Влияние конструкции диффузора с тангенциальным вдувом на пусковые и срывные отношения давлений Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том XIX 198 8 М2

УДК 533.6.071.4

СОО ССС А

532^54/55 : 533.694.71/72

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ ДИФФУЗОРА С ТАНГЕНЦИАЛЬНЫМ ВДУВОМ НА ПУСКОВЫЕ И СРЫВНЫЕ ОТНОШЕНИЯ ДАВЛЕНИЙ

И. В. Бабченко, Н. А. Шушин

Исследуются пусковые и срывные отношения давлений канала типа плоской аэродинамической трубы с тангенциальным сверхзвуковым вду-вом в диффузор'. Сопла вдува в виде клиньев на плоскости позволяют получить меньшие отношения давлений в сравнении с каналом, в котором сопла вдува образуют ступеньку по потоку. Обсуждаются вопросы переноса экспериментальных данных на натурные изделия.

Сверхзвуковые диффузоры широко применяются в аэродинамической технике. Однако проектирование их скорее является искусством, чем наукой [1]. Вызвана это большой сложностью течения в диффузорах, где существуют большие положительные перепады давления, пространственные системы скачков уплотнения, нестационарные отрывные зоны, турбулентность с изменяющимися по длине канала характеристиками. Расчет таких течений сложен, поэтому диффузоры проектируют, используя опытные данные. Плоские диффузоры повышают статическое давление существенно меньше квадратных или круглых в поперечном сечении. Вызвано это появлением незамкнутых отрывных зон, примыкающих к узким стенкам. Сверхзвуковым тангенциальным вдувом удается полностью подавить отрывные течения на узких стенках. Таким способом в работе [2] получены пусковые и рабочие отношения давлений по модели прямого скачка уплотнения. Дальнейшее снижение отношений давлений ' в нерегулируемых механическим способом диффузорах возможно, если управлять течением в диффузоре с помощью тангенциального вдува по периметру поперечного сечения канала. Некоторые сведения об этом приведены в работе [2], там же имеются ссылки на работы, в которых применялся сверхзвуковой вдув в диффузоры.

В цитированной работе сопла вдува выполнены клиновидными, установлены на плоскости и выступают в поток. В существующей аэродинамической технике сопла вдува часто образуют ступеньку по потоку. В обоих случаях далее по потоку диффузор близок к каналу постоянного сечения.

Одной из целей работы является сравнение эффективности диффузоров с различным оформлением сопл вдува. Рассматривается также влияние размеров сопл вдува и других конструктивных параметров на характеристики диффузора.

1. Экспериментальная установка представляет собой плоскую аэродинамическую трубу баллонно-вакуумного типа длительного действия с поперечным сечением рабочей части 150x40 мм2 (рис. 1). Сверхзвуковое сопло с угловой точкой спроектировано по методу характеристик без учета пограничного слоя на число М=4,61. За рабочей частью установлен пояс сопл вдува, который образует вход диффузора. На узких стенках во всех экспериментах были, установлены сопла с высотой критических сечений /г* =0,8 мм. На узких стенках устанавливались также сопла с Л*. =0,5 мм. В первом случае отношение площадей критических сечений сопл вдува и основного сопла составило 5* =0,92, во втором — 5,. =0,58. В варианте модели, где сопла вдува образуют ступеньку по потоку, использовались сопла с 5* =0,92.

Относительная площадь горла диффузора, образованного соплами вдува, равна / = 0,75 при/г* =0,8 мм и / = 0,84 при Л* =0,5 мм. Диффузор постоянного поперечного сечения имеет съемные панели. Длина

I £ Б

--V 1

18А ♦ 2.15а Ч.15а 5.75а 9.5а

Г

1 ,1

г 1

' , 1 ЗЧ'

. 15

& ч\\\Ч<\

100

п о_

I

Ст

Рис. 1

его могла изменяться в диапазоне 1 = Ь/а = 2,75^9,5. Выхлоп осуществлялся в выхлопную трубу большого диаметра.

Рабочее тело—воздух с температурой торможения Г0 = 320-=-340 К и точкой росы — 20°С.

В процессе экспериментов измерялись давления в форкамерах сопл и статическое давление по стенкам канала от среза основного сопла до выходного сечения диффузора, а также в отводной трубе. Измерялись также параметры течения на срезе диффузора. Методы измерений — традиционные. В некоторых экспериментах часть стенок диффузора заменялась оптическими стеклами. Течение наблюдалось и фотографировалось с помощью прибора ИАБ-451. Методика экспериментов подробно изложена в работе [2].

По результатам измерений вычислялись отношения давлений запуска и разрушения рабочего режима (далее — срыв). Полученное отношение давлений нормировалось на отношение давлений по модели прямого скачка уплотнения

^СК - у

Р(ЦРс к

где рск — повышение давления в прямом скачке уплотнения при номинальном числе М в рабочей части. Отношение давлений на соплах вдува Ив = ров1рвых нормировано на отношение давлений И = р0/рВЫх, где р0, ров — давления в форкамерах сопл, рвых — давление в отводной трубе. Относительный расход вдуваемого воздуха подсчитывался как

С = Пв ,

так как коэффициенты расхода сопл близки, а температуры торможения одинаковы.

Число Рейнольдса, подсчитанное по идеальным параметрам потока и длине от горла сопла до входа в диффузор, изменялось в диапазоне чисел Ие= (0,5ч-3) • 106. Меньшие значения относятся к срывным отношениям давлений при интенсивных вдувах.

2. Рассмотрим изменение пусковых и срывных отношений давлений модели с клиновидными соплами вдува Л* =0,8 мм для трех относительных длин диффузора в зависимости от Пв (рис. 2). Светлые значки — срыв, темные — запуск. Отметим основные особенности.

С увеличением Пв заметно снижаются пусковые и срывные отношения давлений. В коротком диффузоре достигаются отношения давлений по модели прямого скачка уплотнения, гистерезис практически отсутствует. В длинном диффузоре минимальные рабочие отношения давлений составили 0,35ПСК. Срывные отношения давлений стремятся к некоторому пределу при возрастании Пв. Без вдува (Пв~0) пусковые отношения давлений плоского канала приближаются к аналогичным данным для аэродинамических труб.

Улучшение запуска каналов без вдува с выступающими в поток неработающими соплами вдува отмечалось в работе [2]. Выступающие сопла являются своеобразными инициаторами начала псевдоскачка и увеличивают интенсивность первых Х-образных скачков в диффузоре.

Пусковые отношения давлений увеличиваются в модели с соплами вдува в виде ступенек по потоку (рис. 3). При Пв^О пусковые отношения давлений оказываются столь высокими, что осуществить полный запуск и ликвидировать отрывы потока в рабочей части не удалось из-за ограниченных возможностей стенда. При наличии вдува

отношение давлений запуска снизилось, но осталось существенно больше, чем в модели с соплами-клиньями. Расширение горла диффузора приводит к дополнительному разгону потока и увеличению длины псевдоскачка. Гистерезис течения в этой модели практически отсутствует.

Рассмотрим влияние размеров сопл вдува на пусковые и срыв-ные отношения давлений, а также экономичность вдува. На рис. 4 приведены кривые изменения П в зависимости от относительного расхода вдува модели с соплами-клиньями (^*=0,5 мм — кривые 1 и 4; /г* =0,8 мм — кривые 2 и 3). В коротких диффузорах с большими соплами одни и те же отношения давлений достигаются при меньших значениях относительного расхода и Пв (кривые 1 и 2). Длинный диффузор / = 9,5 с соплами вдува /г* =0,5 мм без вдува имеет худшие характеристики в сравнении с диффузором, в котором установлены сопла с Л* =0,8 мм. При вдуве через большие сопла диффузор склонен запираться при запуске, поэтому в области интенсивных вдувов диффузор с малыми соплами обладает несколько лучшими характеристиками, но гистерезис в нем мал. Диффузор с большими соплами вдува имеет глубокий гистерезис, поэтому на минимальных рабочих отношениях давлений оказывается экономичнее.

Вдуваемые струи выполняют двойную роль. Во-первых, высоко-энергетичные струи устраняют или затягивают отрывные течения в диффузоре, а также локализуют их при движении начала отрывных течений вверх по потоку при дросселировании канала. Во-вторых, вдуваемые струи регулируют горло диффузора газодинамическим способом.

Число М вдуваемой струи должно быть несколько больше числа М основного потока над струей. Это способствует безотрывному течению вдуваемых струй в диффузоре. Но для существования безотрывного течения во всем диффузоре этого недостаточно. Необходимо, чтобы вдуваемые струи поджимали основной поток. Если расход вдува недостаточен, то при дросселировании канала вдуваемые струи отрываются от стенок и становятся частью вязкого струйного слоя. По мере дросселирования канала это отрывное течение продвигается к срезу сопл вдува. В коротких диффузорах струи отрываются от стенок почти сразу за срезом сопл вдува, что'является следствием очень больших градиентов давления коротких диффузорах. В длинных диффузорах, достаточных для размещения псевдоскачка, градиенты давления уменьшаются, поэтому становится возможным полностью безотрывное течение. Оценим параметры вдува при таком течении.

Профиль чисел М на срезе диффузора в предельном случае близок к_ профилю турбулентного течения в трубах и зависит от отношений Пв и П. При П<1 и Пв>1 число М в ядре потока близко к 1.

Расчетная схема приведена на рис. 5. Пусть в сечении I поток не имеет пограничного слоя или его толщина много меньше высоты канала. Основной поток поджимается, а вдуваемый поток занимает оставшуюся площадь. Процессами смешения на границах основного и вдуваемого потоков, а также силовым воздействием друг на друга пренебрежем.

Относительную площадь поджатия занимаемую основным потоком, определим из уравнения расхода, записанного через газодинамические функции

Ч 0-\)

■* Ч (*г) о

Рис. 5

Выразив коэффициент восстановления давления о через отношение давлений на устройстве, получим

Запишем уравнение сохранения полного импульса для вдуваемых струй через параметры в критическом сечении сопл вдува и на срезе диффузора

где /%. отношение площади критических сечений сопл вдува к площади поперечного сечения рабочей части; ИТ = 1 — ,

где о — толщина струи на срезе диффузора. Подставив значение / из уравнения (1) в уравнение (2) и проделав преобразования, получим

При тангенциальном вдуве и П<1 скорость в ядре потока трансзвуковая. Величины хМг//Г и р (Ц)/? (^2) в диапазоне чисел М=0,8-И,5 изменяются несущественно, поэтому в практических оценках можно принять М2=1. Аналитические зависимости для вычисления параметра #2 приводятся в работе [3]. Для турбулентного пограничного слоя при М= 1, и= 1,4 и Нг = 0,8 формула (3) примет вид

Если вдув осуществляется через сопла в виде ступенек по потоку, то формула (4) применима непосредственно. В диффузорах с соплами вдува в виде клиньев на плоскости вместо 9(^,1) нужно подставлять

0)

Ров Р(1)Р* (1 4- х) — (р2ы!/^2 +Р2) (1 —/),

(2)

_ _ *.мН/С+1 Г 1

5 П = 22 1

* в />(!)(%+1) I <7 (X,) П

рО- 2) <7(*2)

(3)

(4)

значение расходной функции за косым скачком уплотнения, генерируемого передними гранями сопл вдува.

Формула (4) определяет произведение Пв5*, при этом остается неопределенность .в выборе минимального значения Пв или максимального размера критических сечений сопл вдува.

Минимальные значения Пв или максимальное значение 5*, при котором можно осуществить запуск с помощью упреждающего вдува, с удовлетворительной для практики точностью определяется из формулы

5*=[—ятя--------0,88] — ,

* I д (*) пск ' \ р ’

где рх/р — отношение давлений в косом скачке, генерируемом входом диффузора; ^(Я)—значение функции за косым скачком; Пск — отношение давлений на устройстве по модели прямого скачка.

В коротких диффузорах К6 размеры сопл могут быть больше определенных по формуле (5). Поджатие диффузора, сформированное соплами вдува, не должно превышать поджатая, определенного по модели прямого скачка. Отношение площадей критических сечений и •среза сопл вдува может быть в несколько раз меньше, чем аналогичное отношение для основного сопла. В этом случае сопла вдува выходят на расчетный режим истечения уже в процессе запуска трубы. После запуска на рабочем режиме за соплами вдува образуются сла-бонедорасширенные струи, границы которых являются своеобразными жидкими стенками, образующими поджатие диффузора.

Сравнение расчета по формуле (4) и экспериментальных данных приведено на рис. 5. Кривая 1 — результат расчета для модели с соплами вдува в виде ступенек по потоку, кривая 2— модель с соплами вдува в виде клиньев на плоскости. Точки — экспериментальные данные для срывных отношений давлений (см. рис. 2 и 3) моделей с диффузорами 1 = 9,5. Кривая 3— расчет для числа М=10, х=1,4. Повышение давления в косых скачках — в 1,8 раза. Сравнение расчетных данных и экспериментальных показывает удовлетворительное их соответствие.

В испытаниях высотных двигателей [3] применяют охлаждаемые водой диффузоры. Расход воды оказывается сравнимым с расходом газа через диффузор. В случае применения диффузора с тангенциальным вдувом холодного газа температура стенки диффузора может быть низкой. Оценим эту температуру из уравнения баланса тепла, считая, что в конце длинного диффузора произошло полное смешение потоков, стенка теплоизолирована, потоки не реагируют, а их теплоемкости одинаковы:

т0 1 + 0

При температуре торможения основного потока Го = 3000К, температуре торможения вдуваемого потока Г = 300К и относительном расходе вдува 6 = 3 температура стенки не превысит 1000 К, что допускает применение традиционных сталей.

По внешним признакам система тангенциального вдува напоминает типичный эжектор. Принципиальное отличие в том, что физиче-

ская скорость вдуваемого потока может быть много ниже скорости основного потока. Система тангенциального вдува работает как эжектор лишь в начальной стадии процесса запуска.

ЛИТЕРАТУРА

1. Андерсон Дж. Газодинамические лазеры. — М.: Мир, 1979.

2. Ш у ш и н Н. А. Экспериментальное исследование запуска плоских сверхзвуковых аэродинамических труб с полостями в рабочей части и вдувом газа в диффузор. — Труды ЦАГИ, 1984, вып. 2208.

3. Ш у ш и н Н. А. О вычислении условных толщин пограничного слоя. — Изв. ВУЗов, Авиационная техника, 1986, № 3.

4. Ш и ш к о в А. А., Силин Б. М., Высотные испытания реактивных двигателей. — М.: Машиностроение, 1985.

Рукопись поступила 4/ХП 1986 г.