CC BY
56
________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Т о м VII 19 7 6
№ 2
УДК 629.7.018.1:533.6.071.1:62—25.98
О ВЛИЯНИИ ПОЛОЖЕНИЯ ЗАМЫКАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ СКАЧКОВ УПЛОТНЕНИЯ В ДИФФУЗОРЕ НА КОЭФФИЦИЕНТ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ГИПЕРЗВУКОВОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ
В. А. Конотоп, Ю. А. Тихомиров
Проведено экспериментальное исследование распределения давления по тракту гиперзвуковой аэродинамической трубы с двумя вариантами диффузора, отличающимися величиной горловины (/>=1,0 и 1,7). Установлено влияние размера горловины и модели в рабочей части на предельное положение замыкающей системы скачков уплотнения. Дано объяснение ранее полученным данным, согласно которым при испытаниях с вводом модели диффузор с большей горловиной позволяет получать более высокие значения коэффициента восстановления давления.
Потребный перепад давления, являющийся основным энергетическим параметром сверхзвуковых аэродинамических труб, определяется, как известно, потерями, возникающими при торможении сверхзвукового потока до дозвуковых скоростей (см., например [1]). Известно также, что при торможении сверхзвукового потока в диффузоре основная часть потерь сосредоточена в замыкающем скачке или системе скачков уплотнения. Величина этих потерь резко возрастает с увеличением числа М перед скачком, поэтому при создании аэродинамических труб стремятся максимальным образом уменьшить горловину диффузора для частичного снижения сверхзвуковой скорости потока перед замыкающим скачком и обеспечить высокие значения коэффициента восстановления давления аэродинамической трубы [1. 2].
Однако вместе с получением высоких значений коэффициентов восстановления давления применение диффузоров с малыми относительными горловинами ограничивает размеры моделей, которые можно испытывать в трубе. С увеличением горловины диффузора заметным образом увеличивается допустимый размер модели (см. [3-5]).
Наиболее целесообразным может представиться компромиссное решение: использовать диффузор с относительно большой горло-
виной (и поэтому несколько худшими характеристиками в пустой трубе) для того, чтобы испытывать в трубе модели большей величины при том же диаметре сопла.
В опытах с диффузорами, имеющими разные диаметры горловины, было обнаружено, что при испытаниях модели сравнительно большого размера в рабочей части трубы в случае диффузора с меньшей горловиной значения коэффициента восстановления оказываются более низкими (см. [3, 5]). Этот факт не находил объяснения на основе существующих представлений о течении в диффузоре, если он работает на наилучшем режиме, т. е. когда замыкающая система скачков располагается в области горловины.
Действительно, рассмотрим работу сверхзвукового диффузора аэродинамической трубы на расчетном режиме. Как известно, скачок или замыкающая система скачков уплотнения может располагаться в разных сечениях по длине диффузора в зависимости от перепада давления. Наиболее эффективное восстановление давления получается при положении скачка в районе горловины. В качестве примера на фиг. 1, я, б представлено распределение давления по тракту диффузоров с относительными размерами горловины — ¥
/7Г = —= 1,0 и 1,7 при различных перепадах давления и постоянном I'с
числе М в рабочей части (Мр. ч 10,5). По оси абсцисс отложено расстояние от входного сечения диффузора, а по оси ординат — относительная величина статического давления на стенке диффузора рст = =Рст1Рф- Вертикальными линиями отмечены сечения, где располагались приемники статического давления. Для каждой кривой указан перепад давления, при котором она получена ¿=Рф/РоЛиф, гДе Родиф — полное давление на выходе из диффузора. Соответствующий ему коэффициент восстановления давления равен обратной величине, т. е. утр = 1/'е. Эксперимент проводился на установке, описание которой приведено ниже.
Как видно из фигуры, характер кривых распределения давления для обоих диффузоров одинаков. Статическое давление на расчетном режиме растет по длине диффузора, на начальном участке оно несколько выше давления в рабочей части (примерно в три-четыре раза), далее следует резкое, а затем более плавное возрастание давления.
На входе в диффузор течение сверхзвуковое (статическое давление существенно ниже полного давления даже на выходе из диффузора). На выходе течение дозвуковое, значения полного и статического давления практически совпадают р р0 ДИф/Рф ~ ^тр.
В зоне резкого возрастания давления располагается замыкающая система скачков уплотнения, в которой поток тормозится до дозвуковых скоростей. По мере уменьшения перепада фронт зоны резкого возрастания давления (система скачков уплотнения) смещается вверх по потоку в горловину диффузора, коэффициент восстановления давления при этом растет. При дальнейшем уменьшении перепада система скачков уплотнения, смещаясь по цилиндрическому участку, скачкообразно переходит в рабочую часть. Расчетный режим разрушается. Давление во входном участке тракта резко возрастает. Для диффузора /\^1,0 это минимальное значение перепада, при котором расчетный режим еще существует, равно £тш = 364, а для диффузора Л-=1,7 еш^ = 606.
°)
Диффузор Гг=1,7, без модели.
Фиг. I
Следует отметить, что замыкающая система скачков до разрушения режима в диффузоре с большей горловиной смещается несколько выше по потоку. В то же время максимальный коэффициент восстановления давления в этом случае существенно ниже утр = 16,5 х Ю-4 против '■'тр = 27ХЮ_4 для диффузора с меньшей
горловиной. Этого и следовало ожидать, исходя из представлений о торможении сверхзвукового потока, так как число М перед замыкающей системой скачков в первом диффузоре соответственно размеру горловины меньше.
Таким образом, экспериментальные данные, полученные в пустой трубе (это же можно сказать и об испытаниях с моделями сравнительно малых размеров) вполне соответствуют теоретическим представлениям о течении в аэродинамической трубе в одномерной постановке.
Установка модели достаточно большого размера, как отмечалось выше, вносит в некоторых случаях не только дополнительные потери, но и качественные изменения в соотношение величин коэффициента восстановления в диффузорах с большой и малой горловиной.
Известно, что эффективность торможения потока в гиперзву-ковой аэродинамической трубе характеризуется двумя коэффициентами восстановления давления: vтp. зап и утр. ра3р, где утр. зап— максимальный коэффициент восстановления давления, при котором сохраняется расчетное течение в рабочей части при вводе модели в струю на заданном режиме, а мтр. разр — максимальный коэффициент восстановления, полученный путем постепенного уменьшения перепада давления на расчетном режиме с введенной в поток моделью.
В работах [3] и [5] показано, что значения 7тр. разр для диффузора с малой горловиной для всех моделей как и в пустой трубе выше их значений для диффузора с большей горловиной. Что же касается величины мтр. зап для этих диффузоров, то для небольших моделей, площадь миделя которых составляет не более 12% площади выходного сечения сопла (/загр = ^мид/^сопл Ю0< 12%), их соотношение аналогично соотношению утр. разр. Однако для больших моделей, представляющих наибольший интерес, коэффициент восстановления уТр. зап для диффузора с меньшей горловиной (^г=1,0) оказался меньше, чем для диффузора /7Г=1,7. Так, если для модели, соответствующей /загр = 9%, величина vтp. зап для диффузоров /7Г= 1,0 и 1,7 составляет соответственно чгр. зап = 11 X Ю-4 и 8,5 X Ю'4, то с моделью /заГ£=15% для диффузора /7Г=1,0, *тр. зап = 6 X Ю-4, а для диффузора Иг = 1,7 — мтр. зап = 8 X Ю~4.
Такая странная, на первый взгляд, закономерность может быть объяснена, по-видимому, следующим образом.
Ввод модели достаточно большого размера в рабочую часть на расчетном режиме вносит кратковременное, но довольно интенсивное возмущение в поток, которое толкает замыкающую систему скачков вверх по потоку. Если модель для заданного перепада давлений слишком велика, то замыкающая система скачков уплотнения попадает в рабочую часть и режим разрушается. Тогда модель выводят из потока, режим восстанавливается, повышают давление в форкамере и вновь вводят модель, но система скачков уже располагается при этом глубже в диффузоре, скорость перед замыкающим скачком уплотнения возрастает, 7тр уменьшается. Так повторяют до тех пор, пока ввод модели не перестает разрушать расчетное течение в трубе. Таким образом определяется ^тр. зап ДЛЯ заданного размера модели.
Если полагать, что основные потери давления сосредоточены в замыкающей системе скачков уплотнения, то коэффициент вос-
становления давления трубы будет выше для диффузора, у которого замыкающая система скачков располагается при запуске в более узком сечении тракта.
В рассматриваемом случае при успешном вводе достаточно большой модели в диффузоре с меньшей горловиной система скачков, по-видимому, располагается ниже по тракту трубы, в более широком сечении, чем в случае диффузора Рг= 1,7. Это вызвано, очевидно, характером поля скоростей и давлений в диффузоре.
Для проверки высказанных предположений были проведены испытания с измерением распределения давления по тракту трубы с моделями в рабочей части.
Результаты испытаний и их анализ. Испытания проводились в гиперзвуковой трубе, аэродинамический контур которой (фиг. 2) состоит из дугового подогревателя, конического сопла, рабочей части, сменного сверхзвукового диффузора и системы эжекторов.
Коническое сопло имеет угол раствора 12° и отношение площади критического сечения к площади выхода сопла /7*/Л)ых = = 0,17ХЮ“2, что соответствует геометрическому числу Мг=10,5. Рабочая часть трубы выполнена в виде камеры Эйфеля и оборудована двумя пневматическими механизмами для последовательного ввода насадка полного напора и модели. Нерегулируемый сверхзвуковой диффузор состоит из конических входного (а = 6°) и выходного (а ==4°) участков и цилиндрической горловины. Испытания проводились с двумя диффузорами, с площадями горловины
Фиг. 2
— и
Гг=—— = 1,0 и 1,7. Схемы диффузоров с размерами приведены на « ' - ‘ фиг. 2.
Четырехступенчатая система эжекторов обеспечивает в зависимости от расхода газа через рабочую часть степень сжатия от 30 до 300.
В процессе испытаний проводились измерения давления в фор-камере (в подогревателе), статического давления в рабочей части и на стенке диффузора в семи точках по тракту, полного давления в рабочей части с помощью насадка полного напора и в перед-
ней критической точке модели, а также полного давления на выходе из диффузора.
Для измерения использовались датчики типа ТМД и ТСД, выбранные для соответствующих диапазонов давления. Сигналы всех датчиков через усилитель 4АНЧ подавались на шлейфовый осциллограф Н-700.
Перед началом испытаний контур трубы проверялся на герметичность.
Испытания проводились без подогрева газа. В качестве модели использовался шар с относительным диаметром с1ы = = 0,36
_ йс (/загр~13%), имеющий дренаж для замера полного давления в передней критической точке. Вначале определялось распределение давления по длине диффузора на расчетном режиме с введенной в поток моделью при постепенном уменьшении перепада давления вплоть до разрушения режима. Затем снимали распределение давления при ступенчатом изменении перепада с вводом модели на каждой ступеньке также вплоть до разрушения режима при очередном вводе модели. Необходимый перепад давления получали путем изменения давления в форкамере подогревателя при постоянном режиме работы эжекторной системы (при постоянном давлении высоконапорного газа в эжекторах).
Результаты экспериментов представлены на фиг. 3 и 4 в виде серии кривых относительной величины статического давления по длине диффузора, рст — Ра1Рф при различных значениях перепада давления.
Характер изменения распределения статического давления в диффузоре с уменьшением перепада при испытаниях по первой методике (фиг. 3, а, б) для обоих вариантов диффузора имеет качественно одинаковый вид, примерно совпадающий с распределением давления в пустой трубе. Как и там, зона интенсивного возрастания давления по мере уменьшения перепада смещается в горловину обоих диффузоров и доходит почти до входной части. Максимальные значения коэффициентов восстановления давления на расчетном режиме ^тр. разр равны соответственно для диффузора = 1 V- разр = 17,6 х 10—4, а для диффузора Тг—1,7 утр. разр = 12,6Х X Ю-4. В этом случае преимущество диффузора с меньшей горловиной реализуется так же, как это было в пустой трубе. Следует отметить, что при изменении перепада давления наряду со значительной деформацией кривых распределения давления по тракту диффузора, вызванной перемещением замыкающей системы скачков уплотнения, имеет место существенно более слабое изменение относительной величины давления во входном участке диффузора, как при испытаниях в пустой трубе, так и при наличии модели в рабочей части.
Эти несущественные для рассматриваемого процесса изменения относительной величины статического давления вызваны, в основном, влиянием числа Ие, которое изменяется более чем на порядок вместе с изменением давления в форкамере трубы. (При изменении давления в форкамере в пределах рф =-■ (1,4 — 45) X 105 Па число Ие изменяется в диапазоне Ие = 1 X Ю5 3 X Ю6).
На фиг. 4 а, б представлены кривые распределения давления, полученные при испытаниях по второй методике, с вводом модели на заданном расчетном режиме. В этом случае, как видно из со-
а)
Диф/рузор РГ'1,Т, с установленной, модельн! 2м=0,36
Фиг. 3
поставления кривых на фиг. 3, а и 4, а, в предельном положении, при котором ввод модели еще не разрушает расчетного течения в трубе, зона интенсивного повышения давления в замыкающей
Диффузор Р-1,7; ¿и= 0,36! испытания с ¿Иодом модели на расчетном режиме
*)
Фиг. 4
системе скачков уплотнения в диффузоре с меньшей горловиной находится в начале расширяющейся части диффузора за горловиной (кривая 1 на фиг. 4, а). Небольшое уменьшение перепада давления и смещение системы скачков к горловине приводит к тому, что ввод модели разрушает расчетное течение в рабочей части
5— Ученые записки ЦАГИ № 2
65
(кривая 2 на фиг. 4, а). Момент разрушения режима определялся по резкому возрастанию статического давления в рабочей части и полного давления в передней критической точке модели. Максимальный коэффициент восстановления для этого случая равен
VTMan = 8XlO-4. _
В диффузоре с большей горловиной, Fr= 1,7 (фиг. 4, б, кривая 1), в предельном положении замыкающая система скачков располагается в горловине, примерно в средней части цилиндрического отсека. Максимальный коэффициент восстановления vTp зап = = 12ХЮ-4.
Таким образом, тот факт, что коэффициент восстановления давления диффузора с меньшей горловиной при испытаниях в трубе с вводом модели достаточно большого размера получается меньше, чем для диффузора с большей горловиной, и следовательно, не удастся реализовать преимущества малой горловины, связан с тем, что в предельном положении зона интенсивного повышения давления в замыкающей системе скачков уплотнения в диффузоре с меньшей горловиной находится в расширяющейся части канала, где площадь поперечного сечения уже приблизительно соответствует площади горловины большого диффузора. Кроме того, торможение в расходящемся канале сопряжено с большими потерями, чем в цилиндрическом при примерно одинаковых скоростях потока.
Основной причиной, по которой в испытаниях с диффузором, имеющим меньшую горловину (Fr= 1,0), при вводе модели в поток на рабочем режиме не удается реализовать максимально возможные значения коэффициента восстановления давления, близкие к vip. разр, являются слишком сильные возмущения потока, сопровождающие ввод модели. Это позволяет надеяться, что применение методов временного, на период ввода модели, улучшения аэродинамических форм модели (например, см. [6]) уменьшит интенсивность возмущения потока и таким образом позволит реализовать преимущества диффузора с малой горловиной.
ЛИТЕРАТУРА
1. Поуп А., Г о й н К. Аэродинамические трубы больших скоростей, М. „Мир“, 1968.
2. Wegener P., Lobb N. Ап experimental stady of hypersonic wind-junnel diffusors IAS‘, vol. 20, N 2, 1953.
3. Конотоп В. А., Тихомиров Ю. А. Влияние загрузки трубы и числа М в рабочей части на коэффициент восстановления давления в гиперзвуковой аэродинамической трубе. Труды ЦАГИ, вып. 1414, 1972.
4. Smith R. J., F о 1 с k J. L. Calibration of the AFFDL — 50 mw.
Are Heated hypersonic wind junnel. AFFDL — TR-69-36.
5. Конотоп В. А.. Тихомиров Ю. А. Запуск аэродинамической трубы с дуговым подогревом с моделями сферической формы.
Труды ЦАГИ, вып. 1414, 1972.
6. К о н о т о п В. А., Пичугин В. Ф. и др. Способ запуска сверхзвуковых аэродинамических труб. Авт. свид. № 128309, кл. 62 с,
32. Бюллетень изобретений № 9, 1960.
Рукопись поступила 4/IV 1974 г.
