Сопротивление пары тел при сверхзвуковых скоростях полета Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том XVI 1 9 8 5 № 3

УДК 532.048.3.011.6

СОПРОТИВЛЕНИЕ ПАРЫ ТЕЛ ПРИ СВЕРХЗВУКОВЫХ СКОРОСТЯХ ПОЛЕТА

В. Е. Белов, В. С. Хлебников, П. Г. Цыганов

На баллистической установке проведено исследование сопротивления пары тел (переднее тело — конус или цилиндр, заднее тело — торец) в диапазоне чисел Маха 1,2<М<2,1 и чисел Рейнольдса 4-105<Кеп <106.

т

Для широкого круга практических задач необходимы сведения об особенностях течений около пары тел при транс- и сверхзвуковых скоростях. В последние два десятилетия в печати появилось много статей, посвященных этим вопросам. В них приводятся результаты исследований характера обтекания пары тел и перестройки течения между ними, закономерностей распределения давления и теплового потока на поверхности заднего тела, сопротивления пары тел и т. д., см., например, работы [1—8].

Однако проблема обтекания пары тел потоком газа на указанных режимах очень сложна и до настоящего времени недостаточно изучена. В частности, мало исследован вопрос о влиянии на сопротивление пары тел их относительных размеров и расстояния между ними. Настоящая работа посвящена исследованию картины обтекания и сопротивления пары тел (конус-торец или цилиндр-торец) при числах 1,2<М<2,1 и числах 4-105<1?ед <106 на баллистической установке. (Число Яе сосчитано по параметрам

покоящейся атмосферы, скорости полета модели и диаметру заднего торца). Такое исследование в условиях свободного полета модели представляет большой интерес, так как в трубных испытаниях на указанных режимах на обтекание пары тел существенное влияние оказывают крепежные державки. Модели представляют собой два соосных тела, соединенных стержнем длиной /с= 45 мм и диаметром £>с = 5 мм. Переднее тело изготовлено из меди и имеет форму конуса с диаметром основания £>к=10 мм и высотой йк = 25 мм или цилиндра с диаметром £>ц=10 мм и высотой йц=15 мм. В качестве заднего тела использованы дюралевые круговые торцы с диаметром £>т = 15 мм и 20 мм и толщиной Лт = 5 мм. Фотографии моделей приведены на рис. 1.

Перед произведением выстрела в атмосферу модель закладывается в пластмассовый поддон. Фиксация положения стержня модели относительно оси поддона осуществляется при помощи пластмассовой вставки, разрезанной на две части (см. рис. 2). Собранная для выстрела модель запрессовывается в гильзу (рис. 3), в которую предварительно закладывается пороховой заряд. Испытания моделей и обработка их результатов проводятся в соответствии с методикой, изложенной в работе [9]. Расстояние между станциями, на которых фиксировались время и координата местоположения, составляет в среднем 700 мм. Изменение числа М в ходе испытаний за счет торможения модели от станции до станции |ДМ| не превышает 0,02.

Результаты испытаний получены в виде теневых фотографий картины обтекания модели и графиков зависимости коэффициента сопротивления пары тел сх от числа М полета. (При вычислении коэффициента сопротивления сх в качестве характерной площади была выбрана площадь торца). На рис. 4, о представлены фотографии картины обтекания пары цилиндр-торец (£>т=2), а на рис. 4, б — пары конус-торец (1>т = 1,5) при различных значениях числа М полета модели. Здесь £>т — отношение диаметра торца к диаметру цилиндра или конуса. Для пары цилиндр-торец по мере

Рис. 1

уменьшения числа М полета модели картина ее обтекания меняется. Так, в диапазоне чисел М от 1,87 до 1,52 наблюдается схема течения, характерная для сверхзвукового обтекания пары тел с длиной соединительного стержня 1С>1 Кр (см. работу [6]), а для меньших значений числа М полета головной скачок уплотнения становился более плоским, и схема течения за ним принимает вид, характерный для дозвукового отрывного обтекания пары тел. Для пары же конус-торец во всем диапазоне чисел М от 1,77 до 1,36 реализуется типичная сверхзвуковая схема течения, соответствующая ¡с>1 кр. Отметим одну общую закономерность для обеих серий фотографий: при

М=1,68 скачки уплотнения у стержня и торца имеют наибольшую интенсивность и, кроме того, перед торцем возникал прямой скачок уплотнения, положение которого было очень неустойчиво.

На рис. 5 и 6 приведены зависимости коэффициента сопротивления с* модели от числа М ее полета соответственно для тел конус-торец и цилиндр-торец при двух значениях диаметра торца £)т = 1,5 и 2. Из приведенных зависимостей следует, что имеет место интересное явление, а именно: резкое возрастание в узком диапазоне значений чис_ел Маха полета модели ее сопротивления (кризис сопротивления). Так, на рис. 5 (1>т= 2) коэффициент сопротивления пары конус-торец возрастает в диапазоне 1,55<М<1,75 более чем в два раза. Предварительный анализ показал, что для возникновения этого кризиса имеются две причины. С одной стороны, повышению сопротивления модели способствует появление прямого скачка уплотнения перед торцем, что отмечалось выше при обсуждении картины обтекания модели. С другой стороны, резкому повышению сопротивления модели, по-видимому, способствует возрастание донного сопротивления торца при его обтекании заторможенным в несколь-

Рис. 2

Рис. 3

мчл;

М --),6в

Рис. 4

ких скачках уплотнения газом (аналогичный эффект наблюдается при обтекании тела с донным срезом дозвуковым потоком газа с числом М, близким к единице, особенно сильно он выражен при нестационарном обтекании, см. [10]). Уменьшение или увеличение числа М полета модели от критического значения, соответствующего местному максимальному значению сх, приводит к быстрому устранению этих причин и, следовательно, к снижению сопротивления модели (рис. 5 и 6). Интересным является и тот факт, что максимальное значение кризисного сопротивления для различных конфигураций тел наблюдается примерно при значении М~1,65 (рис. 5 и 6). В дальнейшем необходимо проверить, возникает ли подобный кризис сопротивления на телах других конфигураций при стационарном или нестационарном обтекании.

При сравнении зависимостей сх для одинаковых комбинаций тел, например, конус-торец, но различных значениях диаметра торца £>т, видно (рис. 5), что кривая сх при £>т = 1,5 располагается значительно выше, чем при Бт=2. Это можно объяснить тем, что для небольших значений числа М полета модели чем больше диаметр заднего торца, тем больше угол раствора головного скачка уплотнения и тем больше потери полного давления в нем и, следовательно, меньше давление на торце, а значит, и сопротивление торца. По мере увеличения числа М разница в угле наклона голов-

Конус-шорец

yo

1.0

15

2,0 M

Рис. 5

W

Цилиндр-торец

--о-— 2.0-

2,0 M

Рис. 6

ного скачка уплотнения для обеих моделей уменьшается и вместе с ней уменьшается разница в значениях коэффициента сопротивления с*, как это видно из рис. 5.

_ Если сравнить сопротивление двух пар моделей конус-торец и цилиндр-торец (,DT = 2), то видно (рис. 5 и 6), что кривая зависимости с*(М) для пары цилиндр-торец проходит выше из-за того, что цилиндр вносит больший вклад » сопротивление пары, чем конус.

Отметим также еще тот факт, что, чем больше сопротивление переднего тела и диаметр заднего торца, тем шире диапазон чисел М, в котором происходит кризисное возрастание сопротивления модели.

ЛИТЕРАТУРА

1. Charwat A. F., Roos J. N„ Dewey F. С. Jr., Hilz J. A. An investigation of separated flows.— J. Aerospace "Sci, 1961, vol. 28, N 6, 7.

2. D a y m a n B. Jr., Donald V. K. Forebody effects on drogue drag in supersonic flow.—A1AA Paper, 1968, N 68—8.

3. Карпов Ю. Л., С e м e н к e в и ч Ю. П., Ч е р к е з А. Я. К расчету отрывного течения между двумя телами. — Изв. АН СССР, МЖГ, 1968, Ms 3.

4. Кудрявцев В. Н., Черкез А. Я., Шилов В. А. Исследование сверхзвукового обтекания двух разделяющихся тел.—Изв. АН СССР, МЖГ, 1969,:№ 2.

5. Хлебников В. С. Исследование течения перед сферой, помещенной в следе, тела, при сверхзвуковом обтекании. — Ученые записки ЦАГИ, 1971, т. II, № 1.

6. Хлебников В. С. Исследование течения перед диском, помещенным в следе тела, при сверхзвуковом обтекании. — Труды ЦАГИ, 1972, вып. 1419.

7. Хлебников В. С. Перестройка течения между парой тел, одно из которых расположено в следе другого, при сверхзвуковом обтекании.—Ученые записки ЦАГИ, 1976, т. VII, Ш 3.

8. Хлебников В. С. Осесимметрнчное обтекание пары тел сверхзвуковым потоком газа.— Ученые записки ЦАГИ, 1978, т. IX. № 6.

9. Г у р ь я hi к и н Л. П., Крас, и л ь щ и к о в А. П.. Под о-б и н В. П. Аэробаллистическая труба для измерения сопротивления моделей в свободном полете при гиперзвуковых скоростях. — Ученые записки ЦАГИ, 1970, т. 1, № 2.

!0. Ч ж е н П. Отрывные течения, т. 3. — М.: Мир, 1973.

Рукопись поступила 13/Х 1083 г