CC BY
36
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦА Г И Т о м XII 19 8 1
№ 2
УДК 532.525.011.55
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОЛНОГО ДАВЛЕНИЯ В ПОТОКЕ ЗА ГИПЕРЗВУКОВЫМИ СОПЛАМИ
И. И. Ліежиров, Ю. И. Чистов
Изложены результаты экспериментального определения коэффициентов восстановления полного давления потока, истекающего из гиперзвуковых сопл в расположенный за ними цилиндрический канал. Подтвержден полученный в [1] теоретический результат о том, что величина коэффициента восстановления удовлетворительно совпадает с соответствующей величиной для прямого скачка уплотнения при числе Мф, определяемом отношением диаметра цилиндрического канала к диаметру критического сечения сопла (без учета влияния вязкости).
В работе [1] было показано, что коэффициент восстановления полного давления газового потока, вытекающего из гиперзвукового сопла в расположенный за ним цилиндрический канал, не зависит от толщины пограничного слоя на стенках сопла и режима течения в нем (числа Ие) и равен коэффициенту восстановления в прямом скачке уплотнения при числе Мф, определяемом отношением диаметра канала к диаметру критического сечения сопла. Это правило остается справедливым и в том случае, если диаметр канала превышает диаметр выходного сечения сопла. До сих пор, однако, это положение пе подвергалось систематической экспериментальной проверке.
В настоящей статье изложены результаты таких экспериментальных исследований, проведенных при числах Мф = 3,5-г-11,2. Получено, что теоретическая зависимость удовлетворительно подтверждается во всем рассмотренном диапазоне изменения числа Мф.
Исследования проводились в гиперзвуковой аэродинамической трубе периодического действия, рабочим газом был воздух. Схема газодинамического тракта с основными размерами представлена на рис. 1. Воздух, подогретый в омическом подогревателе до температуры, предотвращающей его конденсацию при гиперзвуковой скорости, поступает в форкамеру, а оттуда в сменное осесимметричное гиперзвуковое сопло. За соплом расположена рабочая часть (камера Эйфеля), а за ней — цилиндрический канал, диаметр которого равен диаметру выхода сопла (150 мм, за исключением сопла № 8, см. ниже таблицу). За каналом расположен конический диффузор, а за ним — система эжекторов, обеспечивающая перепад давления, достаточный для реализации рабочего режима.
При экспериментах измерялись давление и температура газа в форкамере (Рф> Т’ф). распределение полного давления за прямым скачком уплотнения на выходе из сопла р0, распределение полного давления р01 в конце цилиндрического канала в сечении 1—1. Кроме того, измерялось статическое давление р
Хамера Эйфеля
в камере Эйфеля, по резкому падению которого фиксировался момент запуска сопла. Все измерения проводились при незначительном превышении давления над давлением запуска.
Было испытано восемь гиперзвуковых сопл, основные параметры которых приведены в таблице. Здесь — диаметр критического сечения сопла, Лвых — диаметр выходного сечения сопла, А/А* — отношение площади выходного сечения сопла к площади критического сечения, Ая — площадь изоэнтропичес-кого ядра потока на выходе из сопла, определенная по измеренным значениям чисел Мя в ядре потока, Мф—число М, определяемое отношением А/А*, Д,/Л— относительная площадь изознтропического ядра на выходе из сопла, р^— давление в форкамере. При обработке опытных данных воздух считался совершенным газом с показателем адиабаты %=1,4.
№ сопла сі*, мм ■Овых> мм А Л* мф Мя АЯ1А V Па-10 5
1 27,60 150 29,6 5,22 4,90 23,07 0,78 5,75
2 18,82 150 63,5 6,59 5,75 44,4 0,70 10,875
3 13,47 150 124 7,29 6,80 91,59 0,733 13,00
4 9,79 150 235 8,38 7,80 169,4 0,718 8,75
5 7,62 150 388 9,33 8,55 258 0,662 17,125
6 6,0 150 625 10,32 9,35 390,9 0,622 29,20
7 5,70 150 692 10,56 9,50 421 0,609 28,90
8 5,0 110 900 11,16 10,0 535,9 0,595 46
Распределения давления р0 и р01 измерялись единичными насадками полного давления, которые перемещались по диаметру струи. Из таблицы видно, что относительная площадь вытеснения пограничного слоя на выходе из сопла (1^—Ля/Л) составляла от 22 до ~ 40% площади выходного сечения сопла.
Примеры распределения полного давления в сечении 1—1 на режимах запуска трубы рт по относительному радиусу канала г приведены на рис, 2 (давление />01 отнесено к давлению в форкамере р^, г — отношение текущего радиуса к радиусу выходного сечения канала). Видно, что во всех случаях неравномерность полного давления р01 довольно велика. Разброс экспериментальных точек, заметный на отдельных кривых, обусловлен нестабильностью параметров потока газа при режимах течения, близких к разрушению.
На рис. 3 представлены распределения чисел М в выходных сечениях нескольких сопл, рассчитанные по величине р0!рф. Видно, что числа М в пределах изознтропического ядра потока практически постоянны. В сопле № 8 имеет место значительная неравномерность, что связано с использованием в этом случае только части (около 1/3) полного контура профилированного сопла. Поэтому область однородного потока занимала незначительную часть невязкого ядра вблизи оси этого укороченного сопла.
Значения коэффициента восстановления полного давления ч вычислялись по формуле
1
Г -Ш. (I (г2).
Л Рф
Обоснованность такого способа осреднения следует из работ [2—4].'
На рис. 4 построена зависимость V (Мф). Здесь кроме указанных выше данных использовались также обработанные соответствующим образом материалы, заимствованные из работы [5], полученные при числах Мя = 3, 4, 5 при диаметре выходного сечения сопла —300 мм и диаметре расположенного за ним цилиндрического канала 400 мм.
На рис. 4 показана зависимость коэффициента восстановления полного давления в прямом скачке уплотнения от числа Мф, т. е.
<МФ>
1
где д — приведенный вующая числу Мф.
расход, Аф (Мф) — приведенная скорость газа, соответст-
Экспериментальные точки удовлетворительно согласуются с этой зависимостью (несмотря на наличие в газодинамическом тракте камеры Эйфеля). Это подтверждает теоретический результат, полученный в работе [1].
Таким образом, простая формула, полученная в [1], может быть рекомендована для оценки коэффициента ч в реальных газодинамических трактах гипер-звуковых установок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Межи ров И. И. О потерях полного давления в гиперзву-ковой аэродинамической трубе. „Инженерный журнал”, т. V, вып. 2, 1965.
2. Лыжин О. В., М е ж и р о в И. И. Об определении полного давления неравномерного газового потока. „Ученые записки ЦАГИ“, т. XI, № 3, 1980.
3. Гродзовский Г. Л. Осреднение параметров потока при испытании элементов турбомашин. „Ученые записки ЦАГИ“, т. XI, № 3, 1980.
4. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М., „Наука", 1976.
5. Беспалов А. М., Межиров И. И. Экспериментальное исследование работы сверхзвуковых диффузоров аэродинамической трубы с камерой Эйфеля. Технические отчеты ЦАГИ, 1961.
Рукопись поступила 251X11 1979 г.
8—.Ученые записки” № 2.
