О стабилизации течения в сверхзвуковом диффузоре аэродинамической трубы с камерой Эйфеля Текст научной статьи по специальности «Физика»

_______УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И

Т о м V 197 4

№ 2

УДК 532.542

О СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЯ В СВЕРХЗВУКОВОМ ДИФФУЗОРЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЫ С КАМЕРОЙ ЭЙФЕЛЯ

А. М. Беспалов, А. Г. Михальченко, В. Г. Серебряков

Приведены результаты экспериментального исследования влияния вязких эффектов на процессы установления и стабилизации сверхзвукового течения в цилиндрическом диффузоре аэродинамической трубы с камерой Эйфеля.

Все измеренные давления рнзы приведены в безразмерных величинах р — отнесенных к давлению на выходе из диффузора,

Ра

которое было равно ра= Ю5Па.

В работе [1] приведены результаты экспериментального исследования изменения характеристик аэродинамической трубы с камерой Эйфеля в процессе запуска. Работа проводилась на модели трубы, схема установки которой приведена на фиг. 1. Коническое сопло установки с диаметром выходного сечения

А.

ІШІ Ш»1

- - ^ і

ЩЩЩ

5

'Л '/' л '/

Фиг 1

d=18 мм и диаметром критического сечения d* = 9 мм рассчитано на число М = 2,72. Испытывались диффузоры с диаметрами каналов £>д = 36 и 54, мм на различном удалении I от среза сопла, длина L диффузоров равна пяти калибрам. Во время испытаний измерялось давление в форкамере р0 и в камере Эйфеля (т. е. в донной области) рк, а также распределение давления по стенке диффузора pAi (ря i — давление в дренажной точке, находящейся на расстоянии I от входного сеченил диффузора) и в выходном сечении сопла рс с помощью дренажных отверстий диаметром 0,8 мм. В работе проведен анализ особенности течения в области присоединения потока к стенке диффузора и рассмотрена физическая картина перестроения течения в диффузоре в момент присоединения свободной струи к стенке и при установлении полей чисел М в донной области. В частности, было показано, что в случае относительно большого диаметра диффузора (.Од = 54 мм) по сравнению с диаметром сопла (Dc=18 мм) в процессе запуска между режимами присоединения струи и стабилизации т ечения в донной области наблюдается существование промежуточного режима запуска, при котором происходит постоянное уменьшение давления рк в донной области. Следует отметить, что это уменьшение давления рк происходит при существовании на стенке диффузора области сверхзвукового течения, которая в данном случае, т. е. при £)л — 54 мм, возникает в момент присоединения струи к стенке. При сравнительно небольших диаметрах £>д возникновение этого сверхзвукового течения и стабилизация течения в донной области происходят практически одновременно. Следовательно, стабилизация течения в донной области не связана с изменением условий течения в выходной части диффузора, как утверждается в работе [2], а обусловлена, вероятно, достижением под воздействием эжекции струи предельною угла поворота потока в системе скачков уплотнения, возникающей в области присоединения. При этом каналом, по которому осуществляется обратная связь области присоединения с интенсивно эжектирующим начальным участком границы струи за кромкой сопла, является дозвуковая часть донной области.

Таким образом, минимальное давление в камере Эйфеля аэродинамической трубы определяется только условиями течения в области присоединения потока, зависит от давления в форкамере р0 и при Po = const не может быть изменено за счет увеличения степени сжатия эжектора, установленного за диффузором.

В настоящей заметке рассматривается физическая картина дальнейшего развития процесса стабилизации во всем канале диффузора и установления сверхзвукового течения с повторяющимися отражениями косого скачка уплотнения, показанного на фотографии фиг. 2.

Процесс стабилизации течения исследовался подробно на диффузоре с диаметром 36 мм (см. фиг. 1) с применением перемещаемых насадков полного давления и дренажа. Из полученных при этих испытаниях графиков распределения по стенке диффузора давления pAi (см. фиг. 2) и числа М (фиг. 3) и из графика изменения расстояния хл р до линии растекания в зависимости от давления в форкамере ро (фиг. 4) видно, что перестроение системы скачков в области присоединения потока заканчивается при давлении рй = 12,6.

При дальнейшем повышении давления в форкамере поля чисел М в донной области и в окрестности линии растекания стабилизируются (см. фиг. 2, 4). Из данных фиг. 3 видно, что после перестроения течения при jB0=12,6 в пристеночных струйках тока диффузора за областью присоединения имеет место ускоряющееся сверхзвуковое течение. При повышении Ро^> 12,8 область сверхзвукового течения на стенке диффузора постепенно распространяется вниз по потоку от линии растекания и при достижении р0 = 14,2 за скачком уплотнения, замыкающим эту область, на стенке диффузора возникает отрыв потока.

Течение в срывных областях, возникающих в диффузоре в процессе запуска, исследовалось насадками полного давления для прямого и обратного направления потока (фиг. 5). Результаты измерений в нескольких сечениях диффузора, расположенных на расстояниях Z, = 134, 144, 150, 162 и 175 мм, приведены на фиг. 5 в виде зависимости разности давлений &Р=Ро—Ря от р0. (Здесь р0 — давление, измерявшееся насадками у стенки диффузора, и р& — давление, измерявшееся при помощи дренажа стенки). Срывные области обнаруживаются по положительным значениям Др, измеренным насадком для обратного направления потока С использованием показаний этих насадков на фиг. 3 построены кривые изменения числа М вдоль стенки выходной части канала диффузора.

Из графиков фиг. 3, 4 и 5 видно, что в исследованном диффузоре в процессе запуска трижды происходит отрыв и присоединение потока (при />0=12,8; 14,2 и 29), причем с каждым разом область отрыва сдвигается ближе к выходному сечению диффузора.

Фиг. 2

Первая область отрыва быстро замыкается при незначительном повышении давления в форкамере. Из приведенных на фиг. 3 значений числа М на стенке диффузора видно, что при повышении давления ра от 12,8 до 17,0 интенсивность замыкающего скачка уплотнения за первой областью отрыва уменьшается, а скорость течения за ним постепенно увеличивается. Затем, при р0=14,2, после того как вследствие взаимодействия с ядром потока в области течения за этим скачком уплотнения скорость становится сверхзвуковой, возникает второй скачок уплотнения на стенке и за ним происходит второй отрыв потока на расстоянии /, = 110 мм. Область этого отрыва, расширяясь, приближается при р0 х 17,0 к выходному сечению диффузора и при достижении границей срывной области выходной кромки диффузора возникает срывное течение с открытым следом (по

терминологии Корста [3]). Затем снова происходит присоединение свободной струи к стенке, сопровождающееся характерным скачкообразным изменением давления (так же, как при />0=11,6). При этом распределение давления на стенке диффузора перестраивается из дозвукового в сверхзвуковое (фиг. 2, 4), и поля чисел М на входном участке диффузора стабилизируются на длине первого сверхзвукового периода (см фиг. 3), равного осевой протяженности падающей и отраженной частей косого скачка уплотнения в ядре потока, показанного на фотографии фиг. 2.

Отрыв и присоединение потока в процессе запуска диффузора были обнаружены также непосредственно при помощи зонда с шелковинками. При достижении давленияро=16,9 шелковинки в периферийных струйках выходного сечения

Диффузор JJ=3t>-} І =2£

— Ученые записки ЦАГИ №

Фиг. 5

практически мгновенно втягивались внутрь канала. Это течение сохранялось до давления р0= 17,0, при котором шелковинки снова мгновенно устанавливались по направлению струи. Изменение направления шелковинок сопровождалось изменением тембра шума струи. При достижении давления р0 — 29 весь процесс отрыва и присоединения струи снова повторялся в той же последовательности. Первый отрыв потока (при р0 — 12,8) с помощью шелковинок не обнаруживался, хотя изменение тембра шума струи наблюдалось так же, как и в двух последующих случаях. '

Таким образом, в результате повторяющихся отрывов и присоединений свободной струи сверхзвуковое течение распространяется до выходного сечения канала, и при некотором значении /7о^40 во всем канале диффузора происходит стабилизация полей чисел М. Дальнейшее повышение р0 = 40 приводит к увеличению интенсивности скачков уплотнения и увеличению потерь полного давления в струе, вытекающей из диффузора во внешнее пространство.

ЛИТЕРАТУРА

1. Беспалов А. М., Михальченко А. Г., Серебряков В. Г. Исследование процесса запуска диффузора сверхзвуковой аэродинамической трубы с камерой Эйфеля. .Ученые записки ЦАГИ*, т. IV, № 2, 1973.

2. Гродзовский Г. Л., Никольский А. А., Свище в Г. П., Т а г а н о в Г. И. Сверхзвуковые течения газа в перфорированных границах. М., Машиностроение, 1967.

3. Korst Н. Н. A theory for base pressure in transonic and supersonic flow. Journal of applied Mechanics, 23, No 4, 1958.

Рукопись поступила 22j V 1973 г.