Псевдоскачок в простейшем воздухозаборнике в виде цилиндрической трубы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Т О м VII 197 6

№ I

УДК 629.7.015.3.036:533.699.2

ПСЕВДОСКАЧОК В ПРОСТЕЙШЕМ ВОЗДУХОЗАБОРНИКЕ В ВИДЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТРУБЫ

В. Г. Гурилев, А. К. Трифонов

В диапазоне чисел М = 1,6н-5 и Ие = (1ч-6)ХЮ6 исследуется псевдоскачок в простейшем воздухозаборнике, выполненном в виде цилиндрической трубы с длиной / = (3ч-15)й и острой передней кромкой. Рассмотрено явление фиксации псевдоскачка у передней кромки, возникающее при числах М>2. Показано, что при этом длина псевдоскачка зависит от степени дросселирования канала и может быть уменьшена в несколько раз по сравнению с первоначальной длиной в течении без фиксации. Отсасывание и турбулизация пограничного слоя способствует фиксации псевдоскачка в местах расположения отверстий отсоса или турбулизаторов.

Переход сверхзвукового течения в дозвуковое в плоском канале с параллельными стенками или цилиндрической трубе осуществляется в так называемом псевдоскачке на длине, составляющей несколько калибров канала [1]. Изучение особенностей торможения сверхзвукового потока в псевдоскачке имеет большое значение для проектирования эффективных сверхзвуковых воздухозаборников, аэродинамических труб и других аэродинамических устройств. В последнее время псевдоскачок изучался рядом авторов [2—6]. В большинстве работ [1, 5, 6] и др. псевдоскачок изучался в канале большой длины, расположенном за соплом, т. е. в условиях присоединенного воздуховода при относительно толстом начальном пограничном слое.

Исследования простейших воздухозаборников в виде плоских каналов с параллельными стенками и острыми передними кромками показали, что при образовании псевдоскачка в начале канала наблюдается ряд явлений, не отмечавшихся на присоединенном воздуховоде [4], Так, при числах М>2 в начале псевдоскачка наблюдались протяженные зоны отрыва, располагающиеся несимметрично на стенках канала впереди основной системы Х-образных скачков уплотнения. Отмечались скачкообразные перемещения зон отрыва при дросселировании канала [4]. Ниже приводятся результаты дальнейших экспериментальных исследований псевдоскачка в простейших воздухозаборниках, выполненных в виде цилиндрических труб различной длины с острыми передними кромками. Эти исследования выявили ряд явлений, не отмечавшихся ранее в литературе: уменьшение длины псевдоскачка при его фиксации, выравнивание поля полных давлений, существование области неустойчивого положения псевдоскачка в трубе и др.

1. Исследование псевдоскачка проводилось на моделях, выполненных в виде цилиндрической трубы с острой передней кромкой, в диапазоне чисел М= 1,6—5 и чисел Ие = (1—6)Х10®. Число йе отнесено к‘- параметрам невозмущенного потока и диаметру входа й = 60 мм. Длина цилиндрической трубы составляла Ц<1 — Ъ\ 5,5; 10; 12,5; 15 (варианты № 1 и 2, фиг. 1). Для всех моделей отклонение внутреннего диаметра от значения й = 60 мм не превышало 0,1% по длине трубы.

Конфузорность трубы не допускалась. В конце трубы была установлена гребенка для измерения полей полного давления. Стенки трубы вдоль двух, а в некоторых случаях и трех образующих цилиндрической поверхности имели приемники статического давления.

Для исследования влияния отсасывания пограничного слоя на характер течения в псевдоскачке испытывались модели с перфорацией и длиной канала / = 3 и 5,5Л (вариант № 3, фиг. 1). Перфорация была выполнена в виде одного

У//Л1

м

Ро

212

Дроссель

,♦ ♦ -<>—♦— •—*—ф —♦—*

777Д .

Дренаж

Дариант №1 Дариамт /Г!2

ИЗ 1/ . ( —

п ? т

- ■ | х~60 1 х-750 Щ1 15втв.'ф17 —1^5.5(1

Вариант Л;3 с перфорацией

Фиг. 1

ДариантЛс турбулизаторами

или двух рядов отверстий диаметром 1,7 мм, .которые располагались на расстоянии х = 0,5 (I, х — <1 или х = 3 с1 (вариант № 3) от плоскости входа. Отноеитель-

_ С

ная площадь отверстий составляла отв — —л,;8, — 0 ,36. Влияние турбулизаторов

ж<1314

пограничного слоя на псевдоскачок исследовалось на модели 1 — 5,5ё (вариант № 4). Турбулизаторы были выполнены в виде трех рядов цилиндрических углублений диаметром 1,7 мм и глубиной 1-5-1,5 мм, которые находились на расстоянии л: — й от плоскости входа (фиг. 1). Для исследования влияния конфигурации дозвукового диффузора, расположенного за цилиндрическим каналом, проводились испытания с диффузором, имеющим полуугол раскрытия 9 — 3°, и канала с внезапным расширением <р = 90° (фиг. 1). Дросселирование канала модели осуществлялось с помощью грушевидного дросселя, установленного на расстоянии 1410 мм от конца цилиндрической трубы.

При испытаниях определялось распределение статического давления вдоль стенки цилиндрической трубы, поля полного давления в конце трубы и расход воздуха через модель, при различных значениях площади проходного сечения дросселя. Статическое и полное давления измерялись с помощью групповых регистрирующих манометров ГРМ с классом точности 0,5. Расход воздуха определялся по стандартной методике с помощью расходомерного устройства. Испытания проводились в основном при сверхзвуковом течении в плоскости входа (без головной волны), что контролировалось визуально с помощью прибора Теплера и но распределению давления на стенке трубы. Дросселирование модели многократно повторялось. Проводились повторные испытания моделей в разное время, а также в другой аэродинамической трубе. В отдельных случаях труба поворачивалась на 180° вокруг своей оси и, кроме того, испытывалась на небольших углах атаки а — 0ч-4°, чтобы установить возможное влияние неравномерности набегающего потока на получаемые результаты.

При обработке материалов испытаний строились графики распределения

Р / х \

относительного статического давления по длине трубы — —/1-2_ I Ддя различных положений дросселя (р0 — полное давление в форкамере трубы), показанные на фиг. 2, я, б, в, и поля относительных полных давлений в конце трубы

Щ2)’ гДе П — расстояние трубки полного давления от оси трубы, фиг. 3.

jp.. ¥ 1

X//

тИО -> Х° уф—

M=2,S-, l=S,Sd-, (f=9û° P

â x/d j

ХЙ—4-і -#aW—¿—Ь-лУк! k.. ti*

ПЛІ.,. —

■■¿с

о

я<и '^Перфорация

Фиг»- 2

Сравнение зависимостей =f\ld] • полученных для трех образующих

внутренней поверхности, а также при повороте модели вокруг оси, показало, что при постоянном положении дросселя кривые р/р0 практически совпадают., поэтому в дальнейшем использовались показания трубок статического давления вдоль одной образующей (см. фиг. 1).

• 2.-В процессе дросселирования трубы псевдоскачок ■ вначале постепенно

перемещался против потока по мере закрытия дросселя. При положении начала

псевдоскачка на расстоянии = хт-кп!<1 от плоскости входа он скачкообразно смещался против потока (фиг. 2). При числах М<2 на входе у передней кромки трубы возникала головная волна, а при М>2 начало псевдоскачка фиксировалось на этой кромке. Для трубы 1 = 3(1 фиксация начиналась с числа М х 2,0, Для трубы 1 = 5,5(1 (<р = 3° и 90°) фиксация начиналась с чясла М =2-=-2,2. Для трубы / = 10 й устойчивая фиксация наблюдалась при М = 2,2 ч-2,5, Неустойчива? (случайная) фиксация отмечалась при М = 1,8. Для трубы //¿=12,5 и 15 фиксация наблюдалась при М>2,5, однако она быстро нарушалась в результате дросселирования (см. ниже).

Начало появления фиксации псевдоскачка * (М = 2) приближенно соответствует образованию Х-образного скачка в передней части цепочки скачков [7]. Поток за пересекающимися косыми скачками сверхзвуковой, и противодавление от дросселя передается вверх по течению по пристеночному дозвуковому слою к передней зоне отрыва. Начало зоны отрыва, смещаясь вперед, фиксируется на передней кромке трубы. 1 , ,

* Термин „фиксированный псевдоскачок“ употребляется условно. Правильнее говорить о фиксированном замыкающем скачке уплотнения. . . . .

В результате дальнейшего дросселирования - при 10 происходит увели-

чение среднего угла отрыва и уровня статического давления в зоне отрыва по сравнению с критическим давлением, соответствующим свободному взаимодействию скачка уплотнения с турбулентным пограничным слоем на теплоизолированной пластине (см. фиг. 2). Стрелками слева на графике указаны значения относительного критического давления Ркр/Ро и черточками отмечены уровни относительного давления невозмущенного потока. С увеличением угла отрыва возрастают углы наклона пересекающихся косых скачков. Фиксация нарушается,

Фиг. 4

когда образуется маховский тип пересечения скачков [7]. Течение перестраивается, и на входе в трубу возникает отсоединенная головная волна. С появлением даже небольшой головной волны у кромки обечайки распределение давления резко изменяется Этому режиму на фиг. 2 соответствуют верхние кривые, для которых значения plpa примерно равны значениям p¡p0 за прямым скачком уплотнения.

Для коротких труб l¡d = 3-^5,5 величины plp0 у входной кромки получаются выше Критических значений ркр1ро. С увеличением длины трубы максимальное статическое длвление у передней кромки при фиксации уменьшается. При l¡d = 12,5 оно меньше критического, а при //rf — .15 незначительно отличается от давления набегающего потока.

На основании полученных зависимостей pip» = / (xjd) были построены кривые распределения относительного статического давления по длине псевдоскачка. На фиг. 4 представлены профили изменения статического давления по

длине псевдоскачка без фиксации (фиг. 4, а, х01й = 0 ~ 5) и с фиксацией Хц/й = О (фиг. 4¿-б). Каждой кривой соответствует постоянное значение Хо/с1. Сплошные линии относятся к трубе с I — 10 й, у = 90°, а штрих-пунктирные — к трубе I = 3d) 9 = 90°. Стрелками и черточками слева отмечены уровни относительного критического давления и давления невозмущенного потока. Пунктирные линии справа показывают величины р/р0 за прямым скачком уплотнения. Видно, что в диапазоне чисел М = 1,5-*-2,2 относительное статическое давление резко возрастает в начале псевдоскачка на длине (1 -т-2) d, В остальной части оно увеличивается в меньшей степени, приближаясь к значению за прямым скачком уплотнения.

Фиг. 5

При М > 2,2 статическое давление более равномерно увеличивается по всей длине псевдоскачка. Градиент нарастания давления по длине псевдоскачка существенно уменьшается с увеличением числа М (сравни М -- 1,5 и 3,5). Наклон кривых немного увеличивается с продвижением нсевдоскачка к плоскости входа. Это наиболее заметно при числах М = 1,5-*-1,8 (фиг. 4,а, М = 1, 5, лг0/|i = 0,5 и 3).

Длина трубы мало сказывается на характере протекания зависимости plpo = = f(xjd) (см. М = 2,5, / = 3d и 10 d). Изменение формы диффузора (f = 3° и 90°) также не влияет на вид кривых р\р0 — f (x¡d). Характер течения в псевдоскачке (без фиксации) иллюстрируется теплеровскими фотографиями на фиг. 5, а, б, полученными в результате испытаний плоского канала с прозрачными боковыми стенками при числах М= 1,5 и 3 (Re = 2 X Ю6, h = 30 мм)- При М = 1,5 (фиг. 5, а) в начале псевдоскачка образуется система Х-образных скачков уплотнения [I, 3, 7]. Начиная с числа М я l,9-f-2, образуется система Х-образных скачков [3, 7]. При больших числах М = 3 (фиг. 5, б) четко видны зоны отрыва большой протяженности, несимметрично расположенные на стенках канала. Распределение относительного статического давления по длине псевдоскачка существенно изменяется при его фиксации (фиг. 2 и 4, б). Увеличивается градиент нарастания давления по длине псевдоскачка. Уровень р/р0, близкий к расчетному значению за прямым скачком, достигается при М=1,8-нЗ на длине (2 —5)d, которая значительно меньше, чем при отсутствии фиксации псевдоскачка (6—9) d.

На фиг. 6 приведена зависимость относительной длины псевдоскачка lnld от числа М на режимах без фиксации (светлые точки) и с фиксацией (темные точки). Длина свободного псевдоскачка без фиксации определялась в диапазоне чисел М = 1,5-^-3 в основном по результатам испытаний с Ijd = 10. Длина псевдоскачка определялась, как обычно [2, 5], от начала подъема кривой p¡p0 = /(x¡d) до выхода на горизонтальный участок, соответствующий (р/л>)Шах> Фиг- 2. Кривые plp0=f(x¡d) имеют пологий максимум, поэтому величины ln¡d находились приближенно, с точностью ~ 15%. При определении ln\d учитывалась равномерность поля полных давлений в конце трубы. Длина псевдоскачка находилась при разных положениях его начала относительно передней кромки, x0ld = O-í-5.

На фиг. 6 показаны также результаты экспериментальных исследований [1, 3, 5]. Точки из работы [5] хорошо согласуются с полученной зависимостью. Данные из работы [1] располагаются на (1—2)d выше этой зависимости, что

можно объяснить более толстым пограничным слоем на стенках трубы в условиях эксперимента [I]. Точки из работы [3] располагаются выше остальных данных. Это, по-видимому, связано с другим способом определения длины псевдоскачка, принятым в этой работе. Наиболее интересные результаты пблучены при фиксации псевдоскачка, когда длина его существенно уменьшается. Для трубы ЦЛ = 10 минимальная длина псевдоскачка составляет /=(4—6) Л в диапазоне чисел М = 2н-4, вместо / = (6,5— 12) й для свободного псевдоскачка. Для трубы Ш = 3 минимальная длина 1п изменяется от 2 (I до 3 й в диапазоне М = = 2-г-3,2 (см. фиг. 4 и 6). На фиг. 4, б конец псевдоскачка условно обозначен вертикальной стрелкой. Наибольшее уменьшение длины псевдоскачка при его

фиксации получается для чисел М > 2,5. Следует отметить, что при уменьшении длины псевдоскачка может быть уменьшена длина цилиндрического канала, необходимая для выравнивания потока на входе в дозвуковой диффузор.

На фиг. 3 показаны ноля относительных полных давлений в конце цилиндрической трубы ЦЛ = 3; 5,5; 10 при различных положениях начала псевдоскачка

относительно плоскости входа х^й з: 0 ч- 3. Видно, что при .г0/</> хт|П/£? поде полных давлений неравномерно. Кроме обычной радиальной неравномерности, наблюдается также несимметричиость течения относительно оси (окружная неравномерность). На больших числах М > 2,8 у стенок трубы отмечаются зоны, где полное давление равно статическому, что косвенно указывает на наличие зон отрыва [4]. При фиксации псевдоскачка происходит выравнивание ноля полных давлений. На больших числах М 3 оно получается даже более равномерным, чем на малых М —1,5—1,8, когда фиксация отсутствует (х№ —хт1п/с1).

При исследовании псевдоскачка в цилиндрической трубе принципиальным является вопрос о его устойчивости. В некоторых случаях при малых изменениях положения дросселя псевдоскачок резко смещается вдоль оси трубы. Результаты испытаний показаны на фиг. 7. Сплошной линией приближенно нанесена нижняя граница устойчивого положения псевдоскачка. При л: < хт[п положение псевдоскачка в цилиндрическом канале неустойчиво, пока не произойдет фиксация его на передней кромке. Область неустойчивости увеличивается с возрастанием числа М и слабо зависит от вида дозвукового диффузора. Изменение угла атаки +0,5°-4-1° не повлияло на неустойчивость псевдоскачка и его фиксацию на передней кромке. Увеличение длины трубы с //</ = 5,5 до 10 расширяет область неустойчивости.

На фиг. 7 пунктиром нанесены границы перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный для условий испытания в трубе. При числах М>2,3 граница неустойчивости псевдоскачка располагается выше границы области перехода. Неустойчивость псевдоскачка при х<^хтт, очевидно, связана со скачкообразным смещением передних зон отрыва. При противодавление,

проникая по дозвуковому пограничному слою к передней кромке трубы, вызывает внезапный отрыв ламинарного (М < 2,3) или турбулентного (М>2,3) слоя

па ..всей длине трубы При этом начало отрыва фиксируется на перед-

ней кромке. Следует отметить, что для трубы с небольшим расширением (//£? = = 4,4, 9=0,5°), как показали испытания, псевдоскачок устойчиво перемещается по всей длине трубы и фиксируется на передней кромке в исследованном диапазоне чисел М= 1,5 -4-3,2. При фиксации поле р0 получается равномерным. Величины р01р0 близки к значениям за прямым скачком уплотнения. Таким образом, для эффективного торможения сверхзвукового потока на малой длине целесообразно использовать слабо расширяющийся канал (9 0,5°) или слабо расши-

ряющийся канал с последующим цилиндрическим участком.

Испытания трубы с перфорацией (см. вариант № 3, фиг. 1) показали, что отсасывание небольшого количества воздуха (2-ь-3% от полного расхода) приводит к фиксации начала псевдоскачка в области расположения отверстий перфорации во всем исследованном диапазоне чисел М--2ч-3,2. На фиг. 2 представлено распределение относительного статического давления по длине трубы при различных положениях дросселя для вариантов № 1 и 2 (М = 2,5; 3) и варианта № 3 (М = 2,5). Место фиксации для варианта № 3 обозначено пунктирной окружностью. При фиксации наблюдалось небольшое выравнивание поля полных давлений в конце трубы и течение было стабильным. В диапазоне чисел М = = 2 — 2,5 наблюдались сильные колебания статического давления на стенке трубы, когда начало псевдоскачка находилось между отверстиями перфорации и передней кромкой. После фиксации колебания исчезли. В диапазоне М = = 2,6 -ь 3,2 подобные колебания отсутствовали. Начало исевдоскачка от отверстий перфорации скачкообразно перемещалось к передней кромке и фиксировалось на ней. После фиксации происходило полное выравнивание поля полных давлений в конце трубы.

При расположении перфорации ближе ко входу (х = 0,5 вместо х = й) также отмечалась фиксация псевдоскачка на перфорации. Увеличение площади перфорации за счет второго ряда отверстий, расположенного на расстоянии х = 3й от входа (вариант № 3), не привело к существенному изменению картины течения. Для трубы 1 — ЪЛ (^хв = 0,36, х = й, вариант № 3) начало псевдоскачка фиксировалось, как обычно, на перфорации, а затем на передней кромке трубы. Колебания статического давления, которые наблюдались па данном варианте без перфорации, здесь значительно уменьшились.

Следует отметить, что для трубы с перфорацией в ряде случаев (М = 1,8-ь-2,2) отмечалось существенное изменение характера распределения статического давления по длине трубы при прямом и обратном ходе дросселя (гистерезис). Для трубы с перфорацией (//</ = 5,5, ¥тв — 0,36, х (I) минимальная длина псевдоскачка при фиксации его на передней кромке получается меньше, чем для трубы без перфорации (1п~ 1,8 й при М = 2-^-3,2, фиг. 6).

’ -7-

Р <рш3 . 1=5,511 й неустайеибая

* 30°\ фиксация на ¿ходе ■,

0 9Ш*° \г=ш *

1 — область неустойчивости. 2 — фиксация псевдоскачка

Фиг. 7

Испытания варианта № 4 с турбулизаторами пограничного слоя показали, что в -исследованном диапазоне чисел М — 2,6 ч-3,2 псевдоскачок фиксируется в области расположения турбулизаторов. При дальнейшем дросселировании он скачкообразно смещается к передней кромке и фиксируется на ней. Таким образом, рациональное использование поясов перфорации и турбулизаторов способствует фиксации псевдоскачка и тем самым повышению его устойчивости; это позволяет эффективно тормозить сверхзвуковой ноток в цилиндрической трубе на малой длине.

ЛИТЕРАТУРА

1. Крокко Л. Одномерное рассмотрение газовой динамики установившихся течений. Основы газовой динамики, под ред. Эммонса Г. М., 1963. Изд. Иност. лит.

2. Зубков А. И., С о р к и н Л. И. Влияние вязкости на течение в области прямого скачка уплотнения. ,Изв. АН СССР, ОТИ", Механика и машиностроение, 1961, № 1.

3. Т а m a k i Т., Т о m 11 a Y., Yamane R. A. Study of pseudoshock Bulletin of the ISME, vol. 13, N 55, 1970; vol. 14, N 74, 1971.

4. Гурыдев В. Г., Елисеев С. Н. К теории псевдоскачка на входном участке канала. .Ученые записки ЦАГИ*, т. III, № 3, 1972.

5. Острась В. Н., Пеизин В. И. Экспериментальное исследование силы трения в цилиндрическом канале при наличии псевдоскачка. „Ученые записки ЦАГИ", т. V, № 2, 1974.

6. 3 и м о н т В. Л., О с т р а с ь В. Н. Расчет псевдоскачка в цилиндрическом канале. „Ученые записки ЦАГИ“, т. V, № 3, 1974.

7. Г у р ы л е в В. Г. Течения с Х-образными скачками уплотнения на входе в плоский сверхзвуковой воздухозаборник. „Ученые записки ЦАГИ*, т. Ill, № 5, 1972.

Рукопись поступила 28>Х ¡974 г.