Исследование поля потока в осесимметричном профилированном сопле в диапазоне чисел м=7÷10 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Том XXXV

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 20 0 4

№ 3—4

УДК 533.6.071.4 532.525.011.55

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯ ПОТОКА В ОСЕСИММЕТРИЧНОМ ПРОФИЛИРОВАННОМ СОПЛЕ В ДИАПАЗОНЕ ЧИСЕЛ М = 7* 10

В. П. ВЕРХОВСКИЙ,

Приведены результаты расчетно-экспериментального исследования поля течения в рабочей части гиперзвуковой аэродинамической трубы в диапазоне чисел М=7 10. Для формирования потока на входе в рабочую часть использовалось имеющееся на установке осесимметричное профилированное сопло, рассчитанное на число М= 10, с изготовленными к нему новыми сменными трансзвуковыми отсеками, обеспечивающими течение газа, близкое к равномерному с числами М = 7; 7.5 и 8.25. Сопло имеет диаметр выходного сечения 1000 мм, длину = 5000 мм, длина сменных отсеков составляет = 240 мм. Испытания показали удовлетворительное согласование расчетных и экспериментальных полей течения в сопле.

В. В. НОСОВ

В соответствии с проектом аэродинамическая труба Т-117 работает в диапазоне чисел М от 10 до 18.6 при рабочих параметрах торможения воздуха р0 = (38 — 200) -105 Па, Т0 = 1100 — 3500 К. Подогрев газа при этом производится в электродуговом подогревателе. Реализация гиперзвуковых чисел М осуществляется в осесимметричных профилированных соплах. Расширение диапазона работы аэродинамической трубы по числам М значительно повышает ее экспериментальные возможности. При числах М<10 проводятся испытания моделей перспективных летательных аппаратов. В аэродинамической трубе отработана методика проведения испытаний

с применением вакуумной системы (вместо использования эжекторной), что позволило значительно снизить стоимость эксперимента. В этой связи целесообразность расширения диапазона работы трубы в сторону уменьшения чисел М значительно возросла, так как аналогичные испытания в аэродинамических трубах с использованием эжекторов в несколько раз дороже. Расширение диапазона работы трубы выполнено без существенных капиталовложений. Вместо изготовления новых профилированных сопл использовалось имеющееся осесимметричное профилированное сопло на число М = 10 с новыми сменными трансзвуковыми отсеками.

1. Схема аэродинамической трубы приведена на рис. 1. Выбранное в качестве базового профилированное сопло (рис. 2) имеет длину 4955 мм, диаметр выходного сечения 978 мм и состоит из восьми отсеков, первые три из которых охлаждаются водой. Первый трансзвуковой сменный отсек имеет длину 241 мм, диаметр критического сечения й* = 31.5 мм. К базовому соплу рассчитаны три новых сменных трансзвуковых отсека (вставки) на числа М = 7; 7.5 и 8.25 с диаметрами критических сечений соответственно равными й* = 89; 76 и 60 мм (рис. 3). Для упрощения конструкции и уменьшения трудозатрат на их изготовление трансзвуковые отсеки выполнены неохлаждаемыми. Проведенные оценки показали, что если ограничить температуру торможения на уровне 1000 К, то работоспособность конструкции не пострадает.

При испытаниях использовался двухдуговой подогреватель коаксиального типа с поперечным обдувом дуг, вращающихся в магнитном поле (см. рис. 1). Подогреватель состоит из

двух одинаковых блоков, основными элементами которых являются охлаждаемые водой дуговые камеры, центральные электроды и электромагнитные катушки. Все испытания проводились с ис-

I

1 г / / - 4 .. . _—

й — Г-1 -1

п і " і : 'X 1Г 1

::0

11:1

/3__А:хО О

1-3 ти

Рис. 1. Схема аэродинамической трубы Т-117:

1 — электродуговой подогреватель; 2 — сопло; 3 — рабочая часть; 4 — гребенка; 5 — диффузор; 6 — воздухоохладитель; 7 — вакуумная емкость; 8 — эжектор

Рис. 2. Схема профилированного сопла на число М = 10

Рис. 3. Схема сменных трансзвуковых отсеков пользованием вакуумной системы. Запуск трубы осуществлялся после готовности всех систем (водяной, воздушной, вакуумной, электрической, измерительно-вычислительной) путем подачи холодного воздуха через впускной клапан в форкамеру с давлением р0х и включения тока силой I. Начальные значения р0х и силы тока определялись по полученным характеристикам электродугового подогревателя [2].

2. Методика расчета сменных трансзвуковых отсеков к заданному (базовому) осесимметричному профилированному соплу, использование которых позволяет получить на выходе близкое к однородному течение газа в некотором диапазоне чисел М, дана в работе [1]. Сущность методики состоит в определении радиуса критического сечения сменного отсека и численном расчете сверхзвукового контура его проточной части, обеспечивающего разгон потока газа вдоль оси до некоторого (искомого) значения числа М. При этом реализуется плавное сопряжение контуров сменного и следующего за ним базового отсека сопла (вплоть до второй производной

в месте их стыковки). Учитываются эффекты влияния вязкости (пограничного слоя).

Расчет контуров сменных отсеков к указанному выше соплу (М=10) первоначально проводился по описанной выше методике. Было показано, что реализация однородного течения газа

с числами М<9 достигается при одновременной замене контуров двух первых отсеков. Конструкция профилированного сопла на число М= 10 исключает возможность использования второго отсека как сменного (в отличие от первого). В дальнейшем решалась задача нахождения контуров только первых сменных отсеков в предположении реализации в выходном сечении базового сопла и рабочей части течения с приемлемой степенью неравномерности ДМ/М < 1%. Контуры сменных отсеков находились последовательными приближениями путем изменения их конфигурации. В качестве начальных выбирались контуры, полученные из расчета равномерного течения в сопле [1]. После каждого изменения формы сменного отсека рассчитывалось (методом характеристик) поле в сопле и определялась степень неравномерности потока в рабочей части.

3. Измерение полей течения в рабочей части проведено с использованием гребенки полных давлений р0 за прямым скачком уплотнения, имеющей 21 насадок, интервал между ними составлял 50 мм. Гребенка перемещалась по длине рабочей части от ее начала на расстояние от Х1 = 350 до 1350 мм с помощью координатника, закрепленного в верхней части камеры Эйфеля. В процессе пуска измерялось давление р0 в форкамере. Температура торможения Т0

определялась с использованием уравнения расхода. По измеренным значениям р0) и р0 строились профили р0/р0) и чисел М в поперечных сечениях рабочей части.

Исходное базовое сопло рассчитано на число М= 10 для течения воздуха с параметрами торможения р0 = 50-105 Па; Т0 = 2000 К [3]. При этих параметрах течения число Яех вдоль

контура сверхзвуковой части сопла составляет « 4.2 -106. При таком значении числа Яе течение в пограничном слое будет турбулентным. Учет влияния вязкости при расчете сопла сводился к увеличению ординат изоэнтропического контура у на толщину вытеснения 5* турбулентного пограничного слоя у№ = у + 5*. Для ее вычисления использовалась эмпирическая зависимость (57Х)Яе0166 = 0.0264М0824 (х — отсчитывается от критического сечения сопла, в котором

предполагается отсутствие пограничного слоя). Расчет координат изоэнтропического контура проведен методом характеристик (решалась обратная задача) в предположении равновесного протекания физико-химических процессов.

В сопле проведено экспериментальное исследование течения с параметрами торможения

р0 = (38 —100) -105 Па, Т0 = 1000 — 1800 К. На рис. 4 представлены распределения величины р0 /р0 в поперечных сечениях рабочей части при течении газа с параметрами торможения р{) = 42 -105 Па, Т = 1200 К. Величина неравномерности давления в поперечных сечениях в

области невязкого ядра потока составляет ±2,3%.

В сопле, с указанными выше параметрами торможения, проведен численный расчет течения с учетом влияния вязкости. Расчет проводился методом характеристик. Поле потока в сопле

0.18 0.20 0.22 0.20 0.22 0.21 0.23 0.20 0.22 р0'/рв 1(?

Рис. 4. Распределение р0/р0 в сечениях рабочей части:

М=10; течение р0 = 42-105 Па; Т = 1200 К

Рис. 5. Сравнение расчетного и экспериментального поля потока:

М=10; течение ро = 42-105 Па; То = 1200 К

определялось в результате решения прямой задачи по изоэнтропическому контуру (у = у№ — 8*). Для определения толщины вытеснения турбулентного пограничного слоя использовалась зависимость (8*/х) Яе°'2 = / (М) из работы [1]. Результаты расчета и сравнение с

экспериментальными данными представлены на рис. 5. В верхней части приведены продольные распределения чисел М вдоль изоэнтропического контура Мк и на оси сопла М0, в нижней — поперечные распределения чисел М в трех сечениях рабочей части. Точками обозначены экспериментальные данные. В нижней части рисунка приведены также контур сопла ук, изоэнтропический — у и контур невязкого ядра потока унев, характеристики течения, показан радиус ядра невязкого течения на выходе из сопла. При определении контура невязкого потока (Унев = Ук — 8) принималось, что толщина пограничного слоя составляет 8 = 28*.

Результаты эксперимента и расчета показывают, что в рабочей части реализуется течение газа с числом М=10.5, несколько больше расчетного вследствие отличия температуры торможения (70 = 1200 K) от расчетного значения (70 = 2000 K). Известно, что уменьшение температуры торможения от расчетного значения сопровождается также перерасширением потока на оси в области разгонного участка сопла [4]. В рассмотренном сопле в окрестности х«2000 мм число М достигает значения М« 11.3. Однако это перерасширение не ухудшает качество потока в рабочей части. Испытания показывают, что перерасширение потока способствует некоторому увеличению диаметра невязкого ядра потока в области расположения модели при х = 5350—5950 мм.

В целом по длине рабочей части происходит уменьшение ядра потока по характеристике II семейства, выходящей от среза сопла (см. рис. 5). Для рассмотренного режима течения диаметр ядра потока составляет 550—600 мм. Величина неравномерности чисел М в ядре не превышает величины AM/M <±0.5%, имеется небольшой положительный градиент числа М вдоль оси, величина которого составляет 1% на длине 1 м. Отметим, что расчетные поля течения вполне удовлетворительно согласуются с экспериментальными. Испытания показали (см. [3]), что в диапазоне температур торможения от 70 = 1000 до 1300 K число М в рабочей части слабо зависит от 70 и близко к значению М=10.5. При больших температурах 70 число М начинает уменьшаться, достигая расчетного значения М= 10 при температуре 70 «1600 K. Отметим, что при этом увеличивается величина неравномерности чисел М, достигая значения AM/M «±1%. Ухудшение качества потока с увеличением температуры торможения, по-видимому, связано с изменением температурного фактора на стенке по длине сопла. При расчетах он принимался постоянным по всей длине сопла, а фактически являлся переменным (только три секции сопла выполнены охлаждаемыми).

Сменные трансзвуковые отсеки на числа M< 10 были изготовлены и испытаны значительно позже исходного сопла. Первоначально был изготовлен сменный отсек на число М = 8.25, а затем последовательно на числа М = 7.5 и 7. Результаты экспериментального исследования потока в рабочей части со сменными отсеками представлены на рис. 6—10.

Испытания в сопле на число М = 8.25 проведены в диапазоне параметров торможения

р0 =(13 — 45)• 105 Па, 70 = 770 — 900 K. На рис. 6 приведены поперечные профили p0/р0 в

различных сечениях рабочей части при параметрах р0 = 13.5-105 Па, 70 = 800 K. В начале рабочей части при Х1 = 300 — 500 мм величина неравномерности р0/р0) в поперечных сечениях составляет 4—5%, при Xi > 500 мм величина указанной неравномерности уменьшается до 1.5%. На оси

v мм

Рис. 6. Распределение р0/р0 в сечениях рабочей части: М = 8.25; течение р0 = 13.5• 105 Па; 70 = 800 K

рабочей части имеется незначительный положительный продольный градиент. Для режима течения с параметрами торможения р0) = 41 -105 Па, 70 = 730 K он практически отсутствует.

На рис. 7 приведено сравнение расчетных и экспериментальных полей течения. В рабочей части реализуется течение со средним числом М « 8.25 и небольшим отрицательным градиентом числа М. Величина неравномерности ДМ/М в сечении х = 300 мм составляет ±0.7%. Далее внизу по потоку она уменьшается, достигая значения ±0.4% при хх = 700 мм. Ядро невязкого потока в области расположения модели составляет 600—700 мм. В целом расчетное поле течения в рабочей части удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными.

На рис. 8 и 9 приведены результаты испытаний и расчета для сопла со сменным отсеком на число М = 7.5. На рис. 8 представлены профили р0/Р0 в различных сечениях рабочей части

(х1 = 745 — 1340 мм) при течении газа с параметрами торможения р0 = 15 -105 Па, 70 = 700 К. Видно, что диаметр невязкого ядра составляет 600—700 мм. На рис. 9 приведены результаты расчета, которые вполне удовлетворительно согласуются с результатами испытаний. Величина неравномерности чисел М в рабочей части составляет ±0.7%, градиент числа М на длине 1 м не превышает 1%. Отметим, что поле потока в сопле получено в диапазоне давлений торможения

р0 = (15 —22) -105 Па при 70 = 700 К. С увеличением давления в форкамере число М в сопле увеличивается незначительно, величина неравномерности потока при этом практически не изменяется.

Рис. 7. Сравнение расчетного и экспериментального поля потока: М = 8.25; течение р0 = 13.5-105 Па; 70 = 800 X

М = 7.5; течение р0 = 15-10 Па; Т0 = 700 К

Рис. 9. Сравнение расчетного и экспериментального поля потока:

М = 7.5; течение р0 = 15-105 Па; Т0 = 700 К

_ расчет

жспеоимект

7.0 7.2 М

Рис. 10. Сравнение расчетного и экспериментального поля потока:

М = 7; течение Р0 = 10 -105 Па; 70 = 675 К

В сопле со сменным отсеком, рассчитанном на число М = 7.0, проведен один пуск с параметрами торможения р00 = 10 -105 Па, 70 = 675 К. Результаты расчета и испытания в виде профиля числа М в сечении рабочей части, находящемся на расстоянии Х1 = 750 мм от среза сопла, приведены на рис. 10. Усредненное экспериментальное значение числа М составляет М * 7.15,

на 2% выше расчетного, но его профиль поперек сечения идентичен расчетному. В ядре потока с диаметром 600 мм величина неравномерности ДМ/М близка к ±1%. Для уточнения поля потока в рабочей части с использованием указанного сменного отсека требуются дополнительные испытания.

Длительность стационарного режима течения в рабочей части аэродинамической трубы при работе с вакуумной емкостью составляет от 60 с при М=10 до 25 с при М = 7, что вполне достаточно для проведения испытаний.

Расчетно-экспериментальное исследование показало удовлетворительное качество потока в рабочей части аэродинамической трубы Т-117, пригодное для проведения тематических и промышленных испытаний при течении газа с числами М = 7.5, 8.25 и 10.

ЛИТЕРАТУРА

1. Быркин А. П., Верховский В. П., Сосунов А. Ю. Расчет осесимметричных профилированных сопл для чисел М< 10 // Ученые записки ЦАГИ. —

1993. Т. XXIV,

№ 2.

2. Верховский В. П., К о но топ В. А., Носов В. В. Исследо тния по расширению диапазона работы АДТ Т-117по числам М (М = 7—10) // Сб. материалов XIV конференции школы-семинара ЦАГИ «Аэродинамика летательных аппаратов». — Изд.

ЦАГИ. — 2003.

3. Андреев О. Е., Бочарников В. П., Быркин А. П., Верховский В. П.,

Межиров И. И., Луняков И. И., Чистов Ю. И., Шустов В. И. Сопла гипер-звуковой аэродинамической трубы Т-117 ЦАГИ // Труды ЦАГИ. — 1989.

4. Верховский В. П. Численный расчет изоэнтропических течений в осесимметричных гиперзвуковых соплах заданной конфигурации при высоких температурах торможения реального газа // Труды ЦАГИ. — 1973. Вып. 1494.

Рукопись поступила 28/У 2003 г.