CC BY
63
________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ
Том XVIII 1987
№ I
УДК 629.735.33.015.3.062.4
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЦИЛИНДРА И СТРУИ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ, ВЫДУВАЕМОЙ ТАНГЕНЦИАЛЬНО К ЕГО ПОВЕРХНОСТИ
А. Н. Висков, Ю. А. Горелов, Н. М. Митрохин
Экспериментально исследованы способы усиления эффекта прилипания струи к цилиндрической поверхности в условиях, когда эффект Коанда не реализуется. Показано, что выдув управляющей струи, образование герметичной полости под струей и установка перегородок значительно усиливают эффект прилипания струи и увеличивают эффективный угол ее отклонения на Д0»*15о-^25° даже при наличии значительного удаления нижней кромки сопла от поверхности цилиндра.
В работе [1] экспериментально изучались условия реализации течения Коанда на примере взаимодействия плоских струй с поверхностью кругового цилиндра. Были выявлены пределы реализации эффекта Коанда по величине относительных давлений в форкамере ро/ра и относительных параметров толщины струи (б//?ц) и величины зазора (Д/Яц). Однако результаты, полученные в работе [1], применимы к сугубо плоским течениям, которые могут реализоваться лишь при ширине сопла В, значительно большей его высоты б.
Несомненный интерес для практических целей представляют исследования
взаимодействия струй ограниченной ширины Ас = —< оо. Развивающееся в этих
случаях взаимодействие носит сложный пространственный характерна границы его реализации по параметрам р01ра = /(&/#; &1Ю не соответствуют плоским течениям, рассмотренным в работе [1].
1. Исследования проводились на установке (рис. 1), состоящей из кругового цилиндра (Яц= 100 мм, /ц = 160 мм), установленного на двухкомпонентных тензовесах, соединенных с высокочувствительным регистратором типа Луч-4. Среднеквадратическая ошибка статических измерений в рабочем диапазоне измеряемых нагрузок (от 20 до 300 Н) на таком измерительно-регистрационном комплексе составляла около
0,05%. Но в процессе испытаний, вследствие пульсаций струйно-вихревого течения, приводивших к колебаниям цилиндра на тензовесах, точность измерений понижалась примерно до 1—2%. Величина тяги струи определялась по измеренным параметрам течения р0, ра, То на срезе сопла и в форкамере и известным газодинамическим соотношениям (см., например, [2]). Такая методика определения тяги неоднократно проверялась непосредственными измерениями на аэродинамических весах и тензо-метрических дисках и является достаточно надежной и точной.
Тяга сопла использовалась при вычислении относительных величин горизонтальной Хп = Х111Т и вертикальной Уц= Уи1Т составляющих полной аэродинамической силы, действующей на цилиндр, и эффективного угла поворота струи 6Ср, определяющегося как ап'.^(У^Х^), где Уъ = Уц —вертикальная, а Х% = = Т — Хц — горизонтальная составляющие суммарной силы, действующей на систему .цилиндр + сопло“.
Серим испытаний, проведенных с обоими вариантами сопл при различных удалениях Л//? от поверхности цилиндра, показала, что даже при отсутствии зазора Д/У?=0 струя не прилипает к его поверхности, хотя параметры 6/Л=0,29 для первого и 0,172 для второго сопла находятся, согласно работе [1], в диапазоне, возможном для реализации течения Коанда. Индуцируемые при этом струей аэродинамические силы на цилиндре малы и характеризуются небольшими (0Ср = 1°-ь6°) эффективными углами ее отклонения.
Контрольные измерения гребенкой насадков полных давлений профиля скоростных напоров качественно подтвердили, что струя ведет себя при всех значениях отношения ZS.fR практически как свободная струя. Средние эффективные углы отклонения струи, вытекающей из сопла с Хс = 6, по сравнению со струей, вытекающей из сопла с Хс = 2,0, увеличиваются примерно вдвое. Но эффекта прилипания даже этой более тонкой струи к цилиндру удалось добиться, только осуществив при Д//?=0 наклон оси сопла в сторону цилиндрической поверхности на угол <р»3°. В этом случае спектры течения масляной пленки, полученные по фотографиям течения на цилиндрической поверхности (рис. 2, а), свидетельствуют о сложном пространственном течении в области отрыва *. На участке поверхности цилиндра до угла {3=50° наблюдаются следы интенсивного подсоса окружающего воздуха с боков струи и образования, в результате этого взаимодействия, мощного вихря на нижней поверхности струи. Прилипание струи сохраняется до угла |3«85°. Отрыв струи от цилиндрической поверхности при увеличении давления в форкамере, как и в плоском течении, описанном в работе [Д наступает внезапно и мгновенно распространяется до сопла, а аэродинамические силы, действующие на цилиндр, скачкообразно изменяются.
2. Одним из способов усиления эффекта прилипания струи к цилиндрической поверхности является поперечный выдув управляющей струи малого диаметра в пограничный слой основной струи со стороны ее нижней поверхности (рис. 2, б). В результате этого струи, которые раньше вообще не прилипали к поверхности, как это имело место в опытах с соплами Яс = 2 и 6, начинают к ней прилипать и отрываются
* Фотографирование спектров течения проводилось следующим образом: поверхность цилиндра обтягивалась тонкой лентой белой жести, на которую тампоном наносилось масляно-сажевое покрытие. После образования на Поверхности устойчивой картины течения стальной лист расправлялся на плоскости и фотографировался.
лишь на значительном удалении от сопла. При этом на цилиндре возникает вертикальная составляющая силы ДУ, монотонно возрастающая с ростом импульса управляющей струи.
Выдув поперечной струи наиболее эффективен в начальном сечении выходящей струи. Спектры масляной пленки (см. рис. 2, б) и измерения следа струи показывают, что односторонний выдув управляющей струи вызывает общее боковое смещение максимума скоростных напоров смешавшихся струй в сторону сопла выдува управляющей струи. Несмотря на определенную эффективность, односторонний боковой выдув струи, по-видимому, не является оптимальным. Очевидно, более эффективным
Спектры течения масляной пленки на развертке поверхности цилиндра (сопло ту
Гранат
оконча-
тельного
отрыва
струи
Зазор К=0\ струя направяена к цилиндру подуглом~3° Наблюдаются прилипание в зонах фиф
Односторонний вдув управляющей^ струи. Найлндается боковой снос и прилипание і зоной интенсивного вихревого течения ф
В зазоре А=0,08ЯК установлен герметик Прилипание в зонах ф и в иентре за ли -нией ветвления
Рис. 2
Установлены боковые /. регородки, в зазоре й-, не та я Прилипание -
в ЗОН! ©
способом будет выдув поперечных струй в противоположных направлениях от середины струи, т. е. от вертикальной плоскости симметрии основной струи. При таком выдуве поперечных струй эффект бокового подсасывания должен ослабляться, и, следовательно, усилится эффект прилипания струи к поверхности цилиндра; устранится и боковое смещение струи.
В данных опытах выдув управляющей струи осуществлялся с одной стороны из круглого конического сопла диаметром ^п=6 мм в направлении, перпендикулярном К! основной струе. Относительное расположение основного и управляющего сопла
показано на рис. 3. Рост интенсивности выдувания (Т = Гупр/^осн) приводит к увеличению приростов не только подъемной силы ДУ=ДК/70СН (рис. 3), но и к увеличению эффективных углов отклонения струи вср (рис. 4).
Наибольшие значения А У и 0ср получены при величинах зазора Д/У?» 0,06, близких к величине относительного диаметра управляющей струи с!п/{(=0,06, т. е. когда управляющая струя целиком перекрывает зазор Д. Так как при Д <йп управляющая струя может оказывать задерживающее влияние на истечение основной струи, исследования при меньших зазорах не проводились.
Расположение сопла
С увеличением зазора эффективный угол отклонения струи 0ср уменьшается, и при Д/У?«0,13-^0,15, т. е. несколько больших двух диаметров управляющей струи, основная струя внезапно отрывается от цилиндра. Воздействие управляющей струи на величину эффективного угла отклонения струй с Яь=2 и 6 показано на рис. 4.
Другим способом усиления эффекта прилипания струи ограниченного удлинения к цилиндрической поверхности является образование герметичной полости под струей путем организации небольшого уступа (герметизации зазора Д) при условии одновременной установки перегородок со стороны боковых стенок сопла.
Исследование влияния уступа и зазора Д при вытекании плоских струй Хс — оо, экранированных с этой целью торцевыми шайбами, выполнено в работе [3]. Ее авторы обнаружили, что при наличии уступа предельные углы отклонения струи увеличиваются, но при этом несколько возрастают потери эффективного импульса струи, для уменьшения которых рекомендуется сохранение зазора между струей и цилиндром. В отличие от плоских струй (кс = оо) эксперименты со струями ограниченного удлинения (Хс=2 и 6) показали, что при наличии даже небольшой щели в области уступа или разгерметизации зазора Д, струя отрывается от цилиндра и течение Коанда вообще не реализуется. Поэтому необходима полная герметизация области' под струей, где возникают большие разрежения.
Для сохранения возможности проведения весовых измерений сил, действующих на цилиндр, герметизация области под струей в зазоре Д осуществлялась при помощи поролоновой прокладки, оказывающей незначительное влияние на показания тензо-весов, но достаточно надежно устраняющей подтекание воздуха с тыльной стороны
сопла под струю. Боковые перегородки устанавливались на цилиндр практически без зазора и плотно примыкали к боковым стенкам сопла и поролоновой прокладке. Эксперименты показали, что только герметизация щели А у сопла %с=& вызывает увеличение вертикальной силы ДУ на 0,18—0,2 от величины импульса струи и среднего эффективного угла ее отклонения на 10°—12°. Ограничение подтекания воздуха-в струю также и со стороны ее боковых границ с помощью установки перегородок приводит к дальнейшему повышению эффективности прилипания и отклонения струи.-Эффективность перегородок определяется их геометрическими параметрами: относительной длиной /„ =-----------—____ и относительной высотой Лп = —.
(8 + Д) (5 + Д)
Боковая
перегородка
, Рис. 4
Результаты испытаний показали, что величина угла отклонения струи практически линейно увеличивается с ростом высоты перегородок до кп=0,8+0,9, затем темп приращения угла 0ср резко падает и дальнейшее увеличение высоты перегородок йп>1,0 практически не оказывает влияния на величину 0ср. Таким образом, оптимальная высота боковых перегородок практически равна сумме высот сопла и щели
6-ЬД. _
Влияние удлинения перегородок заметно проявляется в пределах 0</п<2,0. При увеличении относительной длины перегородок свыше /п = 2,0 темп приращения угла отклонения струи заметно уменьшается. Поэтому выполнение боковых перегородок с длиной, равной двум—трем высотам сопла и щели /ц» (2+3) (6+Д), позволяет почти полностью использовать возможности увеличения вертикальной силы У и углов отклонения струи 0ср, характеризующих эффективность ее прилипания к поверхности цилиндра. __
Струя, вытекающая из сопла Яс=6 при Д/Л=0,02+0,05, с перегородками Лп = 1,4 и /п = 2,3, обеспечивает появление на цилиндре вертикальной силы, равной —60% от
импульса струи, и изменение эффективного угла ее отклонения на 0ср«35о, а струя с удлинением Хс = 2— на 32% и 20° соответственно (см. рис. 4).
На рис. 2, в и г приведены схемы развертки спектров течения жидкостной пленки на поверхности цилиндра (сопло Я,0 =6; Д//?=0,02; рп=0,87 ати) с перегородками (Лп=1,3; /п=2,3) и без Них, свидетельствующие о наличии вихревого течения в зоне под струей, вызывающего в ней скопление жидкости, появление линий раздела и возвратного течения в эту зону, обширной зоны полного прилипания струи к поверхности при наличии перегородок (до углов Р«80°-ь90°) и постепенно сужающейся зоны частичного прилипания по оси симметрии струи, заканчивающейся характерным вихревым отрывом в области углов 120°+150°.
Таким образом, описанные способы поперечного выдува управляющей струи и герметизации полости под струей позволяют существенно расширить возможности использования эффекта прилипания реактивных струй к несущим поверхностям для повышения подъемной силы летательных аппаратов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Соколова И. Н. Экспериментальное исследование пределов реализации течения Коанда. — Ученые записки ЦАГИ, 1983, т. XIV, № 4.
2. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика.—М.: Наука,
1969.
3. Ж у л е в Ю. Г., Макаров В. А. Исследование потерь импульса щелевой струи, распространяющейся вдоль криволинейной поверхности. — Ученые записки ЦАГИ, 1982, т. XIII, № 5.
Рукопись поступила 6/VII 1984 г.
