CC BY
28
________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Том XIII 1982
М 6
УДК 533.6.011.12:536.242
ВЛИЯНИЕ ПОВЫШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ФАКТОРА КОНУСА НА ПАРАМЕТРЫ ДОННОЙ ОБЛАСТИ
И. М. Дементьев, С. А. Игнатенко, А. Н. Михалев
Исследовано обтекание затупленного конуса с полууглом 15° в диапазоне Кеоо0 = 4-103ч-1,8-10е при Моо = 2,3+0.2> 7'а, = 290° и 460 К (7'а,/70 = 0,47 и 0,8). Определены геометрические характеристики горла следа: угол схода в, расстояние до горла ЦО. По данным регистрации пространственно-временных координат модели рассчитан ее коэффициент сопротивления Сх (углы атаки <5°). Рассмотрено влияние температурного фактора на перечисленные характеристики, обусловленное изменением положения точки перехода. Определена корреляция этих характеристик с величиной эффективного числа Рейнольдса.
Параметры донной области конусов подвержены влиянию сжимаемости (числа Маха), вязкости (числа Рейнольдса) и условий теплообмена (температурного фактора Т^ІТо, где Т— температура стенки, Т„ — торможения потока). Воздействие температуры наименее изучено, причем в аэродинамических трубах Т'аі/Т'о моделей, как правило, выше, чем на баллистических трассах, что вызывает расхождения в донном давлении [1, 2].
Задача осложняется тем, что температурный фактор влияет на положение точки перехода к турбулентному обтеканию [3], в то время как основное воздействие на переход оказывает уровень чисел Рейнольдса [2, 4]. Повышение температуры стенки должно приводить к снижению эффективных чисел Рейнольдса и затягиванию ламинарного обтекания (5].
В работе приводятся результаты исследования параметров донной области и коэффициент сопротивления конуса с полууглом 15°, затупленного по сфере, с длиной, составляющей 0,6 длины острого конуса. Числа М,,, = 2, 3; числа 1?е варьировались в диапазоне Реж0 = 4« 10Г>-*М,8.10і. Повышение температурного фактора осуществлялось на фиксированную величину от Т^То — 0,47 (холодная стенка 7'„, = 20оС)до 7'в)/Г0 = 0,75-г-0,8 (стенка нагревалась до Ти, — 160-ь170°С). О методике варьирования температуры моделей см. в [6].
Эксперимент проводился на баллистической установке, фоторегистрирующее оборудование которой описано в [7]. По 14 прямотеневым мгновенным фотографиям, получаемым в горизонтальном и вертикальном сечениях 7 станций регистрации, определялись геометрические характеристики горла следа [4], а по пространственно-временным координатам движения модели рассчитывалось аэродинамическое сопротивление [8]. К геометрическим характеристикам горла следа относится угол схода вязкого потока с кромки дна в, отсчитываемый от направления невозмущенного потока. Разворот сверхзвукового потока за донной областью тела к первоначальному направлению происходит в косом скачке уплотнения, формирующемся из серии волн сжатия. Сечение горла следа принималось в месте пересечения направления замыкающего скачка с границей вязкого следа.
Погрешность измерения углов схода потока О составляла в среднем ± 0,5°. расстояния до горла /±0,10. Коэффициент сопротивления Сх ввиду наличия небольших углов атаки и приведения к нулевому углу определялся с точностью ~3%. Числа Маха в различных экспериментах лежали в пределах М^ = = 2,3 + 0,2. Приведение геометрических характеристик и коэффициента сопротивления к значениям при Мао = 2,3 осуществлялось по данным работ [9, 10], где содержатся зависимости указанных параметров от числа М. Температура моделей Га, в опыте задавалась с точностью ± 5°.
Зависимости угла схода потока 6 и расстояния от дна до горла следа //О от числа Ие показаны на рис. 1. Результаты для ненагретых моделей те же, что приведены на графиках работы [2], и дополнены данными контрольных опытов. Однако здесь в и / О построены в функции эффективных чисел Рейнольдса р (Т*)УО
Ке^ = ^ (7~*)~ ' ' где плотность Р и вязкость ц взяты при характерной темпе-
ратуре Эккерта Т* в сжимаемом пограничном слое [5, 11]. При М00 = 2.3 характерная температура составляет Т* =0,6 Г0 для ненагретых конусов и 7’*=0,74 7о для конусов с 7'а,= 160°; Яе^ составляют соответственно 0,69Яеао0 и 0,47 йе^д. Стрелками показаны эффективные числа Ие без учета нагрева. Получение единой зависимости параметров донной области конуса с различными 7,ш/7,0 свидетельствует о коррелирующем характере аргумента Ие^.
Границы донной области (6, 1/0) устанавливаются в результате баланса давления в потоке сверхзвукового расширения и донного давления. Изменения донного давления под влиянием температурного фактора могут проявиться в полном аэродинамическом сопротивлении [4, 12]. На рис. 2 представлены ограниченные результаты определения Сх конуса с различными 7'в,/7’о, аргумент І^е^ тот же, что на рис. 1. Величина Сх слабо спадает с уменьшением чисел Ие
Г /Г., = 0.47-НО.5; 2-Т„,1Т, = 0.75-М),8
XVI 9
Рис. 1. Геометрические характеристики горла следа затупленного конуса в функции эффективности числа Рейнольдса
Рис. 2. Коэффициент сопротивления конуса в зависимости от эффективного числа Рейнольдса
в переходном диапазоне, качественно соответствуя данным баллистических опытов (3, 12]. Для сравнения на рис. 2 нанесено значение Сх затупленного по сфере конуса с длиной 0,6 от длины соответствующего острого при Нете£)я: 107 из работы [10]. Значения коэффициента сопротивления конусов с Г®/ Т0 = 0,75-1-
0.8 и 0,47 ложатся на общую кривую, если учесть уменьшение Яесгг нагретых конусов. Стрелками показаны Иесг< без учета нагрева; как видно, при Неегг>6-10& увеличение Тп1Т0 в пределах точности не сказывается на величине сопротивления.
Заключая, отметим, что ступенчатое повышение температуры моделей до 160°, осуществленное описанным в [6] простым способом, позволило зарегистрировать влияние температурного фактора на параметры донной области. Непрерывное повышение (снижение) температурного фактора конуса относительно уровня, определяемого при заданном числе М лабораторной температурой Гщ, по-видимому, приведет к монотонному снижению (повышению) эффективных чисел Ре. Интегральные характеристики переходного от ламинарного к турбулентному обтекания конуса с различными Г^/Го скоррелированы посредством чисел Reeff (7"*), чем подтверждена целесообразность оценок параметров вязких областей при осредненной температуре Эккерта Т*.
ЛИТЕРАТУРА
1. Касс а и то Р. Результаты измерения донного давления на свободнолетающих и подвешенных моделях при Мос = 4. .Ракетная техника и космонавтика*, т. 6, № 7, 1968.
2. Михалев А. Н. О влиянии числа Рейнольдса на параметры ближнего следа сверхзвуковых конусов. В кн. .Физико-газодинамические баллистические исследования*. Л., .Наука*, 1980.
3. Sheetz N. W. Free flight boundary layer transition investigations at hypersonic speeds. .A1AA Paper*, N 65—127, 1965.
4. Ш e л у д ь к о Ю. В. Измерение донного давления осесимметричных тел малого удлинения. В кн. .Физико-газодинамические баллистические исследования*. Л., .Наука*, 1980.
5. М а р ч м е н III. Эффективное число Рейнольдса, характеризующее обтекание нагреваемых сфер и цилиндров. .Ракетная техника и космонавтика', т. 5, № 7, 1977.
6. Дементьев И. М., Иванов А. А., Карташев В. Д. Способ оценки донной температуры в баллистическом эксперименте. .Ученые записки ЦАГИ*, т. XII, № 3, 1981.
7. Басаргин И. В., Дементьев И. М., Мишин Г. И. Полигон для аэродинамических исследований. В кн. .Агрофизические исследования сверхзвуковых течений*. М.—Л., .Наука*, 1967.
8. Бедин А. П., Мишин Г. И., Чистякова М. В. Исследование аэродинамических характеристик тел затупленной формы в воздухе. В кн. .Физико-газодинамические баллистические исследования*. Л., .Наука*. 1980.
9. Михалев А. Н., Шелудько Ю. В. Исследование влияния числа Маха на параметры ближнего следа конуса. В кн. .Физико-газодинамические баллистические исследования*, 1980.
10. Красильщиков А. П., Носов В. В. О некоторых особенностях аэродинамических характеристик конусов в вязком гиперзвуковом потоке. В кн. .Аэромеханика*. М., .Наука*, 1976.
11. Краснов Н. Ф., Кошевой В. Н., Данилов А. Н. Аэродинамика ракет. М., .Высшая школа*, 1968.
12. Бейли У., Хайт В. Коэффициент сопротивления сферы в широком диапазоне чисел Маха и Рейнольдса. .Ракетная техника и космонавтика*, т. 10, № 11, 1972.
Рукопись поступила 171VI 1981 г.
