CC BY
24
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Том.V. 197 4
№ 6
УДК 533.6.011.8:525.2
ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО РАСХОДА В РАЗРЕЖЕННОМ ГИПЕРЗВУКОВОМ ПОТОКЕ ГАЗА С ПОМОЩЬЮ НАСАДКА
Б. Е. Жесткое
Рассмотрена методика измерений удельного расхода рг» с помощью конического заборника газа, подсоединенного к вакуумной системе. Величина расхода определяется по расходной характеристике вакуумной системы, погрешность измерений не превышает 5%. Разработанная методика использована для измерения удельного расхода в разреженной свободной струе азота с температурой торможения Т0 — 4000 — 6000 К. Показано, что в исследованных режимах течение на оси струи эквивалентно течению от сферического источника с *=1,4.
Удельный расход рг» является одной из основных характеристик потока. По измерениям удельного расхода и, например, давления торможения р0 за прямым скачком уплотнения находятся среднемассовая скорость V и плотность р газа (в
■ 2 <4 -I- Па 1——
гиперзвуковом приближении рп =----------- -Ъ—Ш—1 ри2, х — отношение тепло-
-х. + 1 4х I
емкостей). Измерение удельного расхода обычно выполняют с помощью насадков [1]. Основные трудности при этом связаны со сложностью измерения расхода. В рассматриваемой работе применена простая методика, позволяющая определять величину расхода с достаточно высокой точностью (погрешность не превышает 3—5%) и проводить измерения в высокотемпературных потоках при наличии ионизации и диссоциации газа.
1. Эксперименты проводились в свободной струе азота на вакуумной трубе с газодинамическим молекулярным источником [2]. Конструктивные особенности позволили использовать установку непосредственно в качестве измерительной системы. Заборником газа служил скиммер (полый конус с острыми кромками входного отверстия), предназначенный для выделения из струи молекулярного пучка. Скиммер установлен на диафрагме, разделяющей две камеры с независимыми вакуумными станциями, и может перемещаться вдоль оси струи. Диаметр входного отверстия скиммера £> = 17,5 мм, внутренний и внешний полууглы раствора составляют соответственно 20° и 35°. Схема установки показана на фиг. 1. Газ, нагретый в высокочастотном подогревателе /, истекает через „звуковое" сопло в камеру 2 с давлением р3 — 133,3-10 з Па, образуя разреженную гипер-звуковую струю. В струю вводится скиммер 3. Поступающий в скиммер газ откачивается из камеры 4 через трубопровод 5. Величина расхода газа, входящего
в скиммер, определялась по расходной характеристике вакуумной станции и значениям давления ре в емкости 6. Расходная характеристика (зависимость давления ре от величины расхода, поступающего в камеру 4) снималась с помощью прецизионной мерной шайбы 7. Давление р^ и ре в камерах 4, 6 регистрировалось-датчиками 8 типа ЛМ-2. Давление перед шайбой измерялось наклонным манометром 9. Типичная расходная характеристика вакуумной станции при работе на четырех агрегатах ВА-20000 показана на фиг. 2. Кривая — усреднение экспериментальных точек.
Измерения проводились после предварительного обезгаживания системы; в течение 4—5 часов и выхода вакуумной станции на стационарный режим. Расходная характеристика снималась до и после каждого эксперимента. Дрейф характеристики за время эксперимента (^= 1 ч) составлял не более 3%, поправка учитывалась в линейном приближении. Погрешность отсчета давления ре не превышала 2%. (В рассматриваемой методике существенно не абсолютное значение давления, а показание датчика).
Мерная шайба градуировалась по истечению газа из калиброванной емкости. Для повышения точности градуировки давление перед шайбой поддерживалось постоянным. Указанный способ градуировки позволил измерять расход через мерную шайбу с погрешностью 1%.
Важной особенностью методики является то, что давление ре, по которому определяется расход газа, зависит только от величины расхода газа и не зависит
от температуры газа и способа его подачи в камеру. При движении газа каждая
из молекул претерпевает несколько столкновений со стенками трубопровода и. в результате приобретает комнатную температуру. На стенках трубопровода происходит также практически полная рекомбинация атомов и ионов. Это обстоятельство позволяет проводить измерения в потоках с высокой температурок при наличии диссоциации и ионизации.
2. В общем случае через отверстие насадка поступает расход
б = р (1>
Здесь р — поправка на неоднородность потока в сечении насадка, 5 — площадь его входного отверстия, х — коэффициент расхода. Поправка [3 рассчитывалась по распределению /=р!» для свободной струи. В сечении, перпендикулярном оси струи, согласно [3]
^ = со^(— ) совг^р. (2>
у(0) \2Ф I
Здесь ср — угол рассматриваемого луча, исходящего из центра критического сечения сопла, с осью сопла; Ф = 1,662 для х= 1,4. Интегрируя (2) по входному сечению насадка, получаем, что в рассматриваемом случае (диаметр насадка! 17,5 мм) поправка при расстояниях х от сопла до насадка 31 и 40 мм равна соответственно 1,08 и 1,04; при х >■ 50 мм поправку можно не учитывать (р = 1).
Коэффициент расхода насадка х находился из экспериментов в контрольном потоке, которые показали, что ^=1 в пределах погрешности не выше 2%.
Величина удельного расхода ри определялась из (1) по измеряемой в эксперименте величине расхода газа через скиммер й. Среднеквадратичная погрешность определения удельного расхода не превышала 5%.
3. Результаты измерений р« в свободной струе азота с комнатной температурой торможения Го = 295 К представлены на фиг. 3. По осям отложены значе-
ния давления торможения р0 в форкамере и расхода О газа через скиммер. Сплошные прямые 1, 2, 3 усредняют экспериментальные точки, полученные при расстояниях от сопла до насадка х/г# соответственно 71,6; 54,9 и 33,8. Диаметр критического сечения сопла составлял 2г* = 1,6 — 2,2 мм. Пунктиром показано расчетное натекание газа из камеры 2 в камеру 4. Давление в камерах 2 и 4 составляло соответственно
р3 = 133,3- Ю-з Па и рк = 133,3 (10-^ ю-б) Па.
Измеренные значения ри сопоставлены на фиг. 4 с теоретическими значениями [3] удельного расхода для идеальной струи. По осям на фиг. 4 в логариф-
£1
10
8
В
¥
2
10
Г4-
\ Чч к = 166 О 1 д 2 о 3 0 £
\| \ \\
"Ч
ч \
К*"
Струйная^ теория'^^ і > [\ Ч N
20 ЗО М ЄО 80 х/г^ Фиг. 4
мическом масштабе отложены удельный расход в потоке, отнесенный к его значению в критическом сечении, р»/р*о* и расстояние от сопла до насадка х:/г*. Прямые, усредняющие экспериментальные точки на фиг. 3, соответствуют точкам I на фиг. 4. Сплошная и пунктирная прямые представляют теоретические значения удельного расхода на оси идеальной струи [3]
соответственно для х — 1,4 (С = 1,32) и для у.= 1,667 (С— 1,85). Отклонение экспериментальных значений при 7^ = 295 К (точки 1) от теоретической кривой для х= 1,4 не превышает 2%.
4. При измерениях в высокотемпературной струе параметры торможения в форкамере составляли р0 = 133,3-(150 350)Па, 70 = 4000-=-6000К. Числа Рейнольд-
са, рассчитанные по параметрам в критическом сечении струи, изменялись в пре-р* V* 2г*
делах 1<е* = ---------= 100-5-500, отношение давлений было равно Ро!р$~ Ю~6.
Размеры невозмущенной гиперзвуковой области течения составляли 100-ь 200 мм [4]. Числа Рейнольдса насадка, рассчитанные по температуре торможения, сору/)
ставляли 1?е0д = ——= 0,1 ч-1 (контрольные эксперименты при Го = 295 К про-
гЮ
водились в диапазоне Яе00 = 0,1 -=- 8).
Остановимся кратко на составе потока. В струе вблизи критического сечения происходит стабилизация степени диссоциации а, степени ионизации а затем и колебательной температуры Гк [2]. Вращательная температура Гв стабилизируется позже, ее значения в потоке близки к расчетной величине газовой температуры Г [2]. При Г0 = 5000К, р0= 133,3-(300 4-350) Па значения колебательной и вращательной температур, степени диссоциации и ионизации газа в потоке составляют Гк = 4000 К, Гв = 400 К, а = 1 %, ^ = 0,01 96 [2]. С повышением температуры наиболее существенным является рост степени диссоциации, степень ионизации остается малой. При Г0 = 6000 К, Ро= 133,3 (150 ч- 200) Па степень диссоциации, рассчитанная по [5, 6] в предположении ее стабилизации в критическом сечении, составляет а= 10%.
Значения удельного расхода, измеренные в струе на режимах с температурой торможения 4000, 5000 и 6000 К, показаны на фиг. 4 соответственно значками 2, 3, 4. Величина р* и* определялась для равновесных условий в критическом сечении [6]. Из фиг. 4 видно, что удельный расход на оси достаточно хорошо следует зависимости для идеальной струи [3] при х=1,4. Отклонение измеренных значений удельного расхода от этой зависимости не превышает 5% при температуре 7'0 = 5000 К и ~10% при Го = 6000 К. Полученные данные свидетельствуют о том, что на исследованных режимах течение на оси струи близко к течению от сферического источника с эффективным значением отношения удельных теплоемкостей % = 1,4.
Подобная методика может быть использована для измерения удельного расхода на вакуумных трубах и других трубах непрерывного действия. Измерительная схема должна включать заборник газа, охлаждаемую трассу, в которой газ принимает комнатную температуру и вакуумный насос. Основным требованием при измерениях является отсутствие отошедшего скачка уплотнения перед забор-ником газа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Поттер Дж., Кинслоу М., Арни Дж., Бейли А. Первоначальные результаты, полученные в аэродинамической трубе малой плотности при сверхвысоких скоростях. В сб. „Исследование гипер-звуковых течений” под ред. Ф. Р. Риддела, М , „Мир", 1964.
2. Баринов И. С., Жесткое Б. Е., Омелик А. И., Орлова 3. Т. Аэродинамическая установка со свободномолекулярным потоком и высокой температурой торможения. ТВТ, 1973, № 3.
3. Гусев В. Н., Климова Т. В. Течение в истекающих из не-дорасширенных сопел струях. „Изв. АН СССР, МЖГ“, 1968, № 4.
4. Жестков Б. Е. Исследование высокотемпературной струи, истекающей в вакуум. .Изв. АН СССР, МЖГ“, 1973, Мг 3.
5. Термодинамические свойства индивидуальных веществ, под ред. акад. В. П. Глушко, т. II, М., Изд. АН СССР, 1962.
6. Плешанов А. С. Состав, термодинамические и газодинамические свойства азота для температур от 1000 до 12 000 К и давлений от 10—* до 103 атм. В сб. „Физическая газодинамика, теплообмен и термодинамика газов высоких температур". М., Изд. АН СССР, 1962.
Рукопись поступила 5/X 1973 г.
