Экспериментальное исследование теплопередачи на пластине при обтекании струи сверхзвуковым потоком Текст научной статьи по специальности «Физика»

Том I

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГ И 1970

№ 1

УДК 532.526.011.6 532.525.2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ НА ПЛАСТИНЕ ПРИ ОБТЕКАНИИ СТРУИ СВЕРХЗВУКОВЫМ

ПОТОКОМ

И. А. Кондратьев

Приведены результаты экспериментального исследования теплопередачи на плоской пластине при обтекании сверхзвуковым потоком с числом Мсо — 5 струи воздуха, истекающей по нормали к пластине из круглого отверстия. Число Рейнольдса, вычисленное по параметрам невозмущенного потока и по расстоянию от отверстия до передней кромки пластины, составляло^ ~0,9-106. Теплопередача измерялась методом термоиндикаторных покрытий. Полученные результаты свидетельствуют о резком увеличении теплопередачи на пластине в окрестности вдуваемой струи.

В последние годы в связи с интенсивной работой в таких направлениях, как управление вектором тяги, струйные рули и т. п., возрос интерес к проблеме инжекции вторичной жидкости в однородный сверхзвуковой поток через отверстия в поверхности тела. В работах [1]—[3] в основном исследуются поведение и структура самой струи и характер течения вблизи поверхности тела около вдуваемой струи.

В данной статье исследуется теплопередача на плоской пластине при обтекании сверхзвуковым потоком с числом Мсо = 5 струи воздуха, истекающей по нормали к пластине из круглого отверстия диаметром 2 мм. При эксперименте температура торможения потока равнялась ~495° К, давление торможения -^,8 та,

Фиг. 1

число Рейнольдса, вычисленное по параметрам невозмущенного потока и расстоянию от отверстия до передней кромки пластины, Ке« «0,9-'ю6. Основным переменным параметром в испытаниях было полное давление струи рау , которое изменялось от 2 до

10—Ученые записки № I

145

При истечении струи газа из отверстия в сверхзвуковой поток вблизи поверхности тела около струи возникает сложное пространственное течение. Когда давление в выходном сечении струи выше давления окружающей среды, как это имело место в исследовании, струя истекает в окружающую среду на режиме недорасширения. Структура струи при этом режиме истечения показана на теневой фотографии обтекания (фиг. 1), соответствующей случаю р0 / = 10 ата. Препятствие в виде струи вызывает в основном потоке сильный криволинейный скачок взаимодействия /. Истекающая струя в процессе расширения до значений параметров, при которых образуется центральный скачок уплотнения 2, резко отклоняется вниз по потоку. В области прилипания струи к поверхности пластины образуется слабый хвостовой скачок уплотнения 3 Других особенностей обтекания струи на этой фотографии из-за малой плотности потока рассмотреть не удается.

Фиг. 2

Картина предельных линий тока на поверхности пластины при взаимодействии струи со сверхзвуковым потоком, полученная с помощью размываемых потоком точек специальной краски, показана на фиг. 2 для p0j — 8 ата. Скачок взаимодействия вызывает на пластине отрыв пограничного слоя, о чем свидетельствует обратное течение газа перед струей и наличие точек краски, не изменивших свою форму. По обе стороны струи отчетливо видны линии растекания et и е2. Линия растекания обусловлена, по-видимому, двумя подковообразными вихрями с противоположными направлениями вращения, возникающими перед струей в зоне отрыва [3]. На линии е2 происходит присоединение пограничного слоя, оторвавшегося под влиянием скачка взаимодействия. Однако в результате вихревого движения около струи происходит повторный отрыв пограничного слоя. На фиг. 2 линия s, представляющая собой линию стекания краски, и является, очевидно, линией повторного отрыва пограничного слоя.

Теплообмен на пластине при обтекании струйного препятствия сверхзвуковым потоком с числом Моо =5 исследовался методом термоиндикаторных покрытий. Модель пластины была изготовлена из органического стекла; передняя кромка ее во избежание быстрого обгорания имела небольшое затупление. С помощью пульверизатора на нее наносился очень тонкий (б <0,1 мм) слой краски. Первый, обратимый переход красного цвета в черный наблюдается при температуре 338° К. До установления в трубе рабочего режима модель при помощи поворотной державки располагалась вне потока, внутри охлаждаемого теплозащитного кожуха. При вводе модели в поток с помощью пневмоцилиндра она пересекала поток за 0,1 сек.

При эксперименте измерялась продолжительность нагревания модели до момента изменения цвета краски в рассматриваемой точке поверхности. Картина движения изотермы Т — 338° К по поверхности модели в процессе испытания фиксировалась кинокамерой на черно-белую кинопленку. По измеренному времени наступления цветового перехода т и известным значениям начальной температуры модели Тн, температуры восстановления Те и теплофизических характеристик материала модели путем

10*

Фиг. 4

147

решений уравнения теплопроводности [4] может быть определен коэффициент теплопередачи Л. Поскольку температура Те в эксперименте не измерялась, то в первом приближении вместо ее значения использовалось значение температуры торможения потока. Начальная температура Тн измерялась при каждом испытании модели. Благодаря низкому значению коэффициента температуропроводности материала модели глубина зоны прогрева пластины невелика, в связи с чем значения коэффициента теплопередачи на поверхности вычислялись из решения уравнения теплопроводности полуограничен-ного тела.

На фиг. 3 представлены кривые распределения безразмерного коэффициента теплопередачи вдоль линии симметрии пластины; по оси абсцисс отложена вели-

чина х1 — хЩ где х — расстояние от передней кромки пластины, а Ь — длина пластины (Ь— 149 мм). Для сравнения на этом графике штрих-пунктирной линией показано распределение чисел рассчитанных для плоской пластины при наличии ламинарного режима течения в пограничном слое и при отсутствии на пластине струи. Видно, что непосредственно перед струей интенсивность теплопередачи примерно в 20 раз выше, чем на пластине, обтекаемой невозмущенным потоком, причем максимальное значение числа не зависит от давления струи р0у- Однако полученное в экспе-

риментах максимальное значение числа Б^ требует некоторого уточнения, так как время цветового перехода краски в области максимума теплового потока соизмерима со временем ввода модели в поток газа, и поэтому могут иметь место ошибки в определении времени цветового перехода краски в этой области.

Характер распределения чисел в поперечных сечениях за струей для р0у = 2 ата показан на фиг. 4, на которой по оси абсцисс отложена величина У\ — У1У шах (У—расстояние от плоскости симметрии пластины, у гаах — коорди-®‘оо ®*оо

ната положения максимального значения Б(”ах в выбранном сечении). Кривая 1 соответствует сечению, проходящему через ось отверстия для вдува; кривые 2 и 3—сечениям, отстоящим от оси отверстия вниз по потоку соответственно на 7 и 21 мм. Из фиг. 4 видно, что кривые распределения числа в поперечных, сечениях имеют два максимума. Первый максимум теплового потока соответствует линии растекания е\ (см. фиг. 2), а второй, по абсолютной величине меньший первого, — линии присоединения пограничного слоя ег. График показывает, что величина первого максимума теплового потока быстро уменьшается в зависимости от расстояния вниз по потоку от отверстия для вдува.

* *

*

ЛИТЕРАТУРА

1. Schetz J. A., Hawkins P. F., Lehman Н. Structure of highly underexpanded transverse jets in a supersonic stream. AIAA Journal, vol. 5, No. 5, 1967.

2. S p a i d F. W., Zukoski E. E. A study of the Interaction of

gaseous jets from transverse slots with supersonic external flows. AIAA

Journal, vol. 6, No. 2, 1968.

3. Глаголев А. И., Зубков А. И., Панов Ю. А. Обтекание

струйного газообразного препятствия на пластине сверхзвуковым потоком. Изв. АН СССР, МЖГ, 1967, № 3.

4. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М., «Высшая шко-

ла*», 1967.

Рукопись поступила 2/IV 1969 г.