CC BY
43
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦА Г И
Т о м XI
УДК 629.76.015.3
К МЕТОДИКЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУЙНЫХ ТЕЧЕНИЙ ПРИ БОЛЬШИХ НЕРАСЧЕТНОСТЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ КРИОГЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
С. С. Сидоров
Рассмотрен новый метод моделирования течения газовых струй в разреженном пространстве с помощью крионасосов, работающих в импульсном режиме. Приведены результаты исследования интегральных характеристик силового взаимодействия затупленного конуса с осесимметричной струей, имеющей большую нерасчетность, выполненного на импульсной установке с криогенной откачкой.
В настоящее время приобретает важное значение исследование режимов маневрирования высотных летательных аппаратов, снабженных струйными органами управления, в наземных условиях. Для этого необходимо моделировать не только глубокое разрежение, соответствующее большим высотам, но и импульс газовых струй реактивных систем управления, что в вакуумных установках, снабженных обычными средствами откачки, трудно совместить.
Решение этой проблемы может быть достигнуто применением, в сочетании с кратковременным режимом работы, криогенных насосов специального вида 11], обеспечивающих откачку газа его вымораживанием на поверхности предварительно охлажденных криогенных панелей, одновременно служащих аккумулятором тепла, выделяющегося при конденсации газа. Идея об использовании теплоаккумуляционных режимов работы крионасосов для расширения возможностей аэрогазодинамических установок кратковременного действия предложена Г. Л. Гродзовским. Как следует из результатов расчета [2], такой крионасос в течение определенных промежутков времени, длительность которых при фиксированной теплоемкости криопанелей зависит от расхода и энтальпии газа, будет поглощать весь газ, подходящий к поверхности криопанелей и обеспечивать тем самым в пределах объема, окруженного криопанелями, моделирование расширения газовых струй в вакууме.
В настоящей работе рассматриваются результаты практического использования теплоаккумулирующего крионасоса в экспериментальном исследовании силового взаимодействия сверхзвуковой осесимметричной струи, расширяющейся в вакууме, с конусом. Эксперимент выполнялся в импульсной вакуумной аэродинамической трубе, созданной в результате реконструкции криогенной аэродинамической трубы непрерывного действия под руководством автора. Криогенный насос существовавшей установки был использован для работы в теплоаккумуляционном режиме, что позволило увеличить расход отсасываемого газа примерно на три порядка по сравнению с реализованным ранее расходом. Экспериментальная установка, схема которой показана на рис. 1, включает вакуумную камеру 4 объемом 1400 л, по периферии которой располагаются теплозащитные экраны 3 и криопанели 1,2 с суммарной поверхностью
19 8 0
№ 1
с ионизационные манометры МИ-10- 2 Л2 индуктивный датчик давления,
Ъ'! датчик полн иго напора ДМ И- 0,3, а пьезодатчик-синхронизатор >
V термопары - жри мель -к опель ? термопары Си-А'и , д ^ манометры ЛМ=2} //7=2 л а гелиевые термометры
Рис. I
3,5 м2 и массой 64 кг. Панели охлаждаются до температуры 10—20 К с помощью холодильной машины, работоющей по газовому циклу, с производительностью примерно 500 Вт на температурном уровне около 10 К. В качестве рабочего газа использовался азот комнатной температуры, которой подавался внутрь камеры через сверхзвуковое сопло 6 от системы напуска. Сопло имело диаметр критического сечения = 2,5 мм, полуугол раствора ф=16° и число М на срезе Ма = 5. Система напуска состояла из четырех быстродействующих клапанов 7, работающих параллельно, форкамеры 8, отделяемой с помощью плавающего поршня 9 от буферной камеры 10. Назначение буферной камеры и поршня состоит в поддержании постоянного давления газа в форкамере во время напуска и в автоматической его отсечке. Модель //, представляющая собой затупленный круговой конус с размерами, указанными на рис. 2, устанавливалась неподвижно с помощью консольной державки на трехкомпонентных теизо--весах 12. Весы, в свою очередь, крепились на двухстепенном координатнике 5
обеспечивавшем продольное и поперечное перемещение модели в поле струи. Модель испытывалась при нескольких фиксированных углах атаки в диапазоне 0<!а^.180°, направление отсчета которых показано на рис. 2. Тензовесы выполнены на основе полупроводниковых тензодатчиков, обладающих значительно большей чувствительностью по сравнению с проволочными тензодатчиками, что позволило сделать конструкцию весов достаточно жесткой при сохранении высокой чувствительности. Характеристики тензовесов обеспечивали измерение нагрузок в следующих диапазонах: 0< /?г<1,5 Н; 0</?у<5Н; 0 < <25 Нем.
Нормальная температура тензовееов (15 + 5°С) в условиях низкотемпературного окружения поддерживалась с помощью автоматической системы термостатиро-вания.
Для измерений использовались малоинерционные датчики (см. рис. 1) и быстродействующая аппаратура, обеспечивающие измерение следующих параметров: давления газа перед соплом р0, давления в вакуумной камере ри, компонентов аэродинамической силы /?*, и момента М^ . Регистрация этих
измерений выполнялась на осциллографах. Для контроля режима работы установки в перерывах между пусками измерялись также температуры криопанелей, тензовееов и теплозащитных экранов.
Эксперименты проводились следующим образом. При фиксированном положении модели и охлажденных до минимальной температуры криопанелях { ^ 10—20 К), когда в камере устанавливалось давление ри 6,6-10 4 Па,
включался напуск. Продолжительность импульса напуска составляла 600 мс при расходе газа 10—18 г с (/?,, = 1,0 -г- 1,7-Ю'5 Па). После включения напуска давление в камере возрастало до ри ^ 1,33-10 1 Па и оставалось на этом уровне постоянным в течение всего периода напуска, что соответствовало моделируемой нерасчетности п ^ 104, определенной по давлению на срезе сопла ра и в камере Р\\, Температура криопанелей, аккумулировавших теплоту конденсации в процессе напуска, повышалась на 3—4 К. Восстановление начальной температуры криопанелей и разрежения в вакуумной камере происходило за Дт ^ I мин. Поэтому длительность интервалов между пусками, в среднем составлявшая 5—10 мин, определялась временем, необходимым на перемещение модели в новое положение и на настройку измерительной аппаратуры.
Положение модели относительно сопла задавалось координатами центра донного среза, как показано на рис. 2. В связи с тем что давление в камере имело конечную величину, область изоэнтропического расширения струи, в которой должна была находиться модель, имела также конечные размеры, определявшиеся положением висячего скачка уплотнения и диска Маха. Расчет расстояния до диска Маха по формуле [3]:
где у. — показатель адиабаты, ^а~12,5 мм — диаметр среза сопла и профиля висячего скачка по методике работы [4],
показал, что в большей части исследованного диапазона значений х и у модель целиком находилась в изоэнтропическом ядре струи.
Некоторые результаты измерения сил, действующих на конус, обтекаемый свободно расширяющейся струей, приведены на рис. 3, где даны значения сипы Их в функции от х, у для а = 0, и на рис. 4, где приведены результаты измерения /?*. /?у, Мдг в функции от а и у при х = 12. Проекции аэродинамической силы на графиках даны в системе координат х',у'9г', связанной с моделью (см. рис. 2) и обезразмерены следующим образом:
Rx. _ Ry. _ мвг.
R*'~ /,./« ’ Ry' _ lofa ’ M*z'~ hfaL
X у
, y==—— ,
(2)
где Io = Pa (1 +*Мд), fa — площадь среза сопла.
Величина аэродинамической силы оценивалась также расчетным путем. Расчет выполнялся в предположении, что сопло эквивалентно точечному сверхзвуковому источнику, газ от которого распространяется по радиальным линиям. Скорость газа вблизи модели равна максимальной теоретической скорости, а распределение плотности газа в струе аппроксимируется формулой Робертса [5]:
k cosfe 0
Р = Р а~^----=;—- (3)
2 г2
где pfl — плотность газа на срезе сопла, k = % (х — 1)М^г, г = г\га.
Сила, действующая на модель, оценивалась по формуле Ньютона, согласно которой давление па элементарную площадку df, омываемую потоком
dp = рw2 cos2 '\df, (4)
где р — плотность, w — скорость набегающего потока, 7—угол между вектором скорости газа и нормалью к площадке.
В аналогичной постановке рассматриваемая задача решена в работе [6]для тел простейшей геометрии при малых углах атаки и малых смещениях относительно оси струи.
Рис. 3
Результирующая сила, действующая на конус, обтекаемый струей, находилась численным интегрированием выражения (4) с учетом формулы (3) по поверхности конуса. Для всех углов атаки, за исключением а =180°, расчет выполнялся для заостренного конуса, так как форма носка модели при а Ф 180° слабо влияет на величину результирующей силы. Для а=180° учитывался конечный рациус затупления конуса. Результаты численного расчета нанесены
на рис. 3—5 сплошными линиями. Можно видеть, что в большинстве случаев данные эксперимента согласуются с расчетом как качественно, так и количественно. Отсюда следует, что величины сил и моментов, действующих на тело в осесимметричной струе, расширяющейся в вакууме, определяются, главным образом, распределением плотности газа по углу в и радиусу, которое приближенно описывается формулой (3), а также ориентацией участков поверхности тела относительно набегающего потока. В случаях, когда значительная часть поверхности конуса находилась под малыми углами атаки или в аэродинамической тени, согласование эксперимента с расчетом было существенно хуже, что можно видеть на рис. 5, где приведены данные для а — 180°. Это связано с тем.
что в теории Ньютона давление на находящиеся в тени или под нулевым углом атаки участки поверхности тела принимается равным нулю, тогда как в действительности из-за наличия скачков уплотнения, далеко отстоящих от поверхности тела, это давление может иметь заметную величину и должно быть учтено при оценке результирующей силы.
Следует отметить, что продолжительность импульса напуска в рассматриваемых экспериментах определялась инерционностью регистрирующей аппаратуры и могла быть, в случае необходимости, увеличена в несколько раз. Таким образом, использование для откачки рабочего газа теплоаккумулирующих крионасосов позволяет с достаточной полнотой моделировать течение газовых струй в вакууме, а также получать при сравнительно небольших размерах вакуумной камеры времена работы, обеспечивающие выполнение основных видов аэродинамических измерений, включая и весовые измерения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Wallace D. Н., Rogers К. W. The heat sink as a transient cryopump. „Journ. of Envir. Sci.“, February, 1963.
2. Сидоров С. С. Теоретическое исследование характеристик импульсного крионасоса. Труды ЦАГИ, вып. 2007, 1979.
3. Льюис К., Карлсон Д. Положение центрального скачка уплотнения в недорасширенной струе и в струе газа с твердыми: частицами. „РТК“, т. 2, № 4, 1964.
4. Гусев В. Н., Климова Т. В. К подобию гиперзвуковых: струйных течений. „Ученые записки ЦАГИ“, т. 3, № 6, 1972.
5. Roberts L. The action of a hypersonic jet on a dust layer.;.
„IAS Paper", 63-50, 1963.
6. Лейтес E. А. Силовое воздействие сильно недорасширен-ных струй на преграды различной формы. Труды ЦАГИ, вып. 1856,
1977.
Рукопись поступила 201X1 1978 г.
