CC BY
57
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ
Том XXIV 1993 №4
УДК 532.525.2
ВОЗДЕЙСТВИЕ НА СТРУИ ПРОДОЛЬНЫМИ
ВИХРЯМИ
Г. А. Ганич, Н. А. Гущина, Ю. Г. Жулев, А. Г. Наливайко
Излагаются результаты экспериментальных исследований возможностей воздействия продольными вихрями на свойства струй, истекающих из круглых и прямоугольных сопл.
Возможность влиять на интенсивность размывания затопленных струй, истекающих из осесимметричных сопл, может в ряде случаев представлять значительный практический интерес. В работе [1] при исследовании возможностей воздействия на акустические характеристики струи было обнаружено, что два небольших ^-образных выреза на кромках сужающегося сопла при сверхкритическом перепаде давления приводят к образованию продольных вихрей, которые могут влиять на форму поперечного сечения струи. Однако заметного увеличения размы-ваемости и воздействия на форму не было получено из-за малых геометрических размеров канавок и, следовательно, слабых продольных вихрей.
В работе [2] исследовались струи с существенно более мощными вихрями, которые образовывались на перфорированных продольными щелями конических приставках к круглым сужающимся соплам. Каждый элемент такой приставки являлся источником парного вихря. Было установлено, что такие вихри уже являются весьма эффективным способом увеличения размываемости и изменения формы поперечного сечения струи. Хотя использованные в работе [2] приставки-вихреобразователи, при которых достигался значительный эффект, имели большие габариты, полученные в этой работе результаты указали на целесообразность более глубокого изучения такого способа управления струями.
Поэтому основной целью настоящей работы явилось:
а) исследование возможностей использования более компактных и простых вихреобразователеи;
б) исследование возможностей воздействия с помощью продольных вихрей на струи, истекающие из прямоугольных сопл.
1. Исследованные формы вихреобразователей показаны на рис. 1 (я — число вихреобразователей). На рис. 1, а даны параметры вихреобразователей, исследованных в работе [2] (в качестве примера на рис. 1, а даны очертания вихреобразующей приставки для и = 3 ,
/7=18° и — = 0,78). На рис. 1,5 даны параметры вихреобразователей, исследованных в настоящей работе (в качестве примеров на рис. 1, б даны очертания вихреобразователей для случаев п = 2, уг = 90°, Р = 60° и л = 1, ¥ = 90°, р = 180°). Выбранное для исследования число вихреобразующих элементов на рис. 1, б обусловлено тем, что в работе [2] наилучшие результаты были получены для и = 2. На рис. 1, в показана конфигурация вихреобразователей для прямоугольного сопла на примере сопла с двумя симметрично расположенными вихреобразователями. На
п=2+8 '18°
Ц = Ч5°+180° Ъ//1=0,11 +0,5 ф В/й-О,.7.6+13
ті = 1+2 Р«70/7° $=90°+180а
*)
№- 7 2 3 Ч 5 6 7 8 9
ті 2 2 1 1 2 0 2 3 Ц
Р 60° 180° 60° 180° 60° 120° 60° 120°
Ф 90° 90° 90° 90° 180° О ш Г71 гт
<1=25мм;к=20мм Рис. 1. Исследованные варианты сопл
»)
777>
ш
Тензовесы Мерная шайба
7777
Рис. 2. Схемы экспериментов
рис. 1 приведена таблица, где пронумерованы все варианты вихре-образователей, для которых проводились измерения полных давлений в поперечных сечениях струй на различных расстояниях от среза сопла (рис. 2, а) и измерения с помощью тензовесов потерь импульса струи от наличия вихреобразователей (рис. 2, в). Для вариантов 6—9 прямоугольного сопла в таблице представлены также схематические рисунки, иллюстрирующие местоположение вихреобразователей (в вариантах 7—9 они делят соответствующие стороны сопла на одинаковые отрезки).
В качестве показателя размываемости струи принималась
зависимость ~ = /(х) при фиксированном значении Р0 / Ра ,
Ра
где Рт, Р0, Ра и х — соответственно измеренные гребенкой приемников полных давлений максимальное полное давление в поперечном сечении струи на расстоянии х от среза сопла, полное давление в выходном сечении сопла, атмосферное давление в момент проведения эксперимента и относительное расстояние сечения от среза сопла (х = х / с/ для осесимметричного сопла и х = х/И для прямоугольного сопла (см. рис. 1)).
В качестве показателя потери импульса принималась зависимость
— = / Л
ид
( \ Л>
где Л и К — соответственно импульс струи, истекаю-
ИД
Ра
/
щей из сопла с вихреобразоватслями, и импульс, подсчитываемый для
идеального сопла без потерь, когда давление перед соплом и расход через него равны измеренным в эксперименте величинам (величина Я определялась как величина тяги, измеренная с помощью тензовесов).
2. Рассмотрим вначале результаты экспериментов для струй, истекающих из круглых сопл.
Наглядная демонстрация возможностей воздействия на струю продольными вихрями представлена на рис. 3 и 4. На рис. 3 представлены результаты визуализации дозвуковых струй для разных количеств вихреобразующих элементов, а также показаны схемы образования продольных вихрей для приведенных форм вихреобразователей (результаты измерений полей давлений и потерь импульса для и = 6 и 3 приведены в работе [2]). Визуализация проводилась с помощью подвода водяного пара в окрестности струи и использования лазерного ножа. Затемненная область на фотографиях предстааляет из себя форму поперечного сечения струи, куда не попадали капельки влаги, на которых рассеивался лазерный луч. Видно, какие сложные формы поперечного сечения струи можно получить с помощью создания в струе продольных вихрей. На рис. 4 представлены теневые фотографии струи при сверхкритическом перепаде на сопле с двумя вихреобразователями для разной их ориентации по отношению к объективу фотоаппарата. Видно, что деформирующее влияние продольных вихрей сохранялось и для нерасчетной сверхзвуковой струи, когда она содержит систему скачков уплотнения.
/ \
На рис. 5 представлены зависимости ——— = /[ —| и —= / —
Ра \4) Л Ра
ИД \ /
для различных вариантов вихреобразователей, а на рис. 6 представлены
примеры полей избыточных давлений Р ~ Рч. в поперечных сечениях
Ра
струи на различных расстояниях от выходного сечения сопла (давление р определялось по показаниям приемников полного давления, см. рис. 2, а). Размер клетки на рис. 6 равен диаметру выходного сечения сопла (его границы показаны на рис. 6 пунктиром). Нанесенные на диаграммах цифры обозначают величины избыточных давлений, для которых построены изобары (минимальная цифра относится к наружной изобаре). Заштрихованные на рис. 5 области соответствуют полученным в работе [2] результатам для вихреобразователей, основные геометрические параметры
которых показаны на рис. 1, а. Число Яе, подсчитанное по диаметру выходного сечения сопла без вихреобразователей {с1 = 25 мм), изменялось от 4,5-104 до 7,1-104.
Из рассмотрения зависимостей рис. 5 и 6 видно, что исследованные формы малогабаритных вихреобразователей позволили при малых потерях импульса струи не только сохранить, но даже существенно увеличить интенсивность размывания струй, достигнутую в работе [2]. Видно также, что переход к одному вихреобразователю позволяет наряду с изменением формы поперечного сечения осуществлять некоторое отклонение оси струи в непосредственной близости от сопла.
Рис. 3. Визуализация формы поперечного сечения струи
16 х/а
——сопло без Вчиреобразобателя • вариант сопла N4
$ ” •’ 2
V » >» J
д ” ” Ч Рис. 5. Изменение максимального избыточного дав-
° "" 5 ления вдоль струи и потери импульса струи
0,01 1,9
0,1 МЛІ
0,5 ЦЯНЯ
ЬО
0,1
0,5 рГ
1,0 ' ) І. V К
1,5 с К-Э
Рис. 6. Поля избыточных полных давлений в поперечном сечении свободной струи
Одним из путей практического использования исследованного способа управления струей является уменьшение силового воздействия струй на преграду. Поэтому представляет интерес вопрос о влиянии преграды на ускорение размываемости струй рассмотренным способом. В связи с этим были проведены также эксперименты, схема которых показана на
рис. 2, б. Было установлено, что при — 2 3 наличие преграды
Ра
практически не отражается на ускорении размываемости струи, вызванном продольными вихрями.,
Все изложенное относилось к свободным затопленным струям. Были также проведены эксперименты, доказавшие принципиальную возможность эффективного воздействия с помощью вихреобразователей и на струю, распространяющуюся вдоль поверхности (хотя конфигурация поперечного сечения в этом случае изменяется не так, какв свободной струе). Для доказательства сказанного на рис. 7 показаны поля избыточных
0,01 0,3
0,05 0,34
0,1 §4
0,2
Рис. 7. Поля избыточных полных давлений в поперечном сечении пристеночной струи
Р0/Ра=1’6
Вариант сопла №9
0,05
1'0 [1 /г
щ
0,01
& \\ Л
Ш (\ (( ярд у/0,5
°>1
*)
Рис. 8. Поля избыточных полных давлений в поперечном сечении струи из прямоугольного сопла
0 4 8 x/h
-------сопло без вихреобразователя
а вариант сопла. № 7
Рис. 9. Изменение максимального избыточного давления вдоль струи из прямоугольного сопла
полных давлений для струи, распространяющейся вдоль плоской поверхности. Поля полных давлений измерялись в сечении, проходящем через конец пластины. На рис. 1, awl, б даны поля избыточных полных давлений для струи из сопла без вихреобразователей (на рис. 7, а для свободной, на рис. 7, б для пристеночной струи), а на рис. 1, в — для простеночной струи из сопла с двумя вихреобразователями (вариант № 5). Представленные на рис. 7 результаты свидетельствуют, в частности, о возможности использования продольных вихрей для интенсификации эффекта Коанда для пристеночной струи, истекающей из круглого сопла.
При экспериментах со струями, истекающими из прямоугольных сопл (рис. 1, в), было установлено, что и для таких сопл вихреобразователи являются мощным средством воздействия на струю. Для примера на рис. 8 представлены поля избыточных давлений в поперечных сечениях струи на различных расстояниях от выходного сечения сопла (его границы
показаны на рис. 8 пунктиром), а на рис. 9 — зависимости = /
Ра
для представленных на рис. 1 вариантов вихреобразователей.
Число Яе, подсчитанное по эквивалентному диаметру выходною
сечения сопла, изменялось от 5,75-104 до 9,1-104 . Видно, что
с помощью вихреобразователей можно уже в непосредственной близости от сопла настолько сильно деформировать струю, что она фактически превращается в две струи (рис. 8, а) или в три струи (рис. 8, б).
Таким образом, в работе показано, что с помощью расположенных в выходном сечении сопла малогабаритных вихреобразователей (которые, в частности, могут осуществляться как убирающиеся элементы конструкции сопла) можно значительно увеличить размываемость свободных и пристеночных струй, истекающих из круглых и прямоугольных сопл, и изменять форму их поперечного сечения при малых потерях импульса струй.
ЛИТЕРАТУРА
1. Pannu S. S., J ohannes е п N. Н. Structure of jets from notched nozzles // J. Fluid Mech.—1976. Vol. 74, pt. 3.
2. Жулев Ю. Г., Наливайко А. Г., Неймарк Р. В., Никитин В. Е. Интенсификация размываемости затопленных осесимметричных струй // Труды ЦАГИ. —1985. Вып. 2276.
Рукопись поступила 12/XI 1992 г.
