. Исследование сопротивления тел вращения с перфорированными хвостовиками при околозвуковых и сверхзвуковых скоростях потока. Труды Высшего авиационного училища гражданской авиации, вып. 45, 1971.
3. Nash J. F. A discussion of two-dimensional turbulent base flows. ARS, R & M, No 3468, 1967.
4. Korst H. H. Zur theoretischen Bestimmung des Dellendruckes abgelOster Stromung. Osterr. Ing. Arch., 1957, Bd. 11, Heft 3.
5. Hastings R. C. A note on the interpretation of base pressure measurements in supersonic flows. Aeronaut. Res. Counsil Current Papers, 1958, No 409.
Рукопись поступила 25/Х 1971 г.
