CC BY
33
Ут"А С.В. ГРЯЗНОВ
В.И. КУЗНЕЦОВ Д.Д. ШПЛКОВСКИЙ
Омский государственный технический университет
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУИ С ТУПИКОВОЙ
ПОЛОСТЬЮ, РАСПОЛОЖЕННОЙ
ПОД УГЛОМ К ЕЁ ОСИ_
Проведены экспериментальные исследования аэродинамического нагрева тупиковой полости, взаимодействующей со сверхзвуковой недорасширенной струей воздуха. Эксперименты были проведены при размещении оси симметрии полости под различными углами к оси сверхзвуковой струи. Выявлена взаимосвязь между положением полости относительно сверхзвуковой струи и интенсивностью нагрева воздуха внутри полости. Обнаружен неизвестный ранее эффект охлаждения стенок полости в области входного отверстия.
Тепловые эффекты, возникающие при взаимодействии соосно расположенной сверхзвуковой недорасширенной струи и сильно удлиненной тупиковой полости, были экспериментально исследованы в работах [1-5], Как правило, полость, выполненная в виде цилиндра, конуса с малым углом при вершине или призмы имела теплоизоляцию по наружным стенкам и острые входные кромки, срезанные под прямым углом коси. Теоретические модели автоколебательного процесса и нагрева газа внутри полости содержатся в работах [1], [5]. В настоящее время сведения об экспериментальных работах по исследованию взаимодействия глубокой тупиковой полости со сверхзвуковой струей, когда ось полости расположена под углом к оси струи отсутствуют в литературе. Не изучено также влияние теплообмена с окружающей средой на колебательный процесс внутри полости и интенсивность тепловыделения.
Объектом данного исследования является модель тупиковой полости с квадратным поперечным сечением, взаимодействующая открытым концом со сверхзвуковой недорасширенной струей воздуха. Модель тупиковой полости представляет собой соединенный с помощью болтов металлический корпус и крышку. Для изготовления модели использована конструкционная сталь 45. Проточенный продольный паз в корпусе с квадратным поперечным сечением закрытый крышкой формирует канал тупиковой полости. Длина канала полости вдоль оси симметрии ¿т- = 0.223 м, сторона квадратного попе-
речного сечения а = 0.0085 м. Модель полости имеет у входного отверстия пластину, закрепленную контактной сваркой, представляющую собой некоторую направляющей плоскость. Угол среза входных кромок полости <р = 30°. Сверхзвуковой поток воздуха формируется квадратным соплом с размерами поперечного сечения на срезе 12x12 мм. Полное давление на срезе сопла в ходе экспериментов варьировалось в диапазоне Р'с = 573.6... 1535.9 кПа, а температура торможения Т'с = 266.8... 288.0 К. Сжатый воздух подавался от компрессорной станции в фор-камеру лабораторной установки соединенную с соплом. Схематично описанные варианты размещения входных кромок модели тупиковой полости относительно среза сопла показаны на рис. 1. В первом варианте модель тупиковой полости передней кромкой направляющей плоскости примыкает к торцу прямоугольного сопла. При этом угол между осью сопла и линией симметрии модели тупиковой полости ан = <р — 30°. Срез сопла располагается на передней кромке прямоугольного входного отверстия тупиковой полости (при этом / = 0). В соответствии с оценочными расчетами такое взаимное расположение сопла и полости позволяет полностью перекрыть сверхзвуковой струей входное отверстие полости, что является одним из обязательных условий эксперимента. Сопло имеет два исполнения: прямой срез сопла к оси — сопло №1 (см. рис. 1) и срез сопла под углом 45° к оси — сопло №2. Сопло №2 располагалось таким образом, чтобы его нижняя кромка со-
Рс*, кПа г;, к т; "'я,К ' К К ■
1535.92 286.94 280.12 6.82 281.45 5.49
1239.29 286.15 279.15 7.00 280.43 5.73
1045.46 287.49 279.83 7.67 279.78 7.72
948.86 287.73 280.35 7.38 279.78 7.96
858848 286.25 280.53 5.73 279.13 7.13
750.05 284.99 278.10 6.89 276.68 8.32
668.27 287.95 282.05 5.90 280.75 7.20
573.59 285.83 280.75 5.08 279.93 5.91
Табл. 1. Температура, измеренная датчиками на входе в полость при ан =30°, ас =90°, (р =30°.
впадала с передней входной кромкой модели тупиковой полости. Во втором варианте использовалось только сопло №1, расположенное соосно с осью симметрии модели тупиковой полости ан = 0°. При этом расстояние от среза сопла до передней кромки входного отверстия было выбрано / = 0.0105 м при Р'с < 980.67 кПа и / > 0.0165 м при Р'с > 980.67 кПа. По предварительным расчетам в обоих случаях входное отверстие модели тупиковой полости попадает внутрь первой «бочки» недорасширенной сверхзвуковой струи. По такой схеме были выполнены эксперименты в работе [4]. Размеры полости а , ¿г ■ выбраны таким образом, чтобы эквивалентный диаметр полости с/э = а в поперечном сечении и относительная длина полости ¿т = Ьу I(1э соответствовали диапазону значений, использованных в работах [1], [4], что позволяет провести сопоставление результатов экспериментов.
На входе в полость (в сечении, расположенном на расстоянии 0.0037 м от верхней входной кромки полости) на боковой и нижней стенках размещены две термопары ТХК с теплоизоляцией от стенок, предназначенные для замера температуры неполного торможения потока. Температура измеренная термопарой расположенной на боковой стенки обозначена 1В , а на нижней стенке 1Н . Для замеров пульсаций давления у закрытого торца полости на боковой стенке помещен датчик давления ДДИ-20, соединенный с каналом полости через специально спроектированный переходник. Ось датчика перпендикулярна оси симметрии полости и находится на расстоянии 0.004 м от закрытого торца. Методология измерения амплитуды пульсаций давления с использованием переходника приведены в работе [6). Датчик ДДИ-20 с переходником позволял определять только амплитуду пульсаций давления и частоту основного тона. Форму сигнала и спектральный анализ достоверно провести не представляется возможным из-за влияния переходни-
ка. Вдоль верхней стенки тупиковой полости равномерно размещены 7 термопар ТХК на расстоянии 0.03 м относительно друг друга для определения температуры на поверхности стенки полости tx . Замеры распределения температуры вдоль стенки тупиковой полости и пульсаций давления у закрытого торца производились при стационарном теплообмене с окружающей средой при неизменной температуре.
Результаты экспериментов представлены в виде графических зависимостей вида AT = fyP\>аи > х) • где величина AT* = T'c-tx. а параметр .г = х/Lr - относительное расстояние, отсчитываемое по оси симметрии тупиковой полости от входных кромок до датчика температуры по верхней стенке полости.
Зависимости AT' = f{P,au, х) , полученные с установленным переходником при различных сочетаниях параметров ан , и ас приведены на рисунках 2...5. Во всех случаях рост полного давления на срезе сопла Р[ сопровождается ростом AT'. Сопоставление полученных зависимостей при близких значениях Р'с и Т'с показало уменьшение величины ду-* при уменьшении ас , то есть при отклонении потока от оси симметрии сопла во внутрь полости. Одновременно уменьшение ас от 90 к 45 градусам сопровождается уменьшением температуры измеряемой датчиками, расположенными в области входа тупиковой полости, что отражено в таблицах 1 -3. Наименьшие значения величин tB и 1„ по отношению к Т' достигаются при сочетании параметров ан = 30°, ас = 45°, наибольшие при соосном расположении сопла и модели тупиковой полости ан = 0°, ас = 90°. Особенностью течения воздуха в области входа тупиковой полости при ан = 30°, <*с — 45° является расслоение получаемых зависимостей ДГ' = f\P'e,aH,x) по температуре потока на срезе сопла Г*, чего не наблюдается при других сочетаниях параметров ан и ас . Подобное явление не отмечается другими исследователями и требует
Р*с , кПа т* тс, к tB, к Тс -tB , К T*c-tB ,К
1241.47 277.96 274.00 3.96 270.65 7.31
1052.31 277.24 273.55 3.69 269.95 7.29
951.77 277.55 274.95 2.60 270.8 6.75
859.31 284.13 279.05 5.08 277.65 6.48
765.19 284.26 278.30 5.96 276.85 7.41
765.19 285.53 279.35 6.18 277.95 7.58
759.10 265.19 270.68 -5.49 266.00 -0.81
668.29 281.93 277.15 4.78 275.65 6.28
582.42 276.64 274.42 2.22 270.82 5.82
582.39 270.62 271.45 -0.83 268.13 2.49
581.25 282.81 278.10 4.71 276.65 6.16
Табл. 2. Температура, измеренная датчиками на входе в полость при ан =30', ас =45°, (р = 30'
/ , м Р*с , кПа Т*с, к h>K Т'с 4в ■ к h - к Тс -iB , К
0.0233 1536.56 279.98 281.58 -1.60 277.98 2.00
0.0165 1387.20 276.22 278.15 -1.93 273.88 2.34
0.0165 1247.15 277.08 279.92 -2.84 276.28 0.80
0.0105 951.73 279.36 281.45 -2.09 279.05 0.31
0.0233 1387.86 267.93 272.15 -4.22 265.98 1.95
0.0184 1241.93 270.07 271.65 -1.58 265.68 4.39
0.0105 1050.90 270.49 274.98 -4.49 270.88 -0 39
0.0105 983.00 266.75 271.98 -5.23 267.12 -0.37
Табл. 3. Температура, измеренная датчиками на входе в полость при ан =0°, ас =90' <р =зо°
Варганг 1 ( J =0)
Вфктг2(а.к= 0)
Рис. 1. Размещение входных кромок модели тупиковой полости относительно среза сопла: 1 - сопло № 2; 2 - сопло № 1; 3 - металлическая стенка полости; 4 - канал полости; 5 — направляющая плоскость
ДТ",^.
50 45 40 35 30 25 20 15 10
-5
-10
А- РГ= 1535.92 хП* ■ о- Е?= 1239.29 г Па ■ , - РГ= 1045:46 *Па - о- Й"= 948.86 *П» о-РГ= 750.05 кПа "4-Р?-66827 кПа 4 - Р?= 573.59 нПа
Рис. 2. Зависимость АТ' = /Щ,ан,х), при ан =30°, ас =90°, <р =30°, Г* = 285.0 ...288.0К. ДР-.Х
25
20
15
10
1 1 1 л -Р?» 951.77 кП» о-Р?» 105231 *П4 о-Р? «1241.47 кПа
£
у //
0.1 / и 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
Рис. 3. Зависимость Д7" = ]\Рс>аН'х!' при ан =30", ас = 45°, <Р =30°, г; = 277.6К
проверки и теоретического подтверждения. Поскольку ас и ан определяют характер течения на входе в тупиковую полость (поле скоростей потока, интенсивность вихреобразования и т.п.), то на основе полученных данных можно сделать вывод об их влиянии на энергообмен между моделью тупиковой полости и внешней сверхзвуковой струей.
Особенностью данных полученных при ан =0", ас = 90" (см. рис. 5, 6) является наименьшие величины д7"' по сравнению с другими вариантами сочетаний параметров ан и ас при близких значениях и Тс, а так же на порядок меньшие, чем в [1], [4]. Это может объясняться наличием теплообмена с окружающей средой, которому способствует выбранный материал модели тупиковой полости — сталь 45. При размещении модели под углом ан = 30" наружные
дт^-с
20 15
10
А- 755.19 *Па О- 765.2 кПа о- Р*= 859.31 *Па
0.1
О.Э
21
СГГ
ОТ"
о.б
ВТ"
0.8
ОТ
Рис. 4. Зависимость АТ' = / (/{*, ан, лг),
ДТ* "С
25 20 15 10
-5
-10
и 1 1 ■ а - Р?- 153655 кПа а - К"» 138720 *Па «,-р;= 1247.15 кПа
/
01 { о.З 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Рис.5.Зависимость АТ" = при ан =30", ас =45°, <р =30°,Д- ГС' = 279.9К, □ - Т' = 276.2 К, 0 - Т'с = 277.1 К
Рис.6.Зависимость АТ' =
при ан =0°, ас =90°, <р = 30°, Д- Т"с = 267.9 К, □ - Г* = 270.1 К, 0 - Т" = 270.5 К,о - Т* = 266.8 К
ЗА, Kill
1100 1000 »00 800 700 600 500 400 300
300
у ж-
У /
d- rS38667 К J /
V Л
/ /
/
У
•f /
2А, хПа
500 430 400 350 300 250 200 150 100
>
<l - TN 283.73 К о- 1Î- 27735 К
Л' / г
/ /1 J
« / /
500
1100
F?, кПа
Рис. 7. Зависимость 2 А = /(/£, ан ), при ан =30°, ас =90°, <р =30'
стенки ее корпуса расположены ниже оси сопла и практически не взаимодействуют со сверхзвуковой струей двигающейся по направляющей плоскости. В этом случае имеет место свободный конвективный теплообмен. При соосном размещении сопла и модели эжектируемый сверхзвуковой струей поток воздуха обтекает наружные стенки модели и коэффициент теплопередачи в окружающую среду может возрасти в несколько раз.
Удвоенная амплитуд а пульсаций давления 2 А у закрытого торца полости для ан = 30°, ас = 90° и для ан = 30°, ас - 45" представлена на рис. 7,8. Для случая ан = 30°, ас = 90° удвоенная амплитуда пульсаций 2 А возрастает монотонно с увеличением р'. При этом изгиб кривой в середине графика при Р' = 750.05...948.86 кПа может быть связан с изменением положения кон-фшурации скачков уплотнения относительно кромок входного отверстия полости при переходе к его полному перекрытию ядром сверхзвукового потока. Для случая ан — 30°, ас = 90° удвоенная амплитуда пульсаций 2A также возрастает с увеличением , но имеет место расслоение графических зависимостей с изменением Т[. Наблюдается снижение удвоенной амплитуды пульсаций 2А с увеличением температуры торможения сверхзвуковой струи т'с. Сопоставление полученных зависимостей 2 А = f\P^,aH) при различных ас показывает уменьшение удвоенной амплитуды пульсаций давления с переходом от прямого среза сопла к ас = 45°. Это свидетельствует об уменьшении передаваемой механической энергии от струи внутрь полости и согласуется с изменениями зависимостей Д Т' = f[P',aH,xl
Измеренные частоты пульсаций давления / внутри полости для ан = 30°, ас = 90° и для ан = 30°, ас = 45° практически соответствуют расчетной величине собственной частоты колебаний столба воздуха внутри полости, определяемой по средней температуре воздуха и эквивалентной длине полости Ьэ = Lf + 0.5d3ctg<p + 0.4d3 .
Отклонение оси сверхзвуковой струи от оси симметрии полости с последующей закруткой потока в области входного отверстия не только резко снижает тепловыделение около закрытого торца полости, но и приводит к охлаждению воздуха стенок полости на входе значительно ниже температуры торможения внешней струи и температуры окружающего воздуха. Полученный результат нельзя объяснить только отсутствием теплоизоляции. Указанные явления происходят при сохранении интенсивного автоколебательного процесса внутри полости, который при со-
Рис.8.Зависимость 2A = f[Pç,aH), при ан =30°, ас =45°, ф =30°
хранении условий эксперимента [4] должен был привести к значительному нагреву стенок при AT = 460...950 К. Полученные результаты обладают новизной и расширяют представление о физической картине взаимодействия сверхзвуковой струи с сильно удлиненной тупиковой полостью. Поэтому они должны быть использованы при создании математических моделей нестационарного течения газа внутри конструктивных элементов в виде тупиковых полостей. Кроме того, полученные результаты могут быть полезными при создании методик аэродинамических и прочностных расчетов летательных аппаратов, а также при проектировании проточной части авиационного двигателя.
Библиографический Список
1. Елисеев Ю.Б. Об эффекте повышения температуры торможения при обтекании газом глубоких полостей. / Ю.Б. Елисеев,
A.Я. Черкез. Механика жидкости и газа. - 1971. - №3. - С. 8-18,
2. Елисеев Ю.Б. Экспериментальное исследование аномального аэродинамического нагрева тел с глубокой полостью / Ю.Б. Елисеев, А.Я. Черкез. Механика жидкости и газа. - 1978.
- № 1. - С. 113-119.
3. Купцов В. М„ Филатов К. Н. Пульсация давления и нагрев газа при втекании сверхзвуковой струи в коническую полость /
B.М.Купцов, К. Н.Филатов. Механика жидкости и газа. - 1981.
- №3. - С. 167- 170.
4. Купцов В.М. Пульсации давления и нагрев газа при втекании сверхзвуковой струи в цилиндрическую полость / В.М. Купцов. Механика жидкости и газа. - 1977. - №5. - С. 104-111.
5. Brocher Е., Maressa С. Etude des phenomenes thermiques dans un tube der Hartmann Sprenger // Intern. J. Heat and Mass Transfer. - 1973. - Vol. 16.3 - №3.
6. Грязнов C.B. Применение переходников при измерении быстропеременных давлений, / C.B. Грязнов, В.И. Кузнецов. Военная техника, вооружение и технологии: Материалы III Международного технологического конгресса (Омск 7-10 июля 2005 г.): В 2ч. - Омск: ОмГТУ, 2005. -Ч.1.-Э41с.
КУЗНЕЦОВ Виктор Иванович, д. т. н„ профессор кафедры «Авиа- и ракетостроение». ГРЯЗНОВ Сергей Васильевич, инженер ТСО ОмГТУ. ШПАКОВСКИЙ Денис Данилович, к.т.н., инженер-конструктор 1-й категории ОАО «Омское моторостроительное конструкторское бюро».
Дата поступления статьи в редакцию: 15.02.2006 г © Кузнецов В.И., Грязнов C.B. Шпаковский Д.Д.
