close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

О влиянии положения замыкающей системы скачков уплотнения в диффузоре на коэффициент восстановления давления в гиперзвуковой аэродинамической трубе..pdf

код для вставкиСкачать
УЧЕНЫЕ
т о м
удк
ЗАПИСКИ
V/I
ЦАГИ
ом
1976
2
629.7.018.1:533.6.071.1 :62- 25.98
О ВЛИЯНИИ ПОЛОЖЕНИЯ ЗАМЫКАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ
СКАЧКОВ УПЛОТНЕНИЯ В ДИФФУЗОРЕ
НА КОЭФФИЦИЕНТ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
В ГИПЕРЗВУКОВОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ
В. А. Коноmоп, Ю. А. Тихомиров
Проведено экспериментальное исследование распределения дав­
ления
по
тракту
гиперзвуковой
аэродинамической
трубы
с двумя
вариантами диффу-зора,отличающимися величиной гор л овины (t;:=I,O
и
1,7).
Установлено влияние размера
горловины и модели в рабочей
части на предельное положение замыкающей системы скачков уплот­
нения. дано объяснение ранее
полученным
данным, сог л асно
кото­
рым при испытаниях с вводом модели диффузор с большей горлови­
ной позволяет получать более высокие значения коэффициента вос­
становления
давления.
Потребный перепад давления, являющийся основным энергети­
ческим параметром сверхзвуковых аэродинамических труб, опреде­
ляется,
как
Иdвестно,
потерями,
возникающими
при
торможении
сверхзвукового потока до дозвуковых скоростей (см., например [1]).
Известно также, что при торможении сверхзвукового потока в диф­
фузоре основная часть потерь сосредоточена в замыкающем скачке
или системе скачков уплотнения. Величина этих потерь резко воз­
растает с увеличением числа М перед скачком, поэтому при созда­
нии аэродинамических труб стремятся максимальным образом умень­
шить горловину диффузора для частичного снижения сверхзвуко­
вой скорости потока перед замыкающим скачком и обеспечить вы­
сокие значения КОЭффициента восстановления давления аэродина­
мической трубы [1. 2].
Однако вместе с получением высоких значений коэффициентов
восстановления давления применение диффузоров с малыми отно­
сительными
горловинами ограничивает размеры моделей, которые
можно испытывать в трубе. С увеличением горловины диффузора
заметным образом увеличивается допустимый размер модели (см.
[3-5]).
Наиболее целесообразным может представиться компромиссное
решение: использовать диффузор с относительно большой горло-
58
виной (и поэтому несколько худшими характеристиками в пустой
трубе) для того, чтобы испытывать в трубе модели большей вели­
чины
при
том
же
диаметре
сопла.
В опытах с диффузорами, имеющими разные диаметры горло­
вины, было обнаружено, что при испытаниях модели сравнительно
большого размера в рабочей
части
меньшей горловиной значения
зываются более низкими (см.
в
случае диффузора с
коэффициента
трубы
восстановления ока­
Этот . факт не находил объяс­
[3, 5]).
нения на основе существующих представлений о течении в диффу­
зоре, если он работает на наилучшем режиме, т. е. когда замыкаю­
щая система скачков располагается в области горловины.
Действительно, рассмотрим работу сверхзвукового диффузора
аэродинамической трубы на расчетном режиме. Как известно, ска­
чок
или
замыкающая
система
гаться в разных сечениях по
скачков
длине
уплотнения
диффузора
в
может
распола­
зависимости от
перепада давления. Наиболее эффективное восстановление давле­
ния получается при положении скачка в районе горловины. В каче­
стве примера на фиг.
1, а, б представлено распределение давления
по тракту диффузоров с относительными размерами горловины
F,
РГ = _Г
1,0 и 1,7 при различных перепадах давления и постоянном
Ре
=
числе М в рабочей части (М р • ч ~
10,5).
По оси абсцисс отложено рас­
стояние От входного сечения диффузора, а по оси ординат
-
относи-
тельная величина статического давления на стенке диффузора РСТ =
=РСТ/Рф' Вертикальными линиями отмечены сечения,
где распола­
гались приемники статического давления. Для каждой кривой указан
перепад давления, при котором она получена Е = Рф /Родиф, где РО диф­
полное давление на выходе из диффузора. Соответствующий ему
коэффициент восстановления давления равен обратной величине,
т. е. "'ТР = l / Е. Эксперимент проводился на установке, описание ко­
торой приведено
ниже
..
Как видно из фигуры, характер
кривых
распределения давле­
ния для обоих диффузоров одинаков. Статическое давление на рас­
четном режиме растет по длине диффузора, на начальном участке
оно несколько выше давления в рабочей части (примерно в три­
четыре раза), далее следует резкое, а затем более плавное возрас­
тание
давления.
На входе
ление
в диффузор течение сверхзвуковое (статическое дав­
существенно
диффузора).
ниже
На выходе
полного
течение
давления
дозвуковое,
даже
на
значения
выходе
из
полного и
статического давления практически совпадают р ~ Ро дИф/Рф
:::::::
"'ТР'
В зоне резкого возрастания давления располагается замыкаю­
щая система скачков уплотнения, в которой, поток тормозится до
дозвуковых скоростей. По мере уменьшения перепада фронт зоны
резкого возрастания
давления
(система скачков уплотнения) сме­
щается вверх по потоку в горловину диффузора, коэффициент вос­
становления давления при этом растет. При дальнейшем уменьше­
нии
перепада
система
скачков
уплотнения,
смещаясь по
цилиндри­
ческому участку, скачкообразно переходит в рабочую часть. Рас­
четный режим разрушается. давление во входном участке тракта
резко возрастает. Для диффузора 'Рг ::::::: 1,0 это минимальное значе­
ние перепада, при котором расчетный режим еще существует, равно
Emin
=
364, а для диффузора
Fr =
1,7 Ешiп = 606.
59
д l1tptpl/ЗОР
I I
-
~
т
1;.=1, о; оез моiJеЛLL
--
----
-".
·10
Е
Ii'...
ЗО
1
25
11
2.0
"-
З12
~
..--,....
/v v
/;:v
· 15
J6L1
о
f--'
- '
>--
/'"
/jj
.....
77О
/
5
~
l,....-o
Lf.fLl
Ij V .....-~ ~ ~~~
10
L-----"
:>-
/'
,/
11
=251
112$
ШОР
500
1300
) II-JO
1500
2000
2500
L,MM
q)
Дa!ТJ!ТJI/YOP f',. =1,7, оез Mo3efl/L
+ - + - - - - --
гr
PGr I
Р'Р '10
+--- -- .. -
I -- ---+---
I
- - -- ----+
1
-11
i
\l
----i----rl
25~~~~-~---+-+--г
l
~I
2 о I - I - - - + - t - f - --+- - --t--- t - - - t - - c=500
II _ _ _
15f+-
'
~~~==~====~~--~~~
~~~i__-=~~_~'
/
10
___
/
/000
s/
V
о
1110 --1,-------+---1
1000
500
Фиг.
Следует отметить,
что
2000
d)
1500
2500
1,
мм
I
за мыкающая
система
скачков до раз­
рушения режима в диффузоре с большей горлов и ной смещается
несколько выше по потоку . В то же время максимальный коэффи- ·
циент
"тр =
60
восстановления
16,5
Х
10-4
против
давления
"ТР =
27
в
Х
ЭТОМ
10-4
случае
для
существенно
диффузора
с
ниже
меньшей
горловиной. Этого и следовало ожидать, исходя из представлений
о торможении сверхзвукового потока, так как число
мыкающей системой скачков в первом
размеру
горловины
М перед за­
соответственно
диффузоре
меньше.
Таким образом, экспериментальные
стой трубе (это же можно сказать
и
данные, полученные в пу­
об
испытаниях
с
моделями
сравнительно малых размеров) вполне соответствуют теоретическим
представлениям о течении в аэродинамической трубе в одномерной
постановке.
у станов ка модели достаточно
лось
ные
выше,
вносит
потери,
но
и
в
некоторых
качественные
коэффициента восстановления
горловиной.
большого
случаях
не
изменения
в
размера, как отмеча­
только
диффузорах
с
Известно, что эффективность торможения
восстановления давления:
\l Tp . зап
И
величин
большой и малой
потока в гиперзву­
ковой аэродинамической трубе характеризуется
ентами
дополнитель­
в соотношение
двумя
Утр. разр,
Г де
коэффици­
Утр. зап
- мак­
симальный коэффициент восстановления давления, при котором
сохраняется расчетное течение в рабочей части при вводе модели
в струю на заданном режиме, а Утр. разр - максимальный коэффициент
восстановления, полученный путем постепенного уменьшения пере­
пада давления на расчетном режиме с введенной в поток моделью.
В работах [3] и [5] показано, что значения \l Tp . разр для диффузора
с малой горловиной для всех моделей как и в пустой трубе выше
их значений для диффузора с большей горловиной. Что же касается
величины Утр. зап для этих диффузоров, то для небольших моделей,
площадь миделя которых составляет не более
12%
площади выход-
ного сечения сопла (1загр=Fмид/Fсопл 100< 12%), их соотношение
аналогично соотношению \l Tp . разр. Однако для больших моделей, пред­
ставляющих наибольший
интерес, коэффициент восстановления
Утр, зап для диффузора с меньшей горловиной (рг
= 1,0) оказался
1,7. Так, если для модели, соот­
ветствующей fзагр = 9%, величина Утр. зап для диффузоров рг = 1,0 и
1,7 составляет соответственно 'I Tp . зап = 11 Х 10-4 и 8,5 Х 10-\ то с
моделью fзагр = 15 % для диффузора РГ = 1,0, 'I Tp . зап = 6 Х 10-4, а для
диффузора РГ = 1,7 - 'I Tp . зап = 8 Х 10-4.
меньше, чем для диффузора "РГ
=
Такая странная, на первый взгляд, закономерность может быть
объяснена, по-видимому, следующим образом.
Ввод модели достаточно
на
расчетном
сивное
режиме
возмущение
большого
размера
в
рабочую
часть
вносит кратковременное, но довольно интен­
в поток,
которое толкает замыкающую систему
скачков вверх по потоку. Если модель для заданного перепада дав­
лений слишком велика, то замыкающая
система
скачков
уплотне­
ния попадает в рабочую часть и режим разрушается. Тогда модель
выводят
из
потока,
режим
восстанавливается, повышают
давление
в форкамере и вновь вводят модель. но система скачков уже рас­
полагается при этом глубже в диффузоре, скорость перед замы­
кающим скачком уплотнения возрастает,
вторяют
до
тех
пор,
пока
ввод
модели
расчетное течение в трубе. Таким образом
заданного
размера
У тр уменьшается. Так по­
не
перестает
разрушать
определяется Утр. зап для
модели.
Если полагать, что основные потери давления сосредоточены
в замыкающей системе скачков уплотнения, то коэффициент ВОС-
61
становления давления трубы будет выше для диффузора, у кото­
рого замыкающая система скачков располагается при запуске в бо­
лее узком
сечении тракта .
В рассматриваемом случае при успешном вводе достаточно
большой модели в диффузоре с меньшей горловиной система скач­
ков, по-видимому, располагается ниже по тракту трубы, в более
широком сечении, чем в случае диффузора
F=
1,7. Это вызвано ,
r
очевидно, характером поля скоростей и давлений в диффузоре.
для проверки высказанных предположений были проведены
испытания с измерением распределения давления по тракту трубы
с моделями в рабочей части.
.
Результаты испытаний и их анализ .
Испытания проводились
в гиперзвуковой трубе, аэродинамический контур которой (фиг. 2)
состоит из дугового подогревателя, конического сопла, рабочей
части, сменного сверхзвукового
Коническое сопло имеет
диффузора и системы эжекторов.
угол
раствора
120
и отношение пло­
=
щади
критического сечения к площади выхода сопла Р* /Р вых
= 0,17 Х 10-2, что соответствует геометрическому числу М р = 10,5.
Рабочая часть трубы выполнена в виде камеры Эйфеля и оборудо­
вана двумя
пневматическими
ввода насадка полного
механизмами
для
напора и модели.
последовательного
Нерегулируемый
= 60)
звуковой диффузор состоит из конических входного (IX
ходного (IX = 40) участков и цилиндрической горловины .
ния проводились с двумя
диффузорами,
с
площадями
no!JOZ/1e!o. тел 11
сверх­
и вы­
Испыта­
горловины
к .JжектО/1!/
\
Скачок
780
ан
"8> -1
Фиг.
-
РГ
=
F
~ =
wFc
1,0
и
1,7.
1090
2
Схемы диффузоров с размера~и приведены на
фиг. 2.
Четырехступенчатая система
эжекторов
обеспечивает в зави­
симости от расхода газа через рабочую часть степень сжатия от
до 300.
В процессе испытаний проводились измерения давления в фор­
камере (в подогревателе), статического давления в рабочей части
30
ина стенке диффузора в семи
точках
по тракту, полного
давле­
ния в рабочей част·и с помощью насадка полного напора и в перед62
ней критической точке модели, а также полного давления на вы­
ходе из диффузора.
Для измерения использовались датчики типа ТМД и ТСД,
выбранные для соответствующих диапазонов давления. Сигналы
всех датчиков через усилитель 4АНЧ подавались на шлейфовый
осциллограф Н-700.
Перед началом испытаний контур трубы проверялся на герме­
тичность.
Испытания проводились без подогрева газа. В качестве модели'
d
использовался шар с относительным диаметром d M =
мод = 0,36
dc
. <1загр
~ 13 %), имеющий дренаж для
замера полного
давления
в
передней критической точке. Вначале определялось распреде.[Iение
давления по длине ДИффузора на расчетном режиме с введенной
в
поток
моделью
при
постепенном
уменьшении перепада
давления
вплоть до разрушения режима. Затем снимали распределение дав­
ления
при
ступенчатом
изменении
перепада
с
вводом
модели
на
каждой ступеньке также вплоть до разрушения режима при очеред­
ном вводе модели. Необходимый перепад давления получали путем
изменения давления в
фор камере подогревателя при постоянном
режиме работы эжекторной системы (при постоянном давлении
высоконапорного газа в эжекторах).
Результаты экспериментов представлены на фиг.
серии кривых относительной
величины
и
3
4
в виде
статического давления по
длине диффузора, Рет = Рет/Рф при различных значениях перепада
давления.
Характер
диффузоре с
методике
изменения распределения статического давления в
уменьшением перепада при испытаниях по первой
(фиг.
а,
3,
б)
для
обоих
качественно одинаковый вид,
лением
давления
возрастания
в
пустой
давления
по
вариантов
диффузора
примерно совпадающий
трубе.
мере
Как
с
имеет
распреде­
и там, зона интенсивного
уменьшения
перепада
смещается
в
горловину обоих диффузоров и доходит почти до входной части.
Максимальные значения коэффициентов восстановления давления
на расчетном режиме VTp . разр равны соответственно для диффузора
РГ
Х
=
1 'lтр. разр = 17,6 Х 10-\ а для диффузора {'г = 1,7 'lтр. разр = 12,6 Х
10-4. В этом случае преимущество диффузора с меньшей горло­
виной реализуется так же, как это было в пустой трубе. Следует
отметить,
что
при
изменении
перепада
давления
наряду
со
значи­
тельной деформацией кривых распределения давления по тракту
диффузора, вызванной перемещением замыкающей системы скачков
уплотнения,
имеет
место
существенно
более
слабое
изменение
относительной величины давления во входном участке диффузора,
как при испытаниях в пустой трубе, так и при наличии модели в
рабочей части.
Эти несущественные для рассматриваемого процесса изменения
относительной величины статического давления
вызваны,
в ОСНов­
ном, влиянием числа Re, которое изменяется более чем на поря­
док вместе с изменением давления в форкамере трубы. (При изме­
нении давления в форкамере в пределах Рф = (1,4 - 45) Х 105 Па
число
Re
Re
изменяется в диапазоне
= 1 Х 105 -+ 3 Х 106).
На фиг. 4 а, б представлены кривые распределения давления,
полученные при испытаниях по второй методике, с вводом модели
на заданном расчетном режиме. В этом случае, как видно из со-
63
Дl1.lРf/JjJОjJ т,.-t,о; сусm/Z#tJ!ленноii моuелыtJ {[",=~зо
15
Н-~~-+----4--4~-+---+--~~~~----4-------~.
- - - - без МtJdt?ЛlL
- - - С МtJDl'Л/JЮ
о
SIJfl
1000
2000
1500
2500
'-,
мм
ДШ/Jf/JjlJOjJ fг-f,1; с усm/Zноd.л8ННОЦ мqfJеЛIJЮ fI",=D,J5
- - - с мо8еЛ/JЮ
---0'83 моiJеЛlL
1000
о
Фиг.
поставления кривых
нии,
при
котором
на
ввод
фиг.
2000
1500
3,
а
2500
L,MM
3
и
4,
а,
в
предельном
положе­
модели еще не разрушает расчетного тече­
ния в трубе, зона интенсивного повышения давления в замыкающей
64
дLJ.f/Jf!1I/JOp
r,.= ~O,· ii = О,Л;ШЛ/J/mОНl19 с !!IliJОМ моiJL'ЛLJ. норос'{еmном режLJ.ме
Al
~
,~,
~'.
t
ТГГ
I I
-
Ы
-
ri
,(0-'1
1\
О
\2
\
Е-1220
~\
1
~
~~
,~
о
•• s.s
.......-:::::
v-: ~
~
~~..,.
~
,
,...-
1250
~ 1----:::;;:;:- ~
_-~-r-~-sr..
1205
~
~'
f/J/l/l
500
r-::::::
1\
--
=
lJ15
- - - леРf!iJ !!ооом моiJелtL
- - после !!oiJl1. моiJелLJ.
2/J/J/J
150/J
2.ffl/J
L , мм
а)
ДlJ.qJqJl/JОР
f,.-1,7: ii.,= o,J6:
IJСЛ/JlmОН/11 с ddoOOM мооеЛll на РОС'lеmном реЖ/1ме
~
Рст
-"
-РФ-I"Ю --4--+-4-----+-------4~~!---7-2-5-г-------+-------+~
10UJL-L~~~:a
- - - ne/JeiJ !!ооом моiJеЛlL
- - ,70сле ddoDtz. моiJелlJ.
1500
1000
500
2/J/JO
2500
5)
Фиг.
4
системе скачков уплотнения в диффузоре с меньшей горловиной
находится в начале расширяющейся части диффузора за горлови­
ной (кривая
ления
и
что ввод
5- Ученые
1
на фиг.
смещение
модели
4,
а). Небольшое уменьшение перепада дав­
системы
скачков
разрушает
записки ЦАГИ N, 2
к
горловине приводит
расчетное
течение
в
к
рабочей
тому,
части
65
(кривая
2 на фиг. 4, а). Момент разрушения режима определялся
по резкому возрастанию статического давления в рабочей части и
полного давления в передней критической точке модели. Макси­
мальный коэффициент восстановления для этого случая равен
Утр. зап
вая
= 8 Х 10-4.
В диффузоре с большей горловиной, РГ
1),
1,7 (фиг. 4, б, кри­
=
в предельном положении замыкающая система скачков рас­
полагается в горловине, примерно в средней части цилиндрического
отсека.
Максимальный
коэффициент
восстановления
"тр. з ап =
= 12Х1О- 4 •
Таким образом, тот факт, что коэффициент восстановления дав­
ления диффузора с меньшей горловиной при испытаниях в трубе с
вводом модели достаточно большого размера получается меньше,
чем для диффузора с большей горловиной, и следовательно, не
удастся реализовать преимущества малой горловины, связан с тем,
что
в
предельном
положении
ления в замыкающей системе
зона
интенсивного
скачков
уплотнения
повышения
дав­
в диффузоре с
меньшей горловиной находится в расширяющейся части канала,
где площадь поперечного сечения уже приблизительно соответст­
вует площади горловины большого диффузора. Кроме того, тор­
можение в расходящемся канале сопряжено с большими потерями,
чем в цилиндрическом
при примерно одинаковых скоростях потока.
Основной причиной,
по которой
имеющим меньшую горловину (рг
на рабочем режиме не удается
ные значения коэффициента
"тр . разр,
являются
слишком
дающие ввод модели.
методов
временного,
в испытаниях с диффузором,
1,0), при вводе модели в поток
реализовать
восстановления
сильные
Это
на
=
давления,
возмущения
позволяет
период
максимально
ввода
потока,
надеяться,
модели,
что
возмож­
близкие к
сопровож­
применение
улучшения
аэроди­
намических форм модели (например, см. [6]) уменьшит интенсив­
ность возмущения потока и таким образом позволит реализовать
преимущества диффузора с малой горловиной .
ЛИТЕРАТУРА
1. П о у п А., Г о й н К.
ростей. М .• Мир". 1968.
Аэродинамические
трубы
больших ско­
' 2. W е g е n е r Р., L о Ь Ь N. Ап experimenta1 stady of hypersonic
wind-junne1 dilfusors IAS', yol. 20, N 2, 1953.
3. К о н о т о п В. А . , Т и х о м и р о в Ю. А. Влияние загрузки
'Трубы и числа М в рабочей части на коэффициент восстановления
.давления в гиперзвуковой а9родинамической трубе. Труды UАГИ,
вып. 1414, 1972.
4. S m i t h R. J., F о 1 с k J. L. Calibration of the AFFDL - 50 mw.
Are Heated hypersonic wind junnel. AfFDL - TR-69-36.
5. К о н о т оп В . А .. Т и х о м ир о в Ю. А. Запуск аэродинамиче­
<:кой трубы с дуговым подогревом
Труды UАГИ, вып. 1414, 1972.
с
моделями
сферической формы.
6. К о н о т о п В. А., П и ч у г и н В. Ф. и др. Способ запуска
<:верхзвуковых аэродинамических труб. Авт. свид . .N! 128309, кл. 62 с,
32. Бюллетень изобретений М 9, 1960.
Рукопись
поступила
4/1V 1914
г.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа