Определение поля давления с помощью трубки Пито в сверхзвуковых потоках с ударными волнами Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

Т о м V 1 974 М3

УДК 533.6.071.08:532.57

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯ ДАВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ТРУБКИ ПИТО В СВЕРХЗВУКОВЫХ ПОТОКАХ С УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ

В. И. Шустов

Исследовано влияние трубки Пито на измеряемое давление в сверхзвуковых потоках с ударными волнами. Показано, что приемная часть трубки Пито должна выбираться с учетом числа М невозмущенного потока, интенсивности ударных волн и сил вязкости.

1. Влияние неравномерного профиля скоростей на показания трубки Пито имеет большое значение при измерении полей полного давления поперек пограничного слоя, а также в потоках с существенно неравномерным профилем скоростей. В работе [1] были определены поправки-, которые необходимо вносить в величину измеряемого давления для случая дозвукового и сверхзвукового неравномерных потоков.

В работе [2] изложена методика определения положения ударной волны с помощью трубки Пито. Однако опыт показывает, что такое определение положения ударной волны не всегда возможно. Дело в том, что присутствие трубки Пито в неравномерном потоке может приводить к искажению течения перед трубкой. Приемная часть трубки Пито в сверхзвуковом потоке сама вызывает

/—приемная часть трубки Пито; 2—ударные волны, близкие к прямым; 5—низкоэнтропийная струя; 4—падающая ударная волна; «5—косые ударные волны

Фиг. 1

появление ударной волны перед ней. Вследствие взаимодействия ударной волны в потоке и ударной волны перед трубкой Пито получается сложная система ударных волн с двумя тройными конфигурациями. Результатом такого взаимодействия ударных волн является образование низкоэнтропийной струи с высоким полным давлением [3, 4, 5]. Примерная схема системы ударных волн, полученная по теневым фотографиям, показана на фиг. 1. Следствием падения низкоэнтропийной струи на приемную часть насадка может быть резкое изменение в сторону увеличения или уменьшения давления, измеряемого трубкой Пито в невозмущенном потоке и за ударной волной.

Изменение давления (по сравнению с истинным), вызываемое трубкой Пито в неравномерном сверхзвуковом потоке с ударными волнами,-может иметь место как во внешних, так и во внутренних течениях. Некоторые примеры таких течений приведены на фиг. 2. На этой фигуре на схемах течения сплошными линиями показаны ударные волны, а пунктиром—волны разрежения.

Недооценка изменения давления за счет трубки Пито может привести к неверному заключению о поле исследуемого течения. Поскольку ширина низкоэнтропийной струи может быть очень малой, то для более четкого определения воздействия этой струи на трубку необходимо, чтобы внутренний диаметр приемной части трубки Пито был существенно меньше ширины струи.

Целью настоящего исследования являлось определение влияния геометрических размеров приемной части трубки Пито и газодинамических параметров потока на давление, измеряемое трубкой Пито в неравномерных сверхзвуковых потоках при наличии ударных волн.

Впе'шмее оїтемание тел

Внутренние течения

Стечение В диффузоре

г) течение в рабочей_ части аэродинамическои труоы

Фиг. 2

2. Экспериментальные исследования проведены в сверхзвуковой аэродина-

мической трубе при числах М=6 и 1?е=0,27-108 на 1 см. Ударная волна в сверхзвуковом потоке индуцировалась круглыми конусами с полууглами при вершине р=10° и 20°. В области ударной волны с помощью трубок Пито, имеющих разные внешние диаметры (£> = 5, 7, 10, 15 мм), измерялось давление р'а в центральном отверстии трубки Пито. Внутренний диаметр приемной части трубок Пито равен 0,3 мм. Измерение давления проводилось с помощью манометров ОМ-1 и ГРМ-2. _

3. На фиг. 3 приведена зависимость относительного давления р01р0 га=/ (у)

для четырех значений отношения внутреннего диаметра трубки Пито к внеш-

нему. Трубка Пито располагалась на расстоянии х0 = 0,125 от основания конуса, с помощью которого индуцировалась коническая ударная волна. Здесь р'0—давление в центральном отверстии трубки Пито; р0<я—полное давление в невозмущенном потоке; лг0 = л:о/£)к; у = у1йку х0 — расстояние от основания конуса до трубки Пито; у — расстояние от кромки основания конуса до геометрического центра внутреннего отверстия трубки в плоскости, перпендикулярной скорости невозмущенного потока; £)к — диаметр основания конуса. Там же дана зависимость оо =/(у), полученная расчетным путем. Расчетные значения величины

Ро1рооо определены по прямой ударной волне в невозмущенном потоке и в области сжатого слоя газа.

Экспериментальные зависимости Ро1Роса—/(у) показывают, что для всех

значений отношения с1 = й/Д наряду с областями давлений, соответствующих потоку за наклонной ударной волной и невозмущенному потоку, имеются области с давлением р0, заметно меньшим давления в невозмущенном потоке. При перемещении трубки Пито в сторону невозмущенного потока от наклонной ударной волны происходит чередование пониженных и повышенных значений давления р'0 относительно давления в невозмущенном потоке при уменьшающейся амплитуде колебания.

Для трубок Пито с внешними диаметрами £> = 5, 7, 10 мм максимальная величина давления за наклонной ударной волной получается соответствующей давлению рц в сжатом слое газа. При дальнейшем увеличении внешнего диаметра трубки Пито (£) = 15 мм) максимальная величина измеренного давления заметно превышает величину давления р0, измеряемого трубкой Пито в невозмущенном потоке и за наклонной ударной волной. Из этого следует, что перед трубкой Пито, в свою очередь, образуется сложное течение, характерное для течений около тупых препятствий при падении на них ударных волн, описанное в работах [3—5].

На фиг. 3, 6 для сравнения представлена зависимость р0/р0 т — / (у) . определенная с помощью трубки Пито с очень малым внешним диаметром (£>=0,5 мм). Падающая ударная волна индуцировалась конусом с полууглом раствора (3=10°. В этом случае зоны повышенного и пониженного давления не наблюдаются. Повидимому, с уменьшением внешнего диаметра приемной части трубки Пито ширина низкоэнтропийной струи уменьшается, а сама струя теряет свою интенсивность и вследствие сил вязкости размывается прежде, чем доходит до носика трубки. Расчетные значения величины ро/ро ж, определенные по прямому скачку уплотнения перед насадком в области сжатого газа и в невозмущенном потоке, удовлетворительно согласуются с экспериментальными значениями.

На фиг 4 показана теневая картина обтекания приемной части трубки Пито в области взаимодействия ударных волн. Из приводимых фотографий видно,, что взаимодействие падающей ударной волны с ударной волной перед носовой частью трубки Пито происходит при наличии двух тройных конфигураций ударных волн, из которых одна является общей. Основной частью такого взаимодействия ударных волн, как уже указывалось, является образование низкоэнтропийной струи, вследствие падения которой на лобовую поверхность трубки Пито возрастает измеряемое давление.

Визуализация обтекания передней части трубки Пито с помощью растекающихся капелек краски (см. фиг. 4) подтверждает наличие падающей струи на лобовой и боковой поверхностях насадка. На.снимке отчетливо видны следы, вымывания краски в области движения струи. ,

С ростом числа М давление, измеряемое трубкой Пито в неравномерных потоках с ударными волнами, может искажаться в большей мере. Так, по оценкам (проведенным на основании схемы и результатов расчетов, изложенных в (4| для плоского случая, и пересчитанных нами на отношение р’о/р'о^, см.фиг. 5) максимальное давление, измеряемое трубкой Пито, может быт^ равным р'о1р'о оо ~ при отклонении потока с числом М = 10 на 2,5°. Это давление примерно в 2,5 раза превышает давление, измеряемое трубкой Пито, за прямой волной в сжатом слое газа.

Таким образом, экспериментальные исследования и приближенные расчеты, показывают, что при измерении полей давления в сверхзвуковых потоках с ударными волнами трубка Пито может вызвать (вследствие взаимодействия ударных, волн перед нею) отклонение измеряемого давления от истинного. Поле скоростей, полученное на основании этого давления, не соответствует истинному. Поэтому выбор геометрии приемной части трубки Пито должен проводиться с учетом числа М невозмущенного потока, интенсивности ударных волн в потоке и сил вязкости. Значительного отклонения давления, измеряемого трубкой Пито,.

0,01

£ р-20° Жц=0,12!

Л

г к

/ 1 л!

и| ч

, *

я V л*

л «т 4° А . но—

4 Р

04 I

В,мм 1

О 5 0,060

ч 7 0,043

• 10 0,030

а У 0,020

б’/А.

ОД

1о~7,ш —расчет

** «г г*

( 1 1

( О 3 мсп -л •рем кче 1Снт(Вя0,5щ т

V. \ М \ у

Фиг. 3

V^"

След от низнознтрвпииной струи

ох истинного, по-видимому, можно ожидать также в некоторых неравномерных сверхзвуковых потоках и при отсутствии ударных волн, но с резким изменением плотности, например, на границе невозмущенного потока и течения с изоэнтро-пическим сжатием газа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Повх И. Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. М., .Машиностроение", 1959.

2. В а п п 1 п k W. J., Neb be ling С. Determination of the position of a shock wave from Pitot tube experiments. AIAA Journ. No 4, 1969.

3. T а г а н о в Г. И. Энтропийные эффекты в гиперзвуковых течениях газа. II Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Аннотации докладов. М., „Наука", 1964.

4. Тетери н М. П. Исследование течения газа и теплопередачи • в области падения скачка уплотнения на цилиндр, обтекаемый потоком большой сверхзвуковой скорости. „Изв. АН СССР, МЖГ“ 1967, №3.

5. Шустов В. И., Амарантова И. И. Исследование течения • газа в области взаимодействия падающей ударной волны с волной

перед цилиндрическим телом при гиперзвуковых скоростях потока. Труды ЦАГИ, вып. 1396, 1972.

Рукопись поступила 16/VI 1973 г.