Методика определения формы «Висячего» скачка уплотнения в сильно недорасширенной струе газа Текст научной статьи по специальности «Физика»

________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И

То м XX Т9~89

М 6

УДК 629.7.015.3.036 : 533.695.7

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМЫ «ВИСЯЧЕГО» СКАЧКА УПЛОТНЕНИЯ В СИЛЬНО НЕДОРАСШИРЕННОЙ СТРУЕ ГАЗА

В. М. Антохин, В. А. Жохов, А. А. Хомутский

Предложен способ построения контура «висячего» скачка уплотнения в струе газа большой нерасчетности, основанный на синхронном измерении в заданных сечениях струи располагаемой степени понижения давления в сопле и поперечных координат висячего скачка. Выполненная обработка координат скачка с помощью известных переменных подобия показала автомодельность формы скачка по степени нерасчетности струи.

Исследование структуры сильно недорасширенной струи газа представляет значительный интерес в связи с разработкой высотных летательных аппаратов, в процессе которой возникает необходимость оценки области возможного воздействия реактивных струй двигателей на элементы конструкции аппарата. Сравнительно слабая изученность вопроса в экспериментальном плане объясняется серьезными техническими трудностями, возникающими из-за особенностей газодинамики сильно недорасши-ренных струй.

В экспериментах со струями умеренной нерасчетности для визуализации течения используются различные модификации теневого метода. В этом случае удается надежно выделить скачки уплотнения и даже границу струи. По мере роста степени нерасчетности след висячего скачка уплотнения приближается к границе струи, а перепад давления на нем уменьшается, что приводит к снижению контрастности теневой картины. С падением плотности газа в сжатом слое струи менее четко различается также и ее граница. При располагаемых степенях понижения давления в сопле порядка 106—107, характерных для условий работы двигателей высотных ЛА, визуализация границы струи и висячего скачка уплотнения традиционными методами становится практически невозможной. Выход может быть найден с помощью зондовых измерений поля струи, поскольку чувствительность имеющихся приборов оказывается достаточной для диагностики, например, скачка давления при указанных выше перепадах этого параметра. Методика такого подхода к определению формы висячего скачка уплотнения и результаты ее апробации изложены ниже.

1. В настоящей работе в качестве зонда использована гребенка приемников полных давлений. Гребенка располагается последовательно в нескольких сечениях струи я=соп51 так, что плоскость приемных отверстий приемников ориентируется перпендикулярно оси сопла, а плоскость, содержащая оси приемников, проходит через ту же ось (рис. 1).

Рассмотрим вначале случай, когда внешнее давление ря изменяется во времени. Такая ситуация возникает в импульсной установке (см., например, [1]), в которой откачка рабочего газа во время эксперимента отсутствует и давление р„ 1 в барокамере установки увеличивается, а поперечный размер струи — уменьшается. Пусть в момент времени Т) висячий скачок струи пересекает входное отверстие приемника с координатой г1. В качественном отношении изменение сигнала датчика давления, установленного в этом приемнике, будет иметь характер, показанный на рис. 2. Момент прохождения скачка через приемник уверенно фиксируется на осциллограмме в виде излома

Рис. 1

Исциматты саг и ало о прием-иикаб даблешя В гребенке

Осциллограммы сигналов прием-никод дабления ^

Начало

отсчета

времени

‘х.-О

Нуль

сигнала

Момент прохождения Висячего скачка через датчик с ноординатои г, {рис. 1)

Рис. 2

Рис. 5

7- «Ученые записки» № 6

97

линии в конце участка рабочего (стационарного) режима. Аналогично выглядит осциллограмма датчика с координатой r2<rt, который фиксирует прохождение скачка через соответствующий приемник В момент времени Т2>Ть Поскольку все записи давления производятся синхронно, то известны значения давления в барокамере р„ i и рн 2 и давления перед СОПЛОМ Poi и рог, которые позволяют определить значения не-расчетности струи я, и Пц. Перемещая гребенку по оси х, можно получить координаты скачка, соответствующие одинаковым значениям п. Огибающая полученных точек обозначит форму скачка уплотнения при выбранном значении нерасчетности.

Рассмотрим другой случай — давление вне струи неизменно во времени, что соответствует условиям эксперимента в установке стационарного действия. Тогда относительное движение скачка струи и гребенки достигается перемещением последней в плоскости х=const с известными скоростью и начальной координатой. В этом случае характер осциллограмм, изображенных на рис. 2, не изменится, а координаты приемников г(т) нетрудно вычислить, зная закон движения зонда.

2. Эксперименты были проведены на вакуумной установке импульсного действия, представляющей собой цилиндрическую барокамеру объемом около 3 м3, оборудованную электрическим подогревателем. В настоящих испытаниях для предотвращения конденсации рабочего тела (азот, х=1,4) оно нагревалось до температуры То=400-н450К. Необходимый уровень разрежения в барокамере (Рн^ОД Па) устанавливался с помощью вакуумной насосной системы. Система подачи газа в форка-меру установки — баллонная. Форкамера емкостью 0,011 м3 разделена диафрагмой на секции высокого и низкого давлений. Последняя через сопло сообщается с барокамерой. Давление перед соплом изменялось в пределах р0 = (7-s-9) 105 Па. Разрушение диафрагмы производилось специальным устройством с электромагнитным приводом. Использовалось коническое сверхзвуковое сопло со следующими параметрами: диаметр критического сечения =2,815 мм, диаметр среза da = 6,ll мм, угол наклона образующей к оси сопла Эа = 10°, число Aiu = 3,11. В процессе эксперимента сопло крепилось неподвижно на кронштейн установки, а гребенка, оснащенная индуктивными датчиками ДМИ, — на штатный координатник. Количество точек измерения—15. Измерение параметров газа, поступающего в форкамеру сопла, проводилось датчиками ДМИ-10 и термопарами хромель-копель. Давление в барокамере измерялось ионизационными датчиками типа ПМИ-10-2. Сигналы с преобразователей после усиления выводились на светолучевой осциллограф Н-115. Запуск измерительной аппаратуры синхронизирован во времени с подачей сигнала на разрушение диафрагмы, после чего начиналось истечение газа через сопло. Более подробное описание измерительной аппаратуры и схемы экспериментальной установки приведено в работе [1].

3. При различных положениях гребенки относительно плоскости среза сопла были получены изложенным выше способом зависимости r=f(n). Примеры этих зависимостей приведены на рис. 3. (Здесь г=г/га, х=х/га, га — радиус среза сопла.) Далее путем интерполяции определялись координаты х, г висячего скачка, соответствующие выбранным фиксированным значениям нерасчетности струи п (рис. 4). Анализируя данные рис. 3 и 4, следует отметить, что разработанная методика позволила, насколько известно авторам, впервые экспериментально исследовать волновую структуру струи при столь больших значениях нерасчетности — до (6 ... 7) • 104. Как видно из рис. 4, значения п так велики, что контуры висячих скачков не обнаруживают в исследованной области (до 40 радиусов сопла) близости миделева сечения газодинамического участка струи. В то же время зависимость формы скачка от степени нерасчетности качественно соответствует сложившимся представлениям о структуре сильно недорасширенных струй.

Отсутствие возможности прямого сравнения полученных результатов с какими-либо аналогами заставило провести следующее дополнительное исследование. Известно 12, 3], что геометрические параметры недорасширенных струй — форма висячих скачков и границ, характерные размеры, к которым относятся, например, максимальный диаметр струи, диаметр диска Маха, расстояние до него и др. представляются в виде обобщенных зависимостей, если ввести продольный и поперечный линейные масштабы, вычисленные определенным образом. В работе [3] эти масштабы, справедливые для области сжатого слоя струи, определены формулами:

1Х~ [л (l + % М2а cos2ва )]0,5 ,

Нормировкой кординат х, г с помощью масштабных коэффициентов (1) был обработан массив зависимостей радиуса контура скачка от степени нерасчетности струи для всех сечений х=const. При этом принималось, что каждая экспериментальная точка на упомянутых зависимостях представляет собой в сущности след, оставленный на измерительных приборах висячим скачком уплотнения в процессе схлопывания струи под воздействием возрастающего внешнего давления. Тогда три числа х, г, п, характеризующие каждую точку скачка, дают две обобщенные координаты вида x° = xjlx и

Г° — Г jlr.

Полученные экспериментальные данные в координатах х°, г° представлены на рис. 5. Характер приведенной зависимости свидетельствует об автомодельности контура висячего скачка уплотнения по степени нерасчетности п на всей длине исследованной области струи. Но прежде чем использовать полученные данные, следует оценить возможное влияние вязкости газа, на ударно-волновую структуру струи.

Теоретически эта проблема рассмотрена в работе [4]. Из анализа приведенных в ней результатов численных расчетов следует, что влияние диссипативных процессов, на течение газа, например, от сферического источника отчетливо наблюдается уже при Re *;<Г 1700. (Здесь число Рейнольдса Re* = р* и* rjp* определено по параметрам в критическом сечении, расчеты проведены при значении располагаемой степени понижения давления лСр=Ро/Рн=2100, показатель х=1,4.)

В работе [5] экспериментально исследованы режимы перехода от течения сплошной среды к течению разреженного газа в случае, когда источником служило круглое звуковое сопло. Было показано, что при Rez,=Re*/nCp>100 течение в струе можно рассматривать как сплошное, при Ret = 5... 10 течение соответствует режиму рассеяния, когда местная длина свободного пробега становится сравнима с характерными размерами течения. Видно, что эта рекомендация хорошо согласуется с указанными выше результатами работы [4], согласно которым соответствующее значение параметра Reí. = 37.

Оценка величины Reí, по данным проведенного нами эксперимента дает значения этого параметра в диапазоне 50... 100, т. е. в окрестности ударных волн струи течение газа следует считать переходным. Поскольку определение ударной волны как поверхности сильного разрыва в таких условиях, по-видимому, неприменимо, то под висячим скачком уплотнения в данной работе понимается нижняя (ближайшая к оси) граница области положительного градиента давления в струе, взятого по радиусу. Благодаря предложенной методике проведения эксперимента достигнуто обращение относительного движения зонда и характерных элементов струи, что позволило фиксировать указанную границу с большой точностью.

ЛИТЕРАТУРА

1. Антохин В. М., Балашов Ю. П., Герасимов Ю. И., Долголенко А. И., Жохов В. А., Зворыкин Л. Л., Кузнецова Н. Ф., Куканов Ф. А., Плешакова Л. А., Плотников Б. П., Стасенко А. Л., Хомутский А. А. Исследование на модели обтекания космического корабля «Союз» реактивными струями управляющих двигателей корабля «Аполлон». — Изв. АН СССР, МЖ.Г, 1977, № 3.

2. М у р з и н о в И. Н. Параметры подобия при истечении сильно недорасширенных струй в затопленное пространство. — Изв. АН СССР, МЖГ, 1971, № 4.

3. Шелухин Н. Н. Параметры подобия формы недорасширенной струи при истечении в затопленное пространство. — Ученые записки ЦАГИ, 1979, т. 10, № 2.

4. Гусев В. Н. О влиянии вязкости в струйных течениях. — Ученые записки ЦАГИ, 1970, т. 1, № 6.

5. Волчков В. В., Иванов А. В., Кисля ков Н. И., Ребров А. К., Сухнев В. А., Шарафутдинов Р. Г. Струи низкой плотности за звуковым соплом при больших перепадах давления.— Ж. прикл. механ. и техн. физ., 1973, № 2.

Рукопись поступила 1/VII 1988 г.