Пульсации полного давления в потоке за псевдоскачком на входе простейшего воздухозаборника в виде цилиндрической трубы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Том VIII 1977

№ 3

УДК 629.7.015.3.036:533.629.2

ПУЛЬСАЦИИ ПОЛНОГО ДАВЛЕНИЯ В ПОТОКЕ ЗА ПСЕВДОСКАЧКОМ НА ВХОДЕ ПРОСТЕЙШЕГО ВОЗДУХОЗАБОРНИКА В ВИДЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ

ТРУБЫ

В. В. Богданов, В. Г. Гурилев, А. К. Трифонов

В двапазоне чисел М= 1,6-*- 3,5 и = (1-ьб)-10« исследованы пульсации полного давлении потока в цилиндрической трубе и трубе с небольшим начальным расширением при переходе сверхзвукового течения в дозвуковое в псевдоскачке. Наибольшие пульсации полного давления наблюдаются в начале псевдоскачка на расстоянии

г-~щ- = 0,2 — 0,6 от стенки трубы. С увеличением числа М от 1,6

до 3,5 относительные пульсации при г = 0,6 возрастают примерно в пять раз. В конце псевдоскачка они составляют 3—4% для г — 0,2, 0,6 и 1—1,5% для г= 1 в диапазоне чисел М= 1,6 —2,5. Показано, что при фиксации псевдоскачка на входной кромке трубы происходит резкое снижение уровня пульсаций полного давления в конце трубы и выравнивание их по сечению. Наибольшее снижение пульсаций наблюдается для трубы с начальным расширением и последующим цилиндрическим участком.

Исследованию крупномасштабной турбулентности потока в каналах воздушно-реактивных двигателей (ВРД) посвящен ряд работ [1—3]. В работе [1] и других исследовалась турбулентность потока в моделях сверхзвуковых воздухозаборников ВРД. Исследовалось влияние формы канала на уровень пульсаций полного давления и распределению их по сечению канала. В работе [3] основное внимание уделялось имитации пульсаций потока в воздухозаборнике с помощью различных интерцепторов, устанавливаемых в цилиндрической трубе, расположенной непосредственно за сверхзвуковым соплом, т. е. в условиях присоединенного воздухопровода. Генератором турбулентных пульсаций в каналах сверхзвуковых воздухозаборников является в основном псевдоскачок, возникающий при торможении сверхзвукового потока. Поэтому представляет большой интерес изучение турбулентных пульсаций по длине самого псевдоскачка и непосредственно за ним.

Целью данной работы являлось исследование пульсаций полного давления и характеристик крупномасштабной турбулентности потока в псевдоскачке, который образуется в канале простейшего воздухозаборника в виде цилиндрической трубы и трубы с небольшим начальным расширением. Исследовались пульсации полного давления в обычном псевдоскачке, а также при фиксации начала псевдоскачка на острой входной кромке трубы. Явление фиксации псевдоскачка было подробно изучено в работе [4].

1 = 330-600

Дроссель

Дренаж Л мессдозь! по Л-Д

^ 11 .

Фиг.

Течение в обычном псевдоскачке исследовалось в ряде работ (см. например, [4, 5]). Однако турбулентные пульсации потока в псевдоскачке пока мало изучены и отсутствуют материалы

о турбулентных пульсациях при фиксациии псевдоскачка.

1. Исследование турбулентных пульсаций полного давления в псевдоскачке проводилось в диапазоне чисел М=1,6н-3,5, Red = (l -т- 6)-106 на моделях, выполненных в виде цилиндрической трубы диаметром d = 2г = 60 мм с острой входной кромкой (/ = 5,5 d и 10d) и трубы с небольшим начальным расширением 0,5° на сторону на длине lK = 4d и последующим цилиндрическим участком (l = 4d), см. фиг. 1. Вдоль стенок трубы имелись отверстия для измерения статического давления. В конце трубы была установлена гребенка насадков для измерения полных давлений в потоке. В сечении x = xjd = 3 при l = 5,5d, а также х — 7,5 при l=\0d и л: = 5,5 при l = 8d устанавливались насадки для измерения пульсации полного давления в точках г = 0,2; 0,6; 1,0(мессдозы №1—4) и пульсаций статического давления на стенке (мессдоза № 5, см. фиг. 1). Насадки располагались в плоскости, повернутой относительно плоскости гребенки на угол 20°.

В процессе испытаний при постоянном числе М набегающего потока производилось дросселирование канала модели. Для каж-

* Число Кей0 рассчитывалось по параметрам невозмущенного потока и длине й0.

5—Ученые записки № 3 05

дого положении дросселя снимались показания насадков полного и статического давления с помощью групповых регистрирующих манометров (ГРМ) с классом точности 0,5, измерялись пульсации давления и фотографировалась с помощью теневого прибора картина обтекания модели. По распределению статического давления вдоль трубы находилось положение начала псевдоскачка относительно плоскости входа и отмечались режимы фиксации псевдоскачка на передней кромке трубы [4]. Нарушение сверхзвукового течения на входе и появление головной ударной волны перед плоскостью входа определялись на основании визуальных наблюдений с помощью теневого прибора, а также по распределению статического давления по длине трубы.

Пульсации потока в канале измерялись индуктивными датчиками давления типа ДМИ-11-6. Четыре датчика (мессдозы) были снабжены приемниками полного давления, которые имели длину соответственно 0,2 г (№ 1, 2), 0,6 г (№ 3), г (№ 4). Для уменьшения динамической погрешности, вызванной явлением акустического резонанса в каналах приемников и подмембранной полости ДМИ, они имели устройства частотной коррекции. Амплитудно-частотные характеристики измерительных систем были таковы, что частотный диапазон датчиков составлял примерно 4000 Гц, а неравномерность амплитуды в рабочем диапазоне не превышала 4-15-^-— 20%. Сигналы датчиков усиливались двумя усилителями типа 4АНЧ-15М. Регистрация процессов осуществлялась с помощью гальванометров М004.3,5 на фотобумагу светолучевого осциллографа типа Н-115.

С четырех приемников полного давления поочередно процессы регистрировались одновременно на две дорожки магнитной ленты. Одновременная запись процессов сохранялась для датчиков № 1 и 2, а также № 3 и 4. Длительность записи составляла 7—10 с на каждом отсчете. По окончании испытаний для процессов, записанных на магнитную ленту, определялись абсолютные и среднеквадратичные значения амплитуды (А иг соответственно), характеризующие интенсивность пульсаций давления, функции спектральной плотности мощности пульсаций и автокорреляции р(*с), характеризующие частотную и временную структуру потока. Абсолютные и среднеквадратичные значения амплитуд электрических сигналов измерялись стрелочным прибором частотного анализатора 2107 при воспроизведении на магнитофоне фонограмм процессов. Для получения спектральных и корреляционных функций осуществлялась перезапись процессов на магнитную ленту магнитофона „МЭЗ-28А“. '

В ряде случаев значения амплитуды максимальных пульсаций А находились путем расшифровки осциллограмм. По значениям в находились относительные турбулентные пульсации давления

- коэффициент восстановления

где £= '•»/Ьр-(Ь)(И,

г (Г)

Ро ■ \ ' (Г)

полного давления в прямом скачке уплотнения, рй — полное давление в форкамере трубы, Т — выбранный период времени,

і — время, &р(і) — изменение пульсаций давления по времени. Корреляционная функция нормировалась и находилась по формуле:

пі-} — — С У — ')*1*-

г У')— г 1 г '

о -~г і Д/»2(^)Л <п 1 (V)

^ = 5/[р (>)]-==о,

где 5 — площадь под кривой р(т) и условная длина вихря /в/й =

— ъУ/й. Считалось, что вихрь перемещается со средней скоростью основного потока, равной У='ш%, где X — приведенная скорость за прямым скачком уплотнения и а* ^300 м/с — по условиям эксперимента. В отдельных случаях определялась функция спектральной плотности мощности пульсаций А (/), где /—частота в Гц, А (/) в дБ.

2,%

1,ок

Ь5\.

1,0-

0,5

щ

Ь0-

о/

у>-

3,5-

3,01

2,0-

15-

1’°и

(4-

*

V*—с,г

-оь-

■л-

1-5,5

щ---------------<П--------------П~

1 = 10

-» Ж? о

1 О

2 Р

3 .д '4 а

2.0

2,5

3.0

М

г. в * А Я

Фиг. 2

При испытаниях осуществлялись различные положения псевдоскачка относительно измерительных насадков № 1—4: в начальной части псевдоскачка [когда начало псевдоскачка находилось от насадков на расстоянии л; = (2,5 -н 3) й\ и в конце псевдоскачка, причем длина псевдоскачка оценивалась по работе [4]. Кроме того, исследовались режимы течения в конечной стадии фиксации псевдоскачка, когда при последующем дросселировании канала перед плоскостью входа трубы возникала головная ударная волна и происходило резкое перестроение распределения давления по длине трубы; при сверхзвуковом течении в трубе, когда начало псевдоскачка располагалось за измерительными насадками, и при дозвуковом течении в трубе, когда перед плоскостью входа имелась головная ударная волна.

2. Прежде чем приступить к изучению пульсаций полного давления в псевдоскачке, целесообразно рассмотреть уровень пульсаций в сверхзвуковом потоке перед псевдоскачком (режим „с“) и пульсации в дозвуковом потоке в трубе, когда перед плоскостью входа образуется головная ударная волна (режим „г. в“). На фиг. 2 приведены значения е в зависимости от числа М набегающего потока при г — 0; 0,2; 0,6 и 1,0. Величины е немного возрастают с увеличением числа М, однако уровень значений е при г = 0; 0,6 и 1,0

(мессдозы_№ 3, 4, 5) не превышает 1,5%. Относительные пульсации при г = 0; 0,6 и 1,0 примерно одинаковы для режимов сверхзвукового и дозвукового течений.

Минимальные пульсации давления (е = 0,5 — 0,8% при ¿ = 5,5) отмечаются на оси трубы (г=1, мессдоза № 4) и на стенке (г = 0, мессдоза № 5). При г = 0,6 (мессдоза № 3) пульсации в два раза сильнее, чем на оси трубы. Наиболее существенное возрастание пульсаций происходит на режиме сверхзвукового течения при г = 0,2 (мессдозы № 1 и 2). Здесь уровень пульсаций на режиме сверхзвукового течения примерно в 2,5 раза больше, чем на режиме дозвукового течения, что, по-видимому, связано с увеличением толщины пограничного слоя при сверхзвуковом течении в трубе и влиянием вихрей, образующихся на границе пограничного слоя. При х — 7,Ь (/ = 10) — в = 3,8%, а при х = 3(1 = 5,5)—

— г=\,5%. Аналогичные результаты наблюдались для трубы с небольшим начальным расширением (I = 8).

Псевдоскачок является генератором пульсаций. Возникновение пульсаций в псевдоскачке в основном связано с поверхностями контактного разрыва скоростей, образующимися при взаимодействии цепочки скачков уплотнения с пограничным слоем на стенках (см. фиг. 1). На этих поверхностях происходит интенсивное вихреобразование. Вихри перемещаются в потоке в область повышенных скоростей и сносятся вниз по течению. Вихри противоположного направления вращения, сталкиваясь между собой, уничтожаются, вихри с одинаковым направлением вращения слипаются, образуя вихри больших размеров. Эти вихри приводят к возникновению турбулентных пульсаций в потоке. Скорость вращения вихря складывается или вычитается со скоростью основного потока. С увеличением числа М набегающего потока возрастает интенсивность вихреобразования, так как увеличивается перепад скоростей на поверхностях контактного разрыва и возрастает длина псевдоскачка.

На фиг. 3 и 4 представлены результаты измерений относительных пульсаций полного давления в начале (режим „н“) и в конце псевдоскачка (режим я/пс“). На фиг. 3 и 4 нанесены также экспериментальные точки, соответствующие режиму конца фиксации псевдоскачка на передней кромке трубы (режим „к. ф“). В начале псевдоскачка течение сверхзвуковое, поэтому перед приемником полного давления образуется ударная волна и измерение пульсаций давления происходит как бы за укороченным псевдоскачком. Наибольшие пульсации полного давления наблюдаются в начале псевдоскачка (х = 2 — 3). Они существенно возрастают с увеличением числа М набегающего потока. В диапазоне чисел М = 1,6■—3,5 значения е^З — 20%. Значение е изменяется по сечению трубы.

Максимальные значения е соответствуют г = 0,2 и 0,6 (месс-дозы № 1, 2 и 3). На оси и стенке трубы (г = 1 и 0) пульсации значительно меньше и составляют £<;3 — 5% (мессдозы № 4 и 5). Пульсации давления, как и поля полных давлений, в начале псевдоскачка несимметричны относительно оси трубы (фиг. 3, 4 и 5). Об этом свидетельствуют результаты измерений при г = 0,2(пока-

зания мессдоз № 1 и 2). Для трубы с начальным расширением и последующим цилиндрическим участком наблюдается увеличение значений е на оси трубы (в = 2—15% при М = 1,6 — 3,5). Перестроение профиля пульсаций здесь вызвано расширением трубы и возможной несимметричностью течения при взаимодействии скачков уплотнения с пограничным слоем на стенках.

Интересно сравнить пульсации в начале псевдоскачка (режим „н“) для труб / = 5,5 и 10. В последнем случае перед началом псевдоскачка имеется цилиндрический участок трубы длиной

Ро/Ро

0,9 -

0,8

ОР

ор

0,6

0,5

V * -•1' -

ЬО

1=5,5 М = 1,8

1 = 10

0,5

% 1*4

■х М=2,2 11 * * V

*

*• • X Ч

Я 1 у

М2 .1 ' \т N13 1= , М1

0,5

ор

0,6

о)

0,6

0,5

0,4

V,

Р. м * =.2,2 * » <

мИ * 1 \ г. г и

X * * ? 5

Гм X -2,8 * „и" » ▼ „ 1” *

X ¥ V 1 „К.ф" *■ • „г в'

* ?51 ■ г^г * ^ ч . 1 ! * X

10

0,5 О

0,5

Фиг. 5

(4,5— о) й. Цилиндрический участок оказывает демпфирующее действие на колебания полного давления у стенок трубы при г = 0,2 (см. мессдозы № 1 и 2, фиг. 3, 4). Уровень пульсаций заметно снижается на числах М>2 и не превосходит г^6% (вместо 20% для / = 5,5 при М = 3). При г = 0,6 и 1,0 (/ — 10) пульсации такие же, как в трубе 1 = 5,5.

Анализ осциллограмм показал, что для всех испытанных вариантов на режиме „н“, как правило, наблюдаются низкочастотные колебания полного давления помпажного типа со средней частотой 40—60 Гц, которые накладываются на обычные высокочастотные колебания с частотой 2000—4000 Гц. Сложение амплитуд низкочастотных и высокочастотных колебаний приводит к увеличению значений $ на режиме „н“. Низкочастотные колебания не зависят от числа М набегающего потока. По сечению трубы они примерно одинаковы и, по-видимому, связаны с образованием плоских волн в трубе, возникающих в результате колебаний системы скачков уплотнения в передней части псевдоскачка [4].

В трубе /==10 в диапазоне чисел М=1,6 — 2,5 были измерены пульсации полного давления непосредственно за псевдсскачком (режим /пс , см. фиг. 4). Относительная длина псевдоскачка равна /пс = 5,5 при М=1,8 и /пс = 8 при М = 2,5 [4,5]. Значения е за псевдоскачком приблизительно постоянны в исследованном диапазоне чисел М набегающего потока и составляют 3—4% для г = 0,2 и 0,6 (мессдозы № 1, 2, и 3) и 1 —1,5% для г= 1 (мессдоза № 4). Относительная амплитуда пульсаций г за псевдоскачком при числах М>2 в точках г = 0,2 и 0,6 существенно меньше, чем в начале псевдоскачка. На оси трубы г=1 пульсации полного давления за псевдоскачком минимальны.

Наряду со срднеквадратичными пульсациями определялась так же амплитуда А максимальных пульсаций полного давления. Как

' А!2

показали результаты обработки осциллограмм, отношение —— не

зависит от числа М набегающего потока. На режимах сверхзвукового и дозвукового течений в трубе оно колеблется около зна-

Л\2

чения — ^3, что соответствует нормальному гауссовскому закону

распределения пульсаций. В начале псевдоскачка и на режиме

Л/2

конца фиксации псевдоскачка отношение -^-^2,2— 2,5. Умень-А! 2

шение отношения -¿-<3 отмечалось для ряда моделей и, по-

видимому, связано с присутствием регулярных низкочастотных колебаний потока в псевдоскачке (см. выше).

3. В работе [4] было показано, что фиксация псевдоскачка на передней кромке трубы является радикальным средством для сокращения его длины и выравнивания поля полных давлений по сечению трубы. Дальнейшие исследования показали, что фиксация возникает как при острых, так и затупленных входных кромках трубы. Затупление входных кромок увеличивает область неустойчивого положения псевдоскачка в трубе и качественно влияет так же, как и увеличение длины трубы [4]. В результате фиксации псевдоскачка удается значительно повысить давление на стенке трубы вблизи входной кромки (фиг. 6). Наиболее сильное увеличение относительного давления на входе рвх/р наблюдается для трубы с небольшим начальным расширением длиной /к = 2й и 4а! (р — статическое давление в невозмущенном потоке). Максимальные значения рвх/р приближаются к кривой /, соответствующей отсоединению косого скачка уплотнения от входной кромки трубы и образованию головной ударной волны на входе.

С увеличением длины цилиндрической трубы (/ = 5,5—15) максимальные значения рвх/р заметно уменьшаются. При фиксации

а)

тх,мс

0,3

0,2

0,1

О

0,1

о

S)

' / -------------------8 J

/<

n-fe-

,—$•

-Ч

—4ц—--------------&

l/f

1,5

2,0

М

1=5,5 „И” 1-1,0 с >5,5 п „к ф"

№ 1 X « X

М2 * * к

М О •S- А

М Ц • д

Фиг. 7

псевдоскачка сокращается длина цепочки замыкающих скачков и увеличивается угол наклона передней зоны отрыва вследствие увеличения отношения pBJp. При этом уменьшается перепад скоростей на поверхностях контактного разрыва. Все это приводит к уменьшению интенсивности вихреобразования в области фиксированного псевдоскачка и существенному снижению пульсаций полного давления на режиме „к.ф“ (см. фиг. 3 и 4). Особенно заметно снижение пульсаций для трубы 7 = 5,5. Снижение и выравнивание пульсаций по сечению трубы здесь удается осуществить на малой длине a:=s3. Значения е составляют примерно 3—5% и мало изменяются в исследованном диапазоне чисел М. Наиболее сильное снижение уровня пульсаций наблюдается для трубы с начальным расширением (см. фиг. 4), где значения s равны 1,5 — 2,5% и приближаются к уровню пульсации в трубе с дозвуковым течением (см. фиг. 2).

Изменение пульсаций полного давления в потоке связано с перостроением поля полных давлений по сечению трубы (см. фиг. 5). Большая радиальная и окружная неравномерность поля полных давлений в начале псевдоскачка (режим „н“) сопровождается большими пульсациями давления (см. фиг. 3, 4 и 5). На режимах в конце фиксации псевдоскачка и при дозвуковом течении в трубе происходит выравнивание поля полных давлений и одновременно с этим выравнивается профиль пульсаций и снижается их уровень. При числах М=1,6 и 1,8 профили р'о/р0 на режимах „н“ и „к. ф.“ близки между собой. Разница в уровнях пульсаций на этих режимах невелика. При числах М>1,8 профили ро/ро резко различаются, соответственно существенно различаются и уровни пульсаций.

4. Корреляционные зависимости р(т) для насадков № 1, 2, 3 и 4 на режимах „/пс“, „н“ и „к. ф“ имеют обычный вид для течения в канале за псевдоскачком (см. фиг. 7, а и работы [1—3]). На основании корреляционных зависимостей оценивалось характерное время процесса (временной масштаб турбулентности) и условная длина вихря 1В. Значения приведены на фиг. 7, б. Величина 1в/й изменяется пропорционально тж (см. выше).

Значения хх и, следовательно, 1в)й возрастают с увеличением числа М набегающего потока. Наибольшие значения и /в/й получаются в начале псевдоскачка и для насадков № 1 и 2 они близки между собой. При М = 2,5 максимальные значения ^ = 0,33 мс и 0,9. Увеличенные значения %х и 1в/й в начале псевдоскачка

получены при наличии низкочастотных колебаний, указанных выше. В конце псевдоскачка значения и /в/й существенно меньше: тЛ. ^0,175 мс и 1в/й^ 0,5 (г = 0,2).

На режиме фиксации псевдоскачка значения и /в/а! получаются наименьшими. В диапазоне чисел М= 1,6 —2,5 они составляют = 0,075 — 0,125 мс и 1в/й = 0,2 — 0,35. На фиг. 7, а для примера представлены фукции спектральной плотности мощности пульсаций, определенные в начале и конце псевдоскачка в области максимальных пульсаций г = 0,2 (М=2,2, насадок № 2). Обращает внимание возрастание мощности пульсаций в начале псевдоскачка. При этом функция спектральной плотности имеет волнообразный вид в диапазоне низких частот, что, очевидно, связано с большой нестационарностью течения в начале псевдоскачка [4]. Максимальная энергия пульсаций заключена в широком диапазоне частот. С увеличением числа М набегающего потока энергия пульсаций на режиме „н“ заметно возрастает.

ЛИТЕРАТУРА

1. Васильев В. И., Юденков Н. А., Богданов В. В. Исследование интенсивности турбулентных пульсаций потока в воздухозаборниках. Труды ЦАГИ, вып. 1327, 1971.

2. Богданов В. В., Кукинов А Г., Хвостова А. К.,

Куканова Н. И. Влияние пульсаций потока в самолетных воз-

духозаборниках на работу компрессора ТРД. ОНТИ ЦАГИ, Обзор № 400, 1973.

3. Каурова Г. П., Кузмищев А. П., Я н ч у к В. А. Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов Доклад на Всесоюзной научно-технической конференции. М., 1976.

4. Гурылев В. Г., Трифонов А. К. Псевдоскачок в про-

стейшем воздухозаборнике в виде цилиндрической трубы. „Ученые записки ЦАГИ“ т. 7, № 1, 1976.

5. Зимонт В. Л., Острась В. Н. Расчет псевдоскачка в

цилиндрическом канале. „Ученые записки ЦАГИ“, т. 5, № 3, 1974.

Рукопись поступила 6/Х 1976 г.