Воздействие сверхзвуковой не расчетной струи на плоскую преграду, перпендикулярную оси струи Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И Т о м И 1971

№ 5

УДК 532.525.6

ВОЗДЕЙСТВИЕ СВЕРХЗВУКОВОЙ НЕРАСЧЕТНОЙ СТРУИ НА ПЛОСКУЮ ПРЕГРАДУ, ПЕРПЕНДИКУЛЯРНУЮ ОСИ СТРУИ

М. Ф. Мельникова, Ю. Н. Нестеров

Приводятся результаты экспериментального исследования натекания сверхзвуковой нерасчетной струи на плоскую преграду, установленную перпендикулярно оси струи в непосредственной близости за срезом сопла. Выявлено влияние параметров струи на срезе сопла на газодинамическое воздействие на преграду. Приведены эмпирические формулы для приближенного построения эпюр давления на преграде и указаны границы их применимости.

Газодинамическое воздействие сверхзвуковой струи на преграду определяется числом М на срезе сопла М0, числом [?е, подсчитанным по параметрам на срезе сопла (в проведенных экспериментах на холодном воздухе Ие=(2-ь4)-106), расстоянием х = х/Оа от среза сопла до преграды, отнесенным к диаметру среза

сопла, углом раствора сопла 26а и нерасчетностью струи п=ра}р —отношением » н

статического давления на срезе сопла к давлению окружающей среды. На режимах недорасширения (п>1), перерасширения (л<1) и в случае расчетного истечения (п=1) из конического сопла начальный участок сверхзвуковой струи имеет сложную волновую периодическую структуру [1]—[3]. Параметры в поперечных сечениях струи распределяются существенно неравномерно, что приводит к некоторым особенностям газодинамического взаимодействия струи с преградой.

При натекании недорасширенной струи на плоскую преграду струя тормозится в криволинейном скачке уплотнения, центральная часть которого близка к прямому. Этой части скачка соответствует зона почти постоянного давления на преграде. Подробное описание волновой структуры струи при натекании ее на плоскую преграду дано, например, в работе [4]. На фиг. 1 показаны теневые фотографии картины течения при взаимодействии холодной воздушной струи с плоской преградой и соответствующие этим картинам эпюры давления р=р(г) на преграде, где р =р1ра—измеренное давление на преграде, отнесенное к расчетному статическому давлению на срезе сопла, г=г/га— текущий радиус (отсчитывается от оси струи), отнесенный к радиусу среза сопла. С увеличением расстояния от среза сопла до преграды (в пределах одной .бочки* струи до махов-ской конфигурации) давление в центре быстро падает, между тем как падение интегральной нагрузки на преграду происходит гораздо медленнее из-за выравнивания эпюры давления.

При воздействии на преграду слабо недорасширенных и перерасширенных струй для некоторых значений х. характерны эпюры, приведенные на фиг. 2. В этом случае максимальное давление на преграде смещено от оси струи к периферии и обусловлено торможением потока в системе скачков уплотнения, ко-

торая образуется при взаимодействий „висячих" скачков в струе и скачка перед преградой. Такому виду эпюры соответствует, как правило, нестационарное течение на преграде. Наблюдается эффект, аналогичный эффекту Гартмана [5]. На фиг. 2 показаны два теневых снимка воздействия одной и той же струи на преграду, полученные в разные моменты времени. Из-за колебаний скачка уплотнения перед преградой положение его, зарегистрированное на фотографиях, в разные моменты времени различно. Нестационарность течения в струе перед преградой приводит к появлению возмущений в окружающей среде, которые отчетливо видны на теневых фотографиях.

Ма = 2,52- ва-7°15'

т \ р п - О^У-О р 1а ° 73 > х = 0,32 г =2 14-

и 13 ; -

А

V

Ґ і 99-

У

После удара^ в преграду струя растекается в радиальном направлении. Если перепад давлений между зоной на преграде под скачком уплотнения и окружающей средой сверхкритический, то на преграде образуется сверхзвуковая веерная пристеночная струя, которая также имеет волновую периодическую структуру. В результате перерасширения пристеночной струи на преграде появляются зоны, давление в которых ниже давления окружающей среды (см. фиг. 2).

Параметры в изоэнтропической области недорасширенной струи, заключенной между висячими скачками и диском Маха, не зависят от степени нерасчет-ности. При взаимодействии недорасширенной струи с преградой величина давления на преграде в районе оси струи мало изменяется при изменении п. Начи-

л-1', сс~ 3%5

■И

і о М0=3,71-ва= 12°-л=1-Х~333 у • 2/2 7° 13' 0^6153

/ V

/

\

\

\

Г р*

Ра \

Л \

\ 'Л

ная с некоторого значения я> 1 на преграде появляется область, давление в которой практически не меняется с ростом п—наступает стабилизированный по нерасчетности режим течения. С увеличением я область стабилизированного течения на преграде увеличивается и сохраняется до тех пор, пока поперечные размеры струи не превысят размеров преграды. На фиг. 1 приведены эпюры давления, полученные при х = 0,92 и ряде значений я для воздушной струи с Ма = 2,52. Вблизи оси струи на преграде существует зона, давление в которой почти не изменяется при изменении п с 1,8 до 15. Начиная с я = 7,8 на всей преграде реализуется стабилизированное течение: эпюры давления при я=7,8 и я=15 практически совпадают.

Силовое воздействие струи на преграду зависит, кроме параметров Ма, п, Ьа, х, от физико-химических свойств газа. Результаты измерений давления на преграде при воздействии холодной воздушной струи и струи продуктов сгора- р\ ~ ~ -------------------

ния с %=1,14 и 7'о=2600°К показывают, ^ “а~ ^ Л=3

что при Магор = Махол воздушная струя о М *371''м=7Ь-Т-26йвЯ

дает более высокие значения р. Однако ______________ а * з ,> в п

при соблюдении постоянства параметра О 0 3 • J7] jji/. 2600°К

хМд = const можно получить практичес- $--------------------- J-________________

ки одинаковые эпюры давления на пре- ___________• э 0 (хМ^)г.= (хМа)Х0п

граде. На фиг. 3 сопоставляются экспери- —-----Г"|---------—

ментальные результаты, полученные на

горячей И ХОЛОДНОЙ струях при уело---------------------------------------------

вии Ма гор = Ма ход. Кривая соответствует о

экспериментальным результатам при чис------------------------------------------

ле Ма, найденном из условия (xM^)rop=_______________________х ^

= (*. М^)хол. Здесь и на фиг. 4 данные I

для горячей струи получены совместно -I--------- j-----------j---------—^—s

с О. К. Кудиным. Опыты ‘проводились ' * г

со струей, вытекающей из профилированного сопла с полууглом на выходе Фиг. 3

К = 12°.

Число Ма оказывает существенное влияние на величину давления на преграде^ Например, при увеличении Ма с 2 до 3,71 давление р в центре преграды при л: = 2,5 увеличивается более чем в 6 раз. Представление результатов измерений давления в виде безразмерной величины р——?------------ в исследованном

диапазоне Ма и х позволяет практически исключить влияние Ма и на р. На фиг. 4 показана зависимость р—~р (х) для точки г = 0 преграды, полученная на основании опытов со струями холодного воздуха и горячей струей (7’о=2600°К и х=1,14) на стабилизированном режиме течения.

Р

¥

О 1 2 3 4 х

Фиг. 4

Результаты проведенных опытов позволяют получить простые эмпирические выражения для приближенного определения давления на плоской преграде, находящейся в ближнем поле струи на стабилизированном режиме течения, в диапазоне величин М„ — 2-^4; 0а = 10° -5-12°; г=0-5-4; д:<4. Давление в области

JT =2,s-, ва= 12°; л^З

О М*Зл71'3Н^Т^2дд°/(

> о > О • 3J1 1Jif 2600°Н

• Э О (к Ма ) гар (к Ма )х0л

о о

\ О о

v » Хцв О с

О 1 2 3 « г

Фиг. 3

0<>^1 может быть принято постоянным, равным давлению на оси струи, и найдено по формуле

р = у.м|ехр(— 0,55дс). (I)

Для давления в области 1<г^4 может быть использовано выражение

/» = иМдвхр [— 0,55л:+ 6(1 — г)}, (2)

где Ь— 1,8ехр(— 0,38 х).

X ~3,18

1 •

Наименьшая величина х, при которой возможно применение приведенных формул, определяется безотрывностью течения в сопле. На фиг. 5 показаны эпюры давления, построенные с использованием эмпирических формул (1), (2). Точками нанесены результаты эксперимента. Формулы (1), (2) справедливы для значений п, при которых поперечный размер натекающей струи не превосходит размеры преграды.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гинзбург И. П. Аэрогазодинамика. М., „Высшая школа',

1966.

2. Исследование осесимметричной сверхзвуковой турбулентной струи при истечении из сопла с недорасширением. В сб. „Исследование турбулентных струй воздуха, плазмы и реального газа* под ред. Г. Н. Абрамовича. М., „Машиностроение*, 1967.

3. Авдуевский В. С., Иванов А. В., Карпман И. М., Трасковский В. Д., Юделович М. Я. Течение в сверхзвуковой вязкой недорасширенной струе. МЖГ, 1970, № 3.

4. Исаков A. J1., П о г о р е л о в В. И. Приближенный метод определения минимально допустимого расстояния между соплом и преградой. Изв. высших учебных заведений, „Авиационная техника*,

1968, № 3.

5. Morch К. A. A theory for the mode of operation of the Hartmann air jet generator. J. Fluid Mech., v. 20, pt. 1, 1964.

Рукопись поступила 15/Х 1970 г. Переработанный вариант поступил 3/II 1971 г.