Особенности установления и поддержания температуры и давления в потоке криогенной аэродинамической трубы Т04 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Т о м XX 1 9 8 9

№ 6

УДК 533.6.071 : 62—974

ОСОБЕННОСТИ УСТАНОВЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ В ПОТОКЕ КРИОГЕННОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЫ Т-04

С. Ю. Борисов, А. Л. Искра, А. М. Наумов

Приведены результаты экспериментальных исследований по измерению температуры и давления потока в криогенной аэродинамической трубе с эжекторным приводом на различных режимах ее работы.

Показано, что система регенерации холода позволяет поддерживать равномерное температурное поле потока при температуре^100 К. Сделан сравнительный анализ характеристик потока для режимов работы трубы при нормальной и криогенной температуре.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к аэродинамическим трубам, является необходимость создания в них стационарного и равномерного по температуре и давлению потока.

Особое внимание этому вопросу должно быть уделено при создании и наладке криогенных аэродинамических труб, в которых поток охлаждается до температуры ~100К путем впрыска в него жидкого азота.

В работах [1—4] представлены результаты исследований этой проблемы, проведенных в зарубежных криогенных трубах. Во время работы этих установок в обратном канале постоянно проводился впрыск жидкого азота, испарение которого позволяло отводить теплоту, вносимую в поток работой компрессора или более нагретым эжектирующим воздухом. Процесс распыления и испарения жидкого азота, как следует из этих работ, оказывает определенное влияние на пульсационные характеристики-потока.

Экспериментальные исследования были проведены в криогенной эжекторной трансзвуковой трубе с регенераторами холода, что отличает её от всех действующих криогенных труб [5, 6]. Система регенерации холода этой установки позволяет не только существенно снизить эксплуатационные расходы за счет экономии жидкого азота, но и обеспечивает поддержание криогенной температуры потока без впрыска жидкого азота.

Целью данных исследований является выявление наиболее приемлемых режимов: работы криогенной трубы Т-04 с точки зрения постоянства температуры и давления в. потоке.

1. Схема криогенной аэродинамической трубы представлена на рис. 1. Труба работает от эжектора, расположенного за рабочей частью. Перфорированная рабочая часть имеет размер 200x200x740 мм. В обратном канале постоянного сечения диаметром (1=600 мм за вторым поворотным коленом расположено 8 форсунок, через которые производится впрыск в поток жидкого азота для предварительного охлаждения: установки. В форкамере трубы установлены хонейкомб (длина трубки — 100 мм, диаметр— 12 мм) и детурбулизирующая сетка с размером ячейки 0,7x0,7 мм. Сброс газа из установки, равный сумме расходов эжектирующего воздуха и впрыскиваемого азота, производится одновременно из камеры рабочей части и камеры диффузора. Эжектирующий и сбрасываемый из трубы газ проходит через блок из трех регенераторов. Силовой корпус регенератора заполнен насадкой из гофрированной алюминиевой

8 «Ученые записки» № 6

105

S300

-Емность с мидким азотом

Ч*з-

~ Емкость с сжатым боздухом

Рис. 1

Шахта

шумоглу

шения

ленты, которая первоначально охлаждается вместе со всей установкой, а в последующих пусках остается достаточно холодной в течение двух—трёх суток. Во время пуска трубы постоянно происходит теплообмен между насадкой и потоком. Через один регенератор поступает эжектирующий воздух, охлажденный приблизительно до значения температуры потока в трубе, через два других происходит сброс газа, нагретого до температуры окружающей среды. Последовательное циклическое переключение охлаждаемых регенераторов позволяет поддерживать криогенную температуру в трубе в течение нескольких часов. Детальное описание конструкции трубы и ее систем приведено в работе [5]. Основные параметры потока в трубе: давление до 0,69 МПа, температура потока 82-нЗООК, число М=0,1-М,15, рабочий газ — воздух. Измерение давления проводилось гребенкой насадков полного давления, подсоединенных к датчикам ИКД. Измерение температуры потока проводилось термосопротивлениями ТСП 4054-01. Точность измерения давления равнялась ±0,5%, температуры ±0,5 К.

2. В ходе экспериментальных исследований по реализации криогенного потока в трубе Т-04 было выявлено пять характерных режимов течения, отличающихся неравномерностью распределения температуры по сечению форкамеры (рис. 2). Сравнительные характеристики этих режимов помещены в таблице.

Вид

NТП» ЭС

Температура конденсации Воздуха

L=600 мм й = 72 мм й,= 12 мм

’тач 1 2

3

4

5

6 7

X

05 т-

-0,5

0.5'

1

Ж

ш

У to • • V 4

И _ • • * ®

Х-Т /2 13 0 - • • • • ® • •

- ч »аТ

14

15

’0,5.

'120 по Юо т зо 1 т т т во мот, к

Рис. 2. Распределение температуры потока в форкамере

•I

I

t

1. 1т..

Номер режи-, ма 1 Режим Диапазон температуры потока, К Неравномерность распределения температуры, К Особенности температурного поля

і Активное охлаждение (ДТ/Дт = 15 ч- 50 К/мин) 95 290 ±6 Более холодный газ в центре потока

2 Постепенное уменьшение температуры потока (Д7'/Дт = 5-4- 15 К/мин) 90-4-150 + 3 »

3 Поддержание постоянной температуры потока при впрыске жидкого азота 90 150 + 1 »

4 Поддержание постоянной температуры при переключении регенераторов без впрыска жидкого азота 90 -4- 290 ±0,5 Без особенностей

5 Работа с впрыском жидкого азота при температуре потока, близкой к температуре конденсации 00 оо •I- § ±4 Более холодный газ в нижней части канала трубы

При охлаждении трубы и установлении постоянной по времени температуры потока в форкамере всегда последовательно реализовались первые три режима течения. Впрыск жидкого азота вызывал понижение температуры в ядре потока, в то время как около стенки температура оставалась несколько больше. Регистрация показаний приборов при поддержании постоянной температуры потока впрыском жидкого азота проводилась после установления режима не менее, чем через 1 мин. Из результатов измерений первых трех режимов течения следует, что при переходе на новый температурный уровень неравномерность температуры в форкамере обусловливает теплопередача от металлического корпуса к потоку. Четвертый режим течения устанавливался при работе с охлажденными регенераторами без впрыска жидкого азота. Распределение температуры при этом всегда было равномерным. Пятый режим течения возникает при приближении температуры потока к температуре конденсации АТ= = Т—Ткон 8 К. Особенностью этого режима является возникновение отдельных зон

нижней части форкамеры с температурой, близкой температуре конденсации, которые, по-видимому, вызваны выбором конструкции и места расположения форсунок жидкого азота. Под действием силы тяжести капли жидкого азота опускаются в нижнюю часть канала трубы, что и вызывает более сильное, вплоть до температуры конденсации, охлаждение газа в этой зоне. Наиболее благоприятным режимом течения, реализуемым только в данной схеме криогенной аэродинамической трубы, является работа с регенераторами холода без впрыска жидкого азота, отличающаяся наиболее равномерным полем температуры потока.

Измерение давления проводилось в сечении рабочей части, по длине перфорированных панелей и вдоль камеры смешения и диффузора. На рис. 3 показано распре-

У

1.0

Рис. 3. Распределение чисел М в сечении рабочей части. Расположение гребенки — вертикальное. Расстояние от боковых стенок — ^=/2=100 мм, от среза сопла 1=325 мм, у=у!Н

Та=г7ЦК

_і_і_

У

1,0

Г„*1Ч5К у

ЬО

У І і .1.1

Тд = 93 К

0,60 0,55 о,за 0,85 0,75

і * і

0,80 Мр « 1Й7

о

00

Т-277П Т=101К

~ =0,613 ^ = 0,616 Рр Р<р

Мр„=0,866 мр,-0,862 Н=0,070 _ Н=0,068

№9 0,70

0.65

Бонобая панель О •

верхняя панель -о

Камера даоления X X

Зона установившегося Зона расходного течения Диффузора ^

_0Л*-*т

0,70 г-

065

Зона штанобившежя * ,

течения Зона расходного ■К ! гН/

дицкрузора

0,60>-

чг; і*

12 3 х=х/1р*

Рис. 4

1200

3205

Р/Рр 1,0

0,8

0,6

по___________________

' о то гооо зооо то то I»-

Рис. 5. Распределение давления по длине камеры смешения и диффузора

|_ 6“° в

,8

8 8

М„=1,1 ° Т-290 К • 134 К

I

р„, МПа 0,56 0.51 052 0.50 ОМ 0,46 0,4ч

Рт,МПа

0,20

0,(9

0,12

0,10

Мрч

0,90

0,80

Т, Н 120

110

.

’1 2 1

і

г 1 ,с

1 •»

ї,с

'

Т, с

•

(. . . ■и 1,с

♦

а юо Т,с

Рис. 6. Параметры газа в установке, Дт=3 мин:

./—переходный режим, вызванный переключением регенераторов, 2— период течения с установившимся давлением и числом М, 3—дву-минутный период течения с установившейся температурой

деление полного давления в рабочей части. В ядре потока значение Ро/Рф = 0,995 ±

I ±0,0035, при у^Ч),15 величина Ро/Рф<0,99, что объясняется влиянием пристеночного слоя около перфорированной стенки.

Общий вид распределения статического давления по перфорированным панелям соответствует картине течения в трансзвуковой рабочей части с принудительным удалением газа из камеры давления [7]. В начале рабочей части может быть короткий участок с перетеканием газа через перфорацию. В средней части устанавливается течение с постоянным числом М и неравномерностью Ар/рф = ±0,005. В конце рабочей части имеется зона повышенного давления, известная как расходный диффузор, в которой происходит интенсивное перетекание газа в камеру и торможение основного потока. В работе ifT| отмечено, что длина зоны расходного диффузора увеличивается с ростом отношения расходов удаляемого из рабочей части газа и потока на входе в нее Gotc/Gp. ч. Из представленных на рис. 4 графиков видно, что длина зоны расходного диффузора и повышение давления в конце рабочей части при практически равных кооэффициентах отсоса К, возрастают при низкой температуре, т. е. при больших числах Re. Уменьшение параметра проницаемости стенки R с увеличением числа Re в криогенной трубе согласуется с результатами предшествующих исследований трансзвуковых рабочих частей в обычных трубах.

Распределение давления по длине камеры смешения и диффузора показано на рис. 5. Это распределение практически не зависит от температуры.

Во всех представленных примерах (рис. 3—5) общий характер распределения давления, наличие особенностей и количественные оценки неравномерностей в распределениях хорошо согласуются при нормальной и криогенной температурах потока. Это позволяет обобщить результаты измерений давления в трубе на весь температурный диапазон Т= 82 -г- 300 К.

Поддержание давления, числа М и температуры в рабочей части в трехминутный период между переключением регенераторов показано на рис. 6. В момент переключения регенераторов давления эжектирующего воздуха р0 падает. Автоматическая система регулирования позволяет восстановить начальное значение давления в течение примерно 20 секунд. Соответственно восстанавливается давление в форкамере р*, камере давления ркд и число Маха в рабочей части Мр. ч. В оставшийся до следующего переключения период ~ 160 с параметры потока практически не изменяются. Температура потока в момент переключения регенераторов может изменяться в пределах ±5 К, однако затем в течение промежутка времени ~2 мин. изменение ее значения не превышает ±0,75 К. Таким образом, режим работы Т-04 с переключением регенераторов без впрыска жидкого азота позволяет получать удовлетворительный поток по равномерности распределения р, Т и М в течение ~2 мин. в промежутке между переключением регенераторов.

ЛИТЕРАТУРА

1. На 1.1 R. М. Onset of condensation effects as detected by total pressure probes in the Langley 0,3-meter transonic cryogenic tunnel. —

NASA TM-80072, 1979.

2. D о r J.—В., M i g n о s i A., PlazanetM. Qualification of the T2 wing tunnel in cryogenic operation. — B: Flow fluctuation—particle detection and qualification. — NASA TM-77782, 1984.

3. D о r J.—B. The T2 cryogenic induction tunnel in Toulouse. — AGARD-R-722, 1985.

4. J о h n s о n С. B., S t a i n b а с k P. C. Dynamic measurement of total temperature, pressure, and velocity in the Langley 0,3-meter transonic cryogenic tunnel. — NASA TP-2584, 1986.

5. Алексеев Л. П., Фукс М. А. Криогенная аэродинамическая труба. — Гипронииавиапром, Труды института, 1983, вып. 19.

6. Искра А. Л., Борисов С. Ю. Экспериментальное исследование криогенной эжекторной трубы. — IV Всесоюзная школа по методам аэрофизических исследований, Новосибирск, 1986.

7. JI ы ж и н О. В., Пасов а 3. Г. Экспериментальное исследование расходного диффузора трансзвуковой аэродинамической трубы. — Ученые записки ЦАГИ, 1979, т. 10, № 4.

Рукопись поступила 14/XII 1988 г.