Теплообмен в кольцевой выемке в гиперзвуковом потоке при наличии и отсутствии вдува газа Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Том XVIII 1987

№ 3

УДК 533.6.011.55 : 533.694.71

ТЕПЛООБМЕН В КОЛЬЦЕВОЙ ВЫЕМКЕ В ГИПЕРЗВУКОВОМ ПОТОКЕ ПРИ НАЛИЧИИ И ОТСУТСТВИИ ВДУВА ГАЗА

В. Я. Боровой, С. К■ Мариниченко, А. С. Скуратов

Представлены результаты экспериментального исследования теплообмена на поверхности острого конуса с кольцевой выемкой, обтекаемого гиперзвуковым потоком при М«„ =6 и £ =5,6-105. Получено распределение локального коэффициента теплоотдачи в выемке и за ней. Показано, что при отсутствии вдува газа величина интегрального теплового потока в зоне расположения выемки, включая область присоединения слоя смешения, приближается к аналогичной величине для конуса без выемки. Вдув газа в выемку приводит к существенному снижению теплоотдачи на дне выемки, на ее задней стенке и поверхности конуса непосредственно за выемкой. Происходит также заметное снижение интегрального теплового потока.

Известно, что тепловой поток к поверхности тела при отрывном течении в выемке существенно меньше, чем при безотрывном течении. Согласно теоретическому анализу Чепмена в области ламинарного отрыва интегральный тепловой поток составляет

0,56 от соответствующей величины в присоединенном пограничном слое [1]. В этом анализе не учитывается усиление теплообмена в зоне присоединения, где местный коэффициент теплдотдачи может быть в несколько раз больше, чем при безотрывном обтекании. В данной статье показано, что наличие этой зоны практически сводит к нулю почти все уменьшение теплового потока в самой зоне отрывного течения. Размеры области усиленного теплообмена относительно невелики и, если ее каким-либо образом устранить, например, с помощью вдува газа, наличие выемки на поверхности приведет к сокращению интегрального теплового потока.

В работе [2] проведено экспериментальное исследование вдува гелия в гиперзву-ковой ламинарный поток, обтекающий выемку на поверхности острого конуса, при числе Моо = 11. Газ вдувался через кольцевую щель, расположенную в верхней части передней стенки выемки. Было установлено, что при массовом расходе вдуваемого газа, составляющем 10% массового расхода в присоединенном пограничном слое, можно устранить пик давления в области присоединения слоя смешения — создать поток с почти постоянным давлением в выемке и ниже по течению за ней. Кроме того, вдув оказывал сильное влияние на теплообмен. В месте присоединения слоя смешения тепловой поток уменьшался более чем в шесть раз, а ниже по течению за выемкой ■— более чем в три раза.

В данной статье в отличие от работы [2] вдув газа в выемку производился через пористую вставку, расположенную на дне выемки вблизи задней стенки. Известно, что подача газа через пористую поверхность имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами создания газовых завес, например, подачей через щель или дискретные отверстия. Главными из них являются равномерное распределение вдуваемого газа по поверхности и меньший расход охлаждающего газа для достижения того же эффекта.

1. Для исследования выбрана модель, представляющая собой острый конус с полууглом раствора 0=10° и длиной 1=150 мм (рис. 1). На расстоянии 60 мм от носка выполнена кольцевая выемка длиной /=25 мм и глубиной Н = 5 мм. В задней части выемки на дне установлена кольцевая пористая вставка для вдува газа. Модель была изготовлена из стекловолокнового материала АГ-4В, вставка — из нихрома Х20Н80, ее пористость составляла 30%.

Подача газа в модель осуществлялась с помощью специально изготовленного стенда. Испытания проводились в аэродинамической трубе при нулевом угле атаки и при числах М0<:=6 и Ие^ ^=5,6-105. Пограничный слой на поверхности конуса был ламинарным, его расчетная толщина перед выемкой составляла 6 = 0,76 мм. Температурный фактор составлял Гю = 7’»/Г0 = 0,58.

Для измерения коэффициентов теплоотдачи использовались поверхностные термопары, которые устанавливались на противоположных образующих конуса. На фотографии модели (рис. 1) термопары видны на дне выемки. В качестве характерной температуры потока использовалась температура восстановления для плоской пластины:

!+г М2 Тг=Т0--------

>+ — м2

Здесь То — температура торможения; /"=0,84 — коэффициент восстановления для ламинарного пограничного слоя; Ме=5 — число Маха на внешней границе пограничного слоя, рассчитанное по таблицам [3].

2. Широко известно, что при сверхзвуковом обтекании в выемке формируется течение, получившее название «открытая выемка», если отношение длины выемки к I

ее глубине 15 [4]. Отрывное течение при этом занимает всю выемку. Погранич-

Н

ный слой на передней кромке отрывается и формируется подобный струе свободный вязкий слой смешения, рис. 2, а. В самой выемке существует циркуляционное течение, которое снабжается энергией из вязкого слоя смешения.

Основными факторами, влияющими на теплообмен в «открытой выемке», являются: отношения 1[Н, Н/д, число Ме, состояние пограничного слоя. В данном слу-

Замыкающий скачан

Рис. 2

чае 1/Н=5; #/8 = 6,6; Ме = 5. Пограничный слой в выемке и за ней оставался в ламинарном состоянии. На рис. 3 приведено распределение относительного коэффициента теплоотдачи /г=/г//г, по поверхности конуса с выемкой. Здесь /г;—коэффициент теплоотдачи перед выемкой. Координата х на поверхности конуса перед и за выемкой, а также на дне выемки отнесена к длине выемки /=25 мм, на передней и задней стенках—к глубине выемки Н—5 мм. Распределение относительного коэффициента теплоотдачи по поверхности неравномерно и соответствует физической картине течения газа в выемке.

Наибольшее усиление теплообмена происходит в верхней части задней стенки и на внешней поверхности конуса за выемкой, где коэффициент теплоотдачи более чем в три раза превышает соответствующую величину в невозмущенном пограничном слое. Усиление теплообмена связано с присоединением вязкого слоя смешения, сформировавшегося над выемкой, и образованием в зоне присоединения тонкого пограничного слоя. В нижней части задней стенки и на дне выемки теплообмен управляется пограничным слоем циркуляционного течения. В соответствии с направлением этого течения пограничный слой нарастает от задней стенки к передней, а величина к падает в этом направлении. За выемкой на расстоянии х/1>0,& от ее кромки теплообмен практически такой же, как в невозмущенном пограничном слое. На передней стенке выемки теплообмен довольно слабый, а при х/Я>0,4 тепловой поток столь мал, что

датчики применяемой конструкции его не регистрируют и здесь условно считается, что /і=0.

3. По результатам измерения местного теплового потока определялась относительная величина интегрального теплового потока в выемку:

п т

і=1

щ, sin Є//i [(/, + if2 І і312},

__ Q_________________________________

Qe Qe

Здесь q — локальный тепловой поток. Первое слагаемое в числителе представляет собой интегральный тепловой поток к поверхности выемки, включая переднюю и заднюю стенки; п и AS, — соответственно количество и площадь кольцевых участков между термопарами. Второе слагаемое в числителе ■— дополнительный интегральный тепловой поток к поверхности конуса за выемкой, т и AS^ — количество и площадь кольцевых участков между термопарами на поверхности; бqh = qh-—q,-h— разность между величинами теплового потока к поверхности конуса при наличии и отсутствии выемки.

Интегральный тепловой поток к поверхности конуса без выемки при ламинарном пограничном слое определяется выражением I

Qe = 2щ1 sin 0 j" Yh (h + x) dx о

где /і — расстояние от носка конуса до выемки; qt — измеренный локальный тепловой поток на поверхности конуса перед выемкой, координата х отсчитывается вдоль образующей конуса. Без учета усиления теплообмена в области присоединения получается Q=0,49. Это довольно близко к теоретическому значению 0,56, полученному Чепменом. Различие около 12% может быть объяснено, во-первых, тем, что Чепмен рассматривал плоскую задачу и предполагал, что в точке отрыва пограничный слой имеет нулевую толщину, во-вторых, недостаточно частым расположением датчиков на поверхности выемки и связанной с этим ошибкой интегрирования. Учет усиления теплообмена в области присоединения в периферийной части задней стенки и непосредственно за ней на поверхности конуса дает значение Q = 0,87. Таким образом, наличие даже сравнительно узких зон усиленного теплообмена в конце области отрыва почти компенсирует уменьшение потока тепла в самой области отрывного течения.

4. Вдув газа в выемку вносит существенное изменение в картину теплообмена. На рис. 4 приведено распределение относительного коэффициента теплоотдачи по по-

st/st,

Область присоединения Вязкого слоя смешения

>v

Л

Ч\

V

3,5

\\

• задняя стенка Выемки,х/Н~0,1 х поверхность конуса за Вы емкои,х/1 -0,02

веяаст циркуляционного течения

\

\

• задняя стенка \

Выемки, х/Нш 0,8 «Ч

* дно Выемки, х/1=0рв

О 0,05

Рис. 5

верхности конуса при вдуве через пористую вставку. Параметр вдува определяется р и F„ р , и

г W W и г IV W

как J= Z—7,— ~р~ , где ■ ■ -——отношение массового расхода вдуваемого газа к

Рю “со ГЬ Роо иоа

р

массовому расходу в набегающем потоке, —И- =0,4—отношение площади поверх-

ности пористой вставки к площади кольцевой выемки в сечении, проходящем через заднюю стенку (см. рис. 1). При /=0,022 вдув не оказывает влияния на теплообмен на всех поверхностях выемки и на поверхности конуса за выемкой. Более интенсивный вдув (/=0,085 и 0,096) приводит к резкому ослаблению теплообмена. Например, в области присоединения слоя смешения интенсивность теплообмена при /=0,096 падает почти в десять раз, на дне выемки — более чем в два раза. При />0,085 нигде на поверхности выемки тепловой поток не превышает соответствующую величину в невозмущенном пограничном слое.

Влияние вдува газа на теплообмен в выемке обусловливается тремя причинам^.

Во-первых, у задней стенки образуются встречные потоки: газ, участвующий в циркуляционном течении, движется от внешней поверхности 1 вглубь выемки, вдуваемый газ — в противоположном направлении. Относительно холодный вдуваемый газ оттесняет циркуляционное течение от задней стенки выемки (рис. 2,6).

Во-вторых, вблизи угловой точки 03 (схема на рис. 3) вдуваемая струя газа оттесняет от конической поверхности вязкий слой смешения, что приводит к резкому снижению интенсивности теплообмена в зоне присоедиения и за ней. Слой смешения, разбавленный холодным вдуваемым воздухом, присоединяется к поверхности ниже по потоку, в данном случае в области х/1^0,2, о чем свидетельствует локальный максимум на соответствующих кривых распределения h за выемкой.

В-третьих, часть вдуваемого газа вовлекается в циркуляционное течение в выемке, снижает температуру циркулирующего газа, приводя к ослаблению теплообмена на дне и передней стенке выемки. При интенсивном вдуве циркуляционное течение, по-видимому, размыкается (рис. 2, в). При этом количество газа, вовлекаемого в циркуляционное течение, не зависит от интенсивности вдува и определяется лишь массой газа, подсасываемого в слой смешения. 3 связи с этим при больших значениях параметра вдува тепловой поток к дну слабо зависит от /. Размыкание циркуляционной зоны происходит, вероятно, при /«0,05 -т- 0,06.

На рис. 5 приведены зависимости отношения чисел Стантона St/St0 на различных поверхностях выемки от параметра вдува. Здесь Sto — число Стантона для соответствующей точки без вдува. На задней стенке и дне выемки, пока параметр вдува не достигнет величины / = 0,022, вдув не влияет на теплообмен, а на поверхности конуса непосредственно за выемкой происходит даже некоторое увеличение теплоотдачи из-за смещения туда области присоединения слоя смешения.

При />0,022 вдув приводит к заметному снижению теплообмена на всех поверхностях выемки. Характерно практическое совпадение кривых St/Sto=/(/) на участке циркуляционного течения для задней стенки и дна выемки в диапазоне от /=0 до /«0,054. Расщепление кривых при />0,054 может быть связано с размыканием циркуляционного течения в выемке.

_ На рис. 6 показана зависимость относительного интегрального теплового потока Q = QfQe от параметра вдува. Здесь же отмечено значение Q, определенное по экс-

Теория Чепмена

0,5

'Вез учета усиления теплообмена области присоединения

■ 0,05 Рис. 6

периментальным данным без учета усиления теплообмена в области присоединения вязкого слоя смешения для течения без вдува, а также теоретическое значение Чепмена Q=0,56. Для значений /<0,022 вдув практически не влияет на интегральный тепловой поток, при у>0,022 происходит заметное уменьшение Q, и при максимальном в данных экспериментах параметре вдува / = 0,096 величина относительного интегрального теплового потока составляет Q = 0,26.

Авторы выражают благодарность В. Я. Нейланду за постановку задачи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Чжен П. Отрывные течения, т. 3. — М.: Мир, 1973.

2. N i с о 11 К. М. Mass injection in a hypersonic cavity flow. — Aerospace Research Laboratories Report ARL 65—90, 1965.

3. Бабенко К. И., Воскресенский Г. П., Любимов А. Н., Русанов В. В. Пространственное обтекание гладких тел идеальным газом.— М.: Наука, 1964.

4. Чжен П. Отрывные течения, т. 2. — М.: Мир, 1973.

Рукопись поступила 13/II 1986 г■