close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование влияния нестационарных возмущений передней отрывной зоны на распределение давления по лобовой поверхности тела и теплопередачу к ней..pdf

код для вставкиСкачать
УЧЕНЫЕ
ТОМ
УДК
ЗАПИСКИ
ЦАГИ
.м
1998
XXIX
1-2
532.526.5.011.7
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ
ВОЗМУЩЕНИЙ ПЕРЕДНЕЙ ОТРЫВНОЙ ЗОНЫ
НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПО ЛОБОВОЙ
ПОВЕРХНОСТИ ТЕЛА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧУ К НЕЙ
В. С. Хлебников
При сверхзвуковых реЖИ~JaХ полета
oTHe:JbHbIC
),lсчеIIТЫ лстаТС:IЬНЫХ
аппаратов работают в нестационарных отрывных зонах.
течения в этих зонах
обтекания,
возникает из-за ряда
изменения
управления,
скорости
полета,
геометрии летательного
причин,
угж\
аппарата,
Нестационарность
например:
атаки,
треХ~IСРНОСТИ
положения
КО,lебания
органов
эле:'IСНТОВ
кон­
исследований
рас­
струкции и т. д.
На
основании
провсденных
эксперименп\льных
смотрены два случая влияния нестационарности обтекания на течснис в от­
рывной зоне: случай естественной нестационарности (аВТОКО,lебаний),
воз­
никающий в результате трехмерности течения, и С,1УЧай вынужденной неста­
ционарности, возникающий в результате вращения Иr.lЫ с fLl0СКИМ насадком
(клином, пластиной) на конце, устаНОRпенной перед тело:.! (сферой, торцо:,!).
Фундаментальные исследования влияния нестационарных ВОЗ).-IУ­
щений на течение в отрывной зоне в настоящее вре:\IЯ представляют,
несомненно, теоретический и практический интерес. Такие исследова­
ния необходимы также с целью поиска путей снижения :\1аКСИ:\1аЛЬНЫХ
значений силовых и тепловых нагрузок на элементы летательных аппа­
ратов при
помощи
принудительного
создания
нестационарности тече­
ния в отрывных зонах.
1.
В
[1]
рассмотрены сверхзвуковые отрывные течения, образую­
щиеся около тела с иглой, на конце которой установлен клиновидный
или скругленный плоский насадок, см. рис.
Данное исследование
1.
отличается от ранее проведенных исследований плоских и осесиммет­
ричных отрывных течений
[2]-[5]
тем, что в этом случае реализуется
трехмерная отрывная зона ·с двумя плоскостями симметрии. Диаметр
=
=
модели D
60 мм, диаметр иглы d 3 мм. Длина клина (размер насад­
ка вдоль по потоку) а
10 мм, ширина и толщина клина (размеры на­
=
= 10
2 -
садка перпендикулярно потоку) соответственно Ь
и с
ский
а
44
скругленный
насадок
был
двух
видов:
=3
= 10,
мм. Пло­
Ь
= 10
и
Рис.
1. Cxe:\lbI
:\юделеЙ. около которых исс.."lедовалось течение
0=10.
Ь
с
=3
3
~/:\-I. Иглы lшели следующие длины: 'о
'о
-
~П... и
3-
= 15
и с
=3
мм. Диаметр скругления пластины
= 21; 41; 61; 81
и
мм. Здесь
101
расстояние от носка насадка до модели.
Испытания проведены в сверхзвуковой аэродинамической трубе с
осеси~п.lетричноЙ рабочей частью при нулеВО~1 угле атаки, числе М
=3
и 'lИслах Re: 8 ·105 s; ReD s; 2,5.106. Числа Re посчитаны по пара~lетрам
набегающего потока и диа:\'lетру ~1Одели. Те~шература и давление тор­
~южсния
ИЗ~lенялись
в
следующих диапазонах:
300
К s; То s;
410
К
и
2
2,7 ·10) H/~12 s; РО s; 5 ·105 Н/м .
Модель в потоке располагалась таким обраЗО~I, чтобы ось иглы
совпадала с направление~1 набегающего потока. Исследование картины
обтекания, а также зависимостей давления и теплового потока от дли­
ны иглы
'о
проводилось В двух плоскостях,
проходящих через ось
иглы параллельно б6льше~IУ (ширине Ь, плоскость
(ТОЛЩI~не С, плоскость
11)
основанию насадка, рис.
1)
1.
или меньшему
Перед началом
испытаний насадок устанавливался таким обраЗО:\I, чтобы плоскость, в
которой проводилось исследование, совпадала с плоскостью модели, в
которой располагались дренажные отверстия или калориметрические
датчики. Дополнительную информацию о течении между насадком и
теЛОl\I
получали
в результате
его
киносъемки
при
помощи
прибора
Теплера и лазерного ножа, а также путем изучения картины распреде­
ления предельных линий тока на поверхности тела.
В настоящей статье рассматриваются лишь те случаи, когда перед
телом реализуется отрывное течение.
На рис.
2, а представлены фотографии картины обтекания моде­
- сфера в плоскостях 1 и II при двух значениях
, = 'о D = 1,92 (фото 1, 3) и 1,69 (фото 2, 4). Как и в случае осесим­
метричного обтекания [5], наПРЮ1ер пары тел, реализуются два типа
течения: при 1 < 1; (фото 1, 3) отрыв потока происходит с насадка и
J.!еЙ
клин
при
1;::: 1;/
/
(фото 2, 4) -
с иглы. Здесь
1;
и
1;/
соответственно крити­
ческие расстояния, при которых отрыв в плоскостях
1
и
II
смещается
45
о)
й)
(1)
Рис.
2.
Фотографии картины обтекания :\ЮДС:IСЙ в плоскостях
1и
П:
1 (фото 1. 3 - i ~ 1.02: 2. 4 i = 1.69): б - сфера с иг.lОЙ. на КОlЩе КОТОjJОЙ устаною~н наса)(ок 3 (фото 1-4 - i = 1.35):
в - сфера с иглой. на КОlЩе которой устаною~н наса;!ок 3 (фото 1-4 - i ~ 1. 02): г - сфера
с иглой. на КОlЩе которой устаноюеllнаса;lOК 2 (фото 1-4 - i = 1.69)
а -
сфера с ИГЛОЙ. на КОlЩе которой установ.:ЮI насадок
с насадка на иглу. Оба типа течения Н:\lеют две плоскости симметрии,
что подтверждают фотографии К:lРТИНЫ обтеК:lНИЯ :\юделеЙ.
Рассмотрим К:lРТИНУ отрывного обтеК:lНИЯ :\юдели в З:lВИСИ:\ЮСТИ
от соотношений между длиной ИГ.1Ы
1;
и
1;1: 1 < 1;, 1; :о; 1 < 1;1
и
I
И критичесюши Р:lССТОЯНИЯ:\-Ш
1 ~ 1;/ .
H:l рис. 3, а и б предсшвлены Р:lспредсления Д:lвления
p(s)
и теп­
лового потока
lи IIи при
q(s) H:l поверхности :\юдели клин - сфеР:l в плоскостях
1 = 0,35;1,02; 1,35; 1,69. Здесь р и q - отношения д:lвле­
НИЯ р и удельного теплового ПОТОК:l
q
В некоторой точке сферы соот­
ветственно к давлению торможения З:l ПРЯ:\IЬШ СК:lЧКО:\1 уплотнения р6
и удельному теПЛОВО:\1У потоку
qo в точке тор:\южения сферы, поме­
щенной в невозмущенный поток,
s -
отношение КООРДИН:lТЫ S, от­
считываемой по сфере от ее ПОЛЮС:l О В ДИ:l:\-!етр:lЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ, к
радиусу сферы R, рис. 1. Зависююсти
s> О,
p(s)
и
q(s)
Д:lНЫ лишь при
так как картины распределений Д:lвления и теплового ПОТОК:l в
плоскостях
1 И 11 симметричны.
Случай
1 < 1;.
в отличие от oceC,I:\B-!СТРИЧНОГО обтеК:lНИЯ, Н:lПРИ­
мер сферы с иглой, давления в оБЛ:lСТИ присоединения для модели
сферы с иглой, на конце которой установлен плоский H:lCaдOK, в пло-
46
Р
а)
6)
0.75 1-----:,'*,----"1f----+-------1
,
/
,
1.0
• -1
• -1
/
\
6 -00 = 190 ~ I
0.501---+-+--q---t----i------;
,,
о
,,
-11
-(1) 190 ~ I
0.5 I--.A.-+-.......:Ir--I----+---~
6
_/>....'
d
I--i-~--t---+-----I
о -fI
\
Т = 0.35
0.25 I--____"""--+----"'?k----i------;
Т = 0.35
0.0
1---+....,c:tt::---+--..рt:=1I=!!
",/>
0.00 ~-_+---I--..2:i~!!:!§:.aj
0,5 I---+--!+:,.........-:-'I.f-----t----i
О. 25 I----~"a_."."'ht,.__--i------;
0.0 I---+---+----+==~""'==II
0.00 1---1----+---~:::!!::::!.j
0.5
f-----Ito&':~......-''d__--_+_--_I
0.25 1 - - - h....=~--+----1
Т= 1.35.
0.00
I---+-=--+---+=::::!:::=!.j
0.25
1--~~-,;o-';';;"'~--+----1
0.0 f----I-."..--+---=-+:!!=::й::::~
0.5 f---'"*'+--"'---'4"<'.+----t----I
0,0
0.00 L-_--L_ _- L_ _..r::::~...a.J
L - _ - - 1_ _--L_ _----1::!!oso_.
S
Рис.
3.
Распрсдсления Д<lВ"lСIIИЯ
щающейся ИГ.lОЙ (насадок
1)
и TefLloBoгo
потока на
1= 0,35,
дсксы
l\IeTpa,
1
и
I1
Рm!
1 и I1
сфсры
с
IICllpa-
в JLlОСКОСТЯХ ! И II и с вращающейся иг;юй (т = 190~с)\
и~(еющсй ра:l.1ИЧНУЮ ,lL1ИНУ Иr.lЫ
скостях
поверхности
I
:\югуг сушественно различаться по величинс. Так, при
= 0,33,
а Рmll
= 0,76,
рис. 3,0. Здесь и в Д;L1ЬНСЙШС:\( ин-
показывают, к какой плоскости относится зна'/снис пара­
а индекс т соответствует зоне присоединения потока на сфсрс.
Разность давлений в плоскостях
1
и
I1 (tlPm
= Рmll
-
Рm !) должна вы­
зывать псретекание газа из области повышенного давления в область
понижснного давления и его «выплескивание» из отрывной зоны.
На рис. 2, в
(1 =1,02)
ния ;\юдели пластина
то
3, 4)
(3) -
представлены фотографии картины обтска­
сфера в плоскостях 1 (фото 1, 2) и 1l (фо­
в различные l\Юl\lенты вреl\·lени при стационаРНО:\1 РСЖШ'IС ра­
боты трубы. Анализ фотографий картины обтекания :\юдсли показы­
вает, что в плоскости
11 (фото 3, 4)
скачок уплотнения в области при­
соединения потока на сфере в течение вре:\Iени наблюдается непрс­
рывно, а в плоскости
1 (фото 1, 2) -
то появляется, то пропадает, что
подтверждает предположение о выплескивании газа из отрывной зоны.
47
II
II
Рис.
4. Киртина раСПРС;Н~"lСНИИ ПРС;IС:JЬНЫХ :lИниi1 тока на IIOВСРХНОСТИ
торна:
а - торсц С ИГ:lOй. нз КОIПIС которой устаноюсн наса:lОК I (i
рой ИГ.10Й (1
1):
в - торен с нрашаюшеikи IIГ.10il
устаноюен насадок
J (I
1.37): 6 - торсн С ост-
1()5.!..
(",
1. на конне "OTOI",il
с)
0.7)
Это же подтверждает и фотография картины раСПРСДС)'IСНИЯ прс­
дельных линий тока на поверхности ).юдели клин
(1
= 1,37).
1 -
плоскости
рис.
4,
а
По интеГР:L'!ЬНОЙ картинс тсчения на торцс видно, что прс:'
дельные линии тока от плоскости
кости
торсц,
-
1 и газ
с TOPUO).I.
J/ -
выплескивастся
J/
направлсны в сторону п_'!ос­
в окрестност"
псреСС'lения
этоii
дЛЯ сравнения с треХ).IСРНЬШ С_'У'ШС).I на рис.
4,
б
(1 = 1) дана фотография картины распределения прсдсльных _'!иниii то­
ка на поверхности ).юдс_,и торца с ИГЛОЙ (оссси),шстричный С_'!У'lаЙ).
Из аН:L'!иза КИНОГРЮINI картины обтекания ),lOдслей установ_,сно,
что частота пульсаций ОТРЫВНОЙ зоны для исслсдуе).IЫХ ).юделсЙ в за­
виси).юсти от длины иглы и фОР).IЫ насадка ИЗ).lеняется
в диапазонс
Гц. Выплескивание газа из отрывной зоны должно приводить К
5-8
снижению величины удельного теплового потока в об_'!асти пр"сосди­
нения в плоскости
1
(из-за отсутствия в ).Ю).lент выплеСЮlВаНJlЯ за).IЫ­
кающего отрывную зону скачка уплотнения) и к УВС_'!И'IСНИЮ удсльного
теплового
потока
в
области
присоединения
в
ПЛОСКОСТII
(из-за
J/
утоньщения пограничного слоя в окрестности присоединсния).
Случай
1;:::; 1 < 1;/.
Известно, что критичсскос расстоянис псрс-
стройки течения ).'!ежду парой осеси).шстричных тс_, (1*) зависит от
отнощения ДИЮlетров переднего
do -
и
D
заднсго те_'!
=
D / do
16 J.
Здссь
диаNlетр переднего тела. В наше).1 случае поперсчныс раЗ:\IСРЫ на­
садка отличаются
в несколько
раз
и,
следовательно,
стояния перестройки течения в плоскостях J и 11
критическис
(1;
и
1;/)
рас­
различны.
В результате анализа киногрюш картины обтскания ).юде_,и сферы с
иглой, на конце которой установлен ПЛОСКИЙ насадок, в п_,оскостях
И
II
вестные
автоколебания
плоский насадок
определенного
(фото
48
J
при стационарно).'! реЖИ)"lе работы трубы обнаружены рансс неиз­
1, 3),
(3) -
отрывной
сфера, рис.
ПРО).lежутка
то с иглы (фото
зоны.
2,
времени:
2, 4).
б
(1
Картина
= 1,35)
отрыв
обтекания
).юде_,и
ИЗ).lеняется в теченис
происходит
то
с
насадка
Эти автоколебания возникают из-за
нсустоiiЧI1ВОСТI1 ТС'IСНI1Я \lСж..:lУ наС;ШКО~1 и сфсроii при
да в П.l0СКОСТИ
1 отрыв
ДО.1ЖСН происходить С
1; ::; 1 < 1;/,
ког­
11 Г.1Ы , а в плоскости П -
с насадка. СрсдюН! частота КО.lсбаниЙ отрывной зоны, посчитанная по
Кl1ногра:Шlа:\1 картины обтскания ~ЮДС.1СЙ, порядка 8 + 8,5 Гц.
Сl)'чшi
:\ICНSICT
1;::: 1;/.
характср
Псрсстроiiка ТС'/СНIIЯ :\IСЖдУ HacaдKO~1 и ТС.l0:\\ из­
распрсДслсний
аэротср:\юдина~IИЧССКИХ
1 < 1;
ОПРСДС.1ЯЮЩIlХ отрывную зону. Так, ссли при
'IСНIIЯ
пара:\IСТРОВ
1;::: 1;/ -
И
qm
в П.l0СКОСТИ 1, рис.
.10ЖСНIIС ТО'IКИ
костях
Рm
1 I1 11 .
зафиксированы
3, о
присосдинсния
и 6
(1 = 1,02
в
пара~IСТРОВ,
наиБО.1ЬШИС зна-
11.
П.l0СКОСТИ
ТО при
и 1,69). Из~\енится и по­
ОТНОСИТС.1ЬНО
ПО.lюса сферы
ЕС.ll1 до псрсстройки тс'/сния В плоскости
в
1 она
П.l0С­
раСПО.lа­
ПLlась на б6.1ьше~1 расстоянии от полюса сфсры, ЧС~I В плоскости П, то
ПОС.1С псрсстроiiки тсчсния
раЗ.ll1'IIIС:\1
ВС.1И'IИН
костях 111 11 при
-
наоборот, C~I. рис.
2, О.
Объяснястся это
пара~IСТРОВ ТС'/сния псред OTPЫBO~I потока в П.l0С­
1 < 1;
И
1;::: 1;1'
ПОС.1С ПСрССТрОЙКИ тсчсния (1;::: 1;1) аВТОКО.lебания отрывной зо­
НЫ, IНIСЮЩИС ~ICCTO при
1; ::; 1 < 1;/,
КО.lсбаНJJЯ того жс типа, 'ПО и при
костях
1 JJ 11
повышснного
прскращаются и ПОЯБ.1ЯЮТСЯ авто­
1 < 1;.
Разность давлений в плос­
(I!.Рm = Рm / - Pm/l ) вызывает псретсканис газа из области
даБ.1СНИЯ
«ВЫП.1ССКlшаЮIС»
в
область
пониженного
из отрывной ·зоны.
Это
даВ.1СНИЯ
и
сго
ПОДТВСРЖдают фотографии
KapTJlHbJ обтскания :\lOдС.1И П.lастина (2) - сфсра, рис. 2, г (1 = 1,69), в
П.l0СКОСТЯХ 1 (фото 1, 2) и 11 (фото З, 4) в раЗ.1ИЧНЫС ~Ю~lенты BPC~IC­
HJI при стационаРНО~1 РСЖl-ШС работы трубы. Ан3.,'IИЗ фотографий кар-
тины оБТСК:lНШ/ ~IOДС.1СЙ показывает, что в ОТ.1ИЧИС от случая
ав­
1 < 1;
токолсб:lНИЙ отрывной зоны скачок УП.l0ТНСНИЯ в об.lасти присоединс­
НШI
ТlI
тспсрь
1, :l
наб.lюдастся
В П.l0СКОСТИ
Il ТО
нспрсрывно
в течсние
вре~lени
в
плоскос­
ПОЯБ.1ЯСТСЯ, то проп;шаст. В результате аН:l.1И­
за КИНОГР:l:\t:l1 обтскания ~ЮДС.1СЙ устаНОВ.1СНО, что частота пульсаций
отрывноН зоны ИЗ~IСНЯСТСЯ В ДИ:lпазонс
5-7
Гц.
Интсрссныс особснности обтекания ~юдсли клин
'lСНЫ при изучснии картины тсчсния в П.l0СКОСТЯХ
J
-
сфера за~lе­
и П и в П.l0СКОСТИ,
ПСРПСНДИКУ.1ЯРНОЙ ИГ.1С, ПQ:1УЧСННОЙ при по~ющи лазерного ножа на
пеРСХОДНО~1 РСЖЮIС, рис. 5:0,6,6 (ReD=2,5.10 6 ,
1=1,35>1;/).
Из­
всстно, что В С:Jучас осеси~,шетричного обтекания ~юдели сферы с иглой
картина тсчсния в ссчениях,
паР:l.lлельных игле и отстоящих от нее
ОДl1наКОВО~1 расстоянии, совпадает,
:l
на
в перпеНДИКУ.1ЯРНОЙ к игле плос­
КОСТИ скачки и отрывная зона Юlеют круговую ФОР~IУ, рис.
учснис фОТОГР:lфИЙ картины течсния около ~lOдели клин
П.l0СКОСТЯХ, пар:l.l.lельных ПЛОСКОСТЮI
J
5,
-
г, д. Из­
сфера в
и П, показало, что отрывная
зона псрсд сферой на OДHO~1 и TO~1 же расстоянии от иглы имеет раз­
личные поперечные раЗ~lеры, а в перпендикулярной к игле плоскости
49
Рис.
а-в
5.
Картина обтскания \ЮilС.Iсi-i, IIО.IУ'lснная нрн IIО\IОIllИ .Iазср"оm IIожа:
фотографии теЧ~ЮIН ОКО.IO сфсры С I1I.ЮЙ. "а KOIIIIC которой )стаlюв.IС/I /laca:IOK
-
НО В П.lОСКОСТЯЛ. паР:Lпе:IЫJЫ\ /I.ЮСКОСТЮl
/111 1.
1.
COOTBCICTBC/I-
11 В II.ЮСКОСТЯ\. ПСРJIL'JJ;IIIК).IЯI1lIЫ\ К HI.IC: ? () -
фото·
графии течеЮIЯ OKO.10 сферы с OCTpoii Ш.юЙ СООТНСТСТВСIIIЮ В П:ЮСКОСТЯ\. Ilap:LJ.IL'.lb/lbl\ III.IC 11 IЩНIСII.1НК).JЯРНЫ\ К lIеи
фОР:\1:l грuниuы
отрывноН
ЗОНЫ
И:\IССТ С"10ЖНУЮ устоjj'IIШУЮ 130"1нообрuзную
В
CTPYkJYPY.
НСЙШС:\I н;} :\IOДСШI к,lИН
БЫ"10
'ПО
YI.:TUHOB"lCHO,
фОР:\IU отрывноН зоны
Д~lЬ­
КОНУI.:
така51
при водит
К зuтягивuнию турБУ"lСНТНОГО пс­
рсхода тсчсния.
На рис.
НЫ
И
6, а
ЗUВИСИ:\ЮI.:ТИ
qm
В
ЗОНС
н б ПРСДI.:ТUВ"lС­
ПUРU:\IСТРОВ
присосдинсния
сферс от Д"lИНЫ ИГ:JЫ
ведснных
что
ПРИ
1.
ЗUВНСИ:\Юl.:тсii
Р
m
н;}
Из при­
С"lСДУСТ,
:\I:lКI.:И:\I~lЬНЫС
1 < 1;
Рис. 6. 3ависичости iщюения и теП;ТОRОГО по­ знuчения
этих
ПUРЮIСТРОВ
н;}
тока в об;тасти присое;:rинения на поверхности сферс зuфИКСИРОJ3UНЫ В П"10С­
сферы с невращающеi-iся и вращающейся
",oi-i,
на конце которой устаноюен насадок
с острой иг.,ой от ;L1ИНЫ
кривая
1-
при
50
в П;lОскости
(,1
~
190.!... 4 с
1, 2 -
иг­
1,
и
1:
в П.lОСКОСТИ
с острой ИГ.lОЙ
11. 3 -
КОСТИ
/ /,
течения
для
U ПОС"lС
(1 ~ 1;/) -
срuвнения
псрсстроiiкн
в п"'юскости /.
с
треХ:\IСРНЬШ
случuе:\1 обтекuния Н;} обоих ри-
~YH ках дан ы ЗaJШI.:И:\ЮI.:ТИ Рm
обтскания I.:фсры с
(/)
Исс.1сдоваНIIС ТС'IСНIIЯ
2.
И
Zhn (/)
в
TPCX:\ICPHOii ОТРЫВНОЙ зонс, образо­
ПРII обтскаНIШ СВСРХЗВУКОВЫ:\I
BaHHoii
Д.1Я оссси:\шетричного случая
IIr.10ii.
ПОТОКО:\I ТС.1а 1.:
вращающсйся
171,
иг.10Й, на КОНиС которой установ.,1СН п.10СКИЙ насадок
проводилось
при ТСХ ЖС ус.10ВИЯХ, 'lТО И В прсдыдуще:\1 пункте.
На
.1СЙ
рис.
канн
прсдстаВ.1СНЫ
7
сфсра
-
в
фотографии
раЗ.1ИЧНЫС
:\Ю:\IСНТЫ
картины
обтскания
ВРС:\IСНИ
при
(1)
:\ЮДС-
= 190-1
и
с
1= 0,69
(о),
1,35 (6)
и
1,69
(в). Ана.1ИЗ привсдснных фотографий пока­
зываст, 'lТО картина обтекания в П.10СКОСТЯХ
1 И II
И:\lест такой ЖС вид,
как и при нсвращающсйся ИГ.1С ((,) = О). НаПРЮlер, при
(фото 1, 3) и рис. 2, а (фото /, 3), а при
рис.
о (фото
2,
2, 4).
121;/,
1 < 1;,
рис. 7, а
рис. 7, в (фото /, 3) и
При вращснии иглы с П:ЮСКИ:\I насадКО:'.1 сохра­
няются такжс и всс виды аВТОКО.1ебаниЙ отрывной зоны, характерные
д.1Я обтскания :\ЮДС.1И с невращающейся иглой. Так,
наПРj,шер, при
сташюнаРНО:\1 рСЖЮIС обтскания во ВНСШНС:\I потокс В С.1учас
П.10I.:КОСПI
1 < 1;
в
скачок УП.10ТНСНШI в об.1асти присоединсния то ПОЯВ.1ЯСТ­
I
~я, ТО пропадаст,
plll.:. 7, а (/, 5), в П.10СКОСТИ Il - наб.lюдастся НСПРСрывно, РИI.:. 7, о (3, 4), в с.1учас 1; : :; 1 < 1;/ отрыв потока происходит то
~ насадка, рис. 7,6 (1), то с ИГ.1Ы, рис. 7,6 (5), в С-lучас
КОI.:ТИ
I
121;/
в П.10С­
скачок УП.10ТНСНИЯ в об.1асти присоединения наб.1юдается НС­
прсрывно, рис.
дает, рис.
7,
в
На РИI.:.
7, в (3, 4), а в П.10I.:КОI.:ТИ Il -
(/, 5).
4, в прсдстав.,1сна
ТО появляется, то пропа­
каРТlIна распредс.1СНИЙ преде.1ЬНЫХ .1И­
ниii тока на торие с. вращающейся ИГ-10Й, на коние которой установлсн
К1ИН, д.1Я С.1У'JaЯ 1 = 0,7 < 1; при С,) = 1О, 5.!.. Сравнивая ее с картиной
с
Рис.
7.
Фотографии картины обтекания сферы с вращающейся ИГ.'юй (а) = 190~ ). на конце
которой устаноюен насадок
-
0-1
J:
О.69:б-/~I.35:в-I=I.69
51
рuспредел~ния
рис.
4,
б,
I
= 1,
предельных
линий
тока
на
:110дели
ториа
с
иглой,
отмеТИ;\f их большое сходство. ЗЮlетим только, что при
вращающейся игле линия растекания рuсположена примерно на
1/3
рuдиуса от кромки ториа.
На рис.
скостях
1
3, а и б, Kp0;\fe распределений
II для ;\lOделей клин - сфера ((1)
и
величин Р И
= О)
q,
J3
давления и теплового потока на поверхности сферы при скорости
щения иглы о)
1
= 190-.
пло­
даны распределения
J3PU-
Соответствующие заВИСИl\ЮСТИ давления Рmю
И
С
теплового ПОТОКU
ОТ длины иглы
qm(,)
представлены на рис.
6,
присоединения
а и б. Из приведенных зависимостей следует,
что в области присоединения при о)
чине давлению Рml
в области
I
'* О
давление Рmю близко по вели­
при невращающейся игле, а тепловой поток qmю
для некоторых длин иглы даже ;\fеньше мини;\шльного теплового пото­
ка qm на сфере при о)
= О.
Во BCe;\f исследуе;\Ю;\f диапазоне длин игл Г
с различными насuдками величины Рmю И qmю были ;\fеньше по срав­
нению с соответствующими величинами при осесимметричном обтека­
нии
сферы
с
иглой
(давление
на
а тепловой
10 + 30%,
поток
н:!
10 + 50%).
Р:lССМОТРИМ причины уменьшения величины теплового ПОТОК:l н:!
сфере в области присоединения при вращении иглы с H:lCUДKO;\1 для
случая
в
7< 7;.
плоскости
с плоскостью
С одной стороны,
1
11,
имеет
больший
из-за того что отрывная
поперечный
размер
по
зона
СР:lвнению
при ВР:lщении иглы тепловой поток в области присое­
динения усредняется по шаровому поясу, ограниченному с двух сторон
местоположением
максим:lЛЬНЫХ значений теплового
скости
1 и /l: qml
гой стороны,
потока
в
и
С дру-
из-за
qmIl'
пло­
выплеСЮlВа­
ния газа из отрывной зоны при
0.71---"';:---+---+----+----1
вращении
иглы
происходит
охлаждение большей поверхности
0'61-----+-"'-<:---+-_ _-+___--1
сферы, че;\f при неВР:lЩ:lющейся
игле.
Причем
скорости
больше
0,5
о
50
100
150
(1)
ность
до
определенной
ВР:lщения
(r),
тела
иглы
чем
тем большая поверхохлаждается.
В
K:l-
Рис. 8. Зависимость теruювого потока в 06- честве примера на рис. 8 пред­
ласти присоединения на сфере от скорости
вращения иглы, на конце которой устаномен насадок J (l = 1,02)
Ан:lЛогичные
71 ~./ < 7;1
для
при
1=1,02.
можно
провести
и
для
случаев
Все изложенное выше справедливо и для других
ПЛОСКИХ форм HacUДKoB.
_
Ан:lЛИЗ зависимостей qm(o(l) ПОК:lЗ:lЛ, что вращающуюся иглу с
плоским
52
и
рассуждения
СТ:lвлеН:l зависимость qm (о)
модели
клин
сфера
7~ 7;1'
насадком
можно
ИСПОЛЬЗОВ:lТЬ
для
снижения
величины
,10КUЛЬНОГО теплового
nOToKU
к лобовой поверхности телu. Например.
использовuние клиновидного
HucUДKa ~lеньшает величину локального
:\1UКСИ:\1UJ1ЬНОГО теплового
nOToKU
к сфере В точке ее тор:\южения. по­
:\'Iсшенной в неВОЗl\'lушенный поток. ПРЮlерно в два раза.
(i =1.02).
рис.
C:\I.
6. б
r тепловой по­
ОП1еТЮ1 также. что для некоторых длин игл
ток '1fm ю :\южет быть знuчительно меньше величины теплового потока
'1fm
в области присоединения на :\юдсли сферы с иглой при осеС],Ш~lет­
РИ'1НО:\'1 обтекании.
Наряду со снижение:\1 :\1аКСЮ1UJ1ЬНЫХ ЛОКUJ1ьных тепловых потоков
к поверхности сферы наблюдается снижение и интегрUJ1ЬНОГО теплово­
го потока к ее лобовой поверхности по сравнению с интегральным
тепловым потоком к лобовой поверхности сферы с иглой. НаПРЮ1ер.
с~шuрный
тепловой
поток
к
лобовой
поверхности
сферы
щаюшейся иглой. на конце которой установлен клин
ct1
с
вра-
(1 =1.02.
= 90 ~ ). на 20% :\lеньше.
АнUJ1ИЗ распределений давления по поверхности сферы показUJ1.
что. используя врашающуюся иглу с ПЛОСКЮ1 HacUДKo:\1 на конце. :\юж­
но сушественно уменьшить суммарную силу давления, действующую
на
ее
лобовую
поверхность.
Ниже
приведена
таблица.
в
которой
для различных длин иглы представлены отношения суммарной силы
давления на лобовую поверхность сферы в невозмушенном потоке Рсф
К
СУМl\·taрным
силам
давления
на
ту
же
поверхность
при
вращаю­
щейся игле (сила. действующая на HacuдoK (клин), входит в C~I:\1aP­
ную силу) Рю И острой игле Риг,,:
r
0.35
0.69
1.02
Рсф/ P(l)
2
2,6
3
Рсф/Ригл
2
2.3
2.8
Следовательно.
щающуюся
СКЮ1
иглу
HacUДKo:\1
можно
вра-
с
на
давления.
часть
на
тела,
уменьшения
как
к
головную
и
для
локальных
интегральных
потоков
дей­
так
и
тепловых
его
лобовой
поверхности.
На рис.
9
(1т
конце
для снижения с~"марной
ствующей
0.2 f.Io8""-....-t---=---++----+--
пло-
использовать
силы
а)
0.7
;;;';:O"...,-..;;:::!I""""=-~....,..,I----_+----t--__f
,...!
14-............
--
(а)
и
0,9
0,6.
1,2
1.5
7
Рис. 9. Зависимости давлении и темовоro потока в об­
ласти лрисоединения на сфере ДЛII вращающсi1ся иглы
(fl) ,. 52,В;) с различными насадками и д.;rn острой
для срав-
давления
____ <6.-- .. -
0.4 '-----7:-----:-':-----'-::----'-:---:
иглы от дпины
нения представлены зави­
симости
-0--_
....... .6. ......
кривая 1 - насздок
док 3;
1; кривая 2 -
кривая
I :
насздок
4 - острая игла
2;
кривая .1 -
наса­
53
теплового потока
(6)
в области присоединения на ПОВСРХНОl.:ти I.:фсры с
вращающейся иглой ((1) = 52,8~) Д.1Я раЗЛJI'IНЫХ насадков (кривая
насадок
1,
кривая
2 -
насадок
2,
кривая
поверхности сферы с острой ИГ.10Й (кривая
3-
1-
насадок ~), а такжс на
4) от д.1ИНЫ I
Анализ приведснных рсзультатов показа.1, что ЧС:'II БО.1ЬШС сопро­
тивление насадка,
TC:'II
:'Ilеньшс давленис и особснно ТСП.101юii поток в
области присосдинсния для .1юбоЙ д.1ИНЫ вращшощсiiся ИГ.1Ы. Так, на­
ПРЮIСР, при
(1)
= 1,02 даВ.1енис РIII д.1Я :'IIOДС.1И С HaCaдKO:'l1 3 :'IIСНЬШС на
17%, че:'l'1 с насаДКО:'l1 1, а тспловой поток ZhII :'IIСНЬШС на 40%. Ещс
больщая разница :'IIСЖДУ зна'IСНИЯ:\НI РIII
11
qm
В об.1асти ПР"СОСД"НСНШI
для сфер с вращающейся Ш.10Й и HaCaдKO:'l1
3 и с остроН IIT.10ii. Так,
при J = 0,5 для сферы с HaCaдKO:'l1 3 ве.1ИЧИНЫ РIII 11 qm :'IIСНЬШС, ЧС:'II
д.1я сферы с острой иглой, соотвстствснно на 40% и 80%, а nplI J = 0,6
на
30%
и
65%.
Конечно, насадок в этих с.1У'ШЯХ будст СИ.1ЬНО нагрс­
ваться, но тепловой реЖI1:'I1 на сфсрс в об.1асти ПРИСОСДIlНСНШI будст
болес благоприятньш, ЧС:'II на сфсрс С
oCTpoii Ilr.10ii.
Работа ВЫПО.1нена по гранту МАИ в об.1аСТII авиаШlOнноii
11 ра­
keTHO-КОС:'IlИчсскоii тсхники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Х:l е б н и к о в В. С. Экспсрюtеlml'lыюе ИСС.IС:lOlI:!IIИС СIIСР\ЗIIУКО­
вага отрывною течения :\tеЖ.1У П;lOСКЮI Haca:IKO\! и СфСРОЙ//ИЗII. АН СССР.
МЖГ.-
2.
3.
N~ 5.
Ч Ж с н П. К. Отрывные ТС'IСНИЯ. т.
1987.
2. 3.-
М.: Мир.-
1973.
Н С Й;1 а Н а В. Я. АСИЮIТОТИ'lескис за;tаЧI1 теории IIИЗКI1\ СIIСР\ЗJlУ­
КОВЫ\: течсний//Тру;!ы UЛГИ.-
1974. BbllI. 1529.
iCI а Н:l В. Я .. Т а Г" н О В 1. И. О КОНфИI'УР:ЩIШ IICPC:IIII1\
срывных ЗОН при СИ:\I\JСТРИ'IН(Нt обтеК:lНИИ ТС:1 свеР\ЗПУКОJlЫ\1 11OTOKO\1 1':1за/ /Инжснерный ЖУРН:Ll.- 1963. Т. 3. IlbIl1. 2.
5. Х;, с б Н и к о В В. С. ОСССИ\I\IСТРИ'flюе оБТСЮIШIС lI:lpbl те. 1 СIIСР\­
звуковы\! I10ТОКО\I газа//у'tеныс заllИСКИ UЛП1.- 1978. Т. IX. N~ h.
6. Х:l с б Н и к оп В. С. Картина свер\звукового обтскания Ilapbl ТС.I и
4.
Н е
перестройка тсчсния :\IСЖДУ НЮIИ//Изв. РАН. МЖI.- 1994. N~ 1.
7. Х.' с б Н и к о В В. с., ИСС.'С.101Ialнtс R.lИяния НССТ:ЩI10IJаРIIЫХ
ВОЗ\lущений на теченис п пеРС;IIIС~1 ОТРЫlllюi'l зонс/ /ИЗII, РАН. I\1ЖI ,-
1992.
N~
1.
Рукопись nосmуnи.Ю 2()/Х /99б с,
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа