МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА < 3 • 2008
УДК 532.526.4:533.6.011.72
© 2008 г. В. Я. БОРОВОЙ, А. С. СКУРАТОВ, И. В. СТРУМИНСКАЯ
О СУЩЕСТВОВАНИИ "ПОРОГОВОЙ" ВЕЛИЧИНЫ ЗАТУПЛЕНИЯ
ПЛАСТИНЫ ПРИ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ КОСОГО СКАЧКА УПЛОТНЕНИЯ С ПОГРАНИЧНЫМ И ЭНТРОПИЙНЫМ СЛОЯМИ
Проведено экспериментальное исследование теплообмена на острых и слабо затупленных пластинах в зоне падения косого скачка уплотнения. Эксперименты выполнены при числах Маха М = 6, 8 и 10 в диапазоне числа Рейнольдса от 0.2 • 106 до 1.3 • 106, соответствующем переходному (ламинарно-турбулентному) течению в зоне отрыва, генерируемой скачком. Особое внимание уделено малым величинам радиуса затупления г. Установлено, что существует пороговая величина радиуса г^, ограничивающая область его влияния на теплообмен: увеличение г до достижения гь приводит к резкому падению максимального коэффициента теплоотдачи в зоне интерференции, а дальнейшее увеличение г (сверх гь) слабо влияет на максимальный коэффициент теплоотдачи. Проанализирована зависимость гь от основных параметров гиперзвукового течения. Дано объяснение наблюдаемых явлений.
Ключевые слова: гиперзвуковое течение, энтропийный слой, скачок уплотнения, интерференция, пограничный слой, ламинарно-турбулентный переход, теплообмен.
Влияние небольшого затупления на обтекание тел с очень большими скоростями привлекало внимание исследователей с самого начала развития гиперзвуковой аэродинамики [1, 2]. Это объясняется, с одной стороны, тем, что затупление необходимо для ограничения притока тепла к передней кромке или носку тела, совершающего гиперзвуковой полет в плотных слоях атмосферы. С другой стороны, при гиперзвуковых скоростях даже небольшое затупление оказывает существенное влияние на обтекание тел и их аэродинамические характеристики.
Интерференция скачка уплотнения с пограничным слоем интенсивно изучается уже более полувека. Обзоры исследований этой проблемы можно найти в [3-5]. В подавляющем большинстве работ изучалась интерференция скачка уплотнения с поверхностью заостренного тела (пластины или конуса). Лишь немногие исследования посвящены влиянию затупления на течение газа в зоне интерференции. В [6] изучено распределение давления, теплоотдачи и трения в угле сжатия, образованном двумя плоскими пластинами. Эксперименты проводились при числе М = 19.8 и относительно малом числе Яе = 1.1 • 105, соответствующем ламинарному обтеканию модели. Увеличение радиуса г затупления в диапазоне от 0 до 2.5 мм (при длине первой пластины до угловой точки 310 мм) слабо влияет на теплообмен в зоне интерференции. Лишь при большем радиусе затупления теплообмен резко уменьшается. Так, при радиусе г = 9 мм максимальный коэффициент теплоотдачи уменьшается в 4 раза по сравнению со значением на острой пластине. При этом отклоненная пластина обтекается толстым энтропийным слоем, и характерный пик теплового потока в конце зоны отрыва не формируется.
При теоретическом исследовании влияния энтропийного слоя на отрыв ламинарного пограничного слоя в рамках асимптотической теории при Яе ^ «> введен параметр подобия, включающий в себя толщины пограничного и энтропийного слоев, а также число Маха [7], рассматривается в основном зарождение отрыва. Расчеты распределения
2 1
Фиг. 1. Схема модели: 1 - пластина, 2 - накладка, 3 - концевые шайбы, 4 - генератор скачка
давления в угле сжатия показали, что по мере утолщения энтропийного слоя зона возмущенного течения перемещается к угловой точке и переходит на отклоненный щиток.
Систематическое исследование влияния энтропийного слоя на теплообмен в зоне интерференции при больших числах Рейнольдса, соответствующих переходному течению, впервые выполнено в [5]. Изучалось двумерное течение газа в зоне падения косого скачка уплотнения на плоскую пластину. Варьировалась величина затупления передней кромки пластины при различных величинах чисел Маха и Рейнольдса и разных интен-сивностях падающего скачка. Показано, что затупление пластины существенно ослабляет теплообмен в зоне интерференции, причем этот эффект усиливается с увеличением числа Маха.
Интересная особенность обнаружена в [5] при больших величинах радиуса пластины (от 1 до 10 мм при длине пластины 120 мм): максимальный коэффициент теплоотдачи в зоне интерференции слабо изменяется с увеличением радиуса. В то же время он значительно меньше аналогичной величины для острой пластины. Это дает основание предполагать, что существует некоторая пороговая величина затупления, характеризующаяся тем, что до ее достижения максимальный тепловой поток падает по мере увеличения затупления, а превышение пороговой величины слабо влияет на максимальный коэффициент теплообмена.
Основная цель данной работы - проверка указанного предположения и определение зависимости пороговой величины затупления, если она существует, от основных параметров гиперзвукового потока.
1. Модель. Параметры потока. В данной работе использовалась та же модель, что в [5]. Модель состоит из двух частей (фиг. 1): из пластины и генератора падающего скачка уплотнения. Передняя часть пластины имеет форму несимметричного клина: плоская поверхность, на которой проводятся измерения, параллельна направлению невозмущенного потока, другая поверхность наклонена к потоку под углом а = 20°. Для изменения радиуса r затупления передней кромки на модели устанавливается затупленная накладка, генерирующая головную ударную волну. В отличие от [5] в данной работе использовались накладки не только с большими, но и с малыми радиусами затупления (от 0 до 0.75 мм). Накладки с радиусами 1 мм и больше имеют форму плоской пластины постоянной толщины, а накладки с меньшими радиусами r - затупленного клина с углом при вершине 10°. Длина модели без накладок L = 120 мм, ширина модели B = 150 мм. Тепловой поток измерялся методом тонкой стенки. К фольге толщиной 0.1 мм приваре-
ны 69 термопар на расстоянии 1-2 мм друг от друга. В качестве генератора падающего скачка уплотнения использовался острый клин с углом 0 = 15°. Его положение относительно пластины не изменялось в ходе экспериментов и выбрано с таким расчетом, чтобы косой скачок падал на пластину на расстоянии, приблизительно равном половине ее длины (х = Х/Ь ~ 0.5). Более подробное описание модели приведено в [5, 8].
В ходе исследования варьировались значения чисел Маха и Рейнольдса. Параметры невозмущенного потока, при которых проводились эксперименты, представлены ниже
м
T0, K
р0, бар ReL • 10-6
6 680 3.80-22.30 0.23-1.37
735 7.44; 33.64 0.19; 0.87
10 760 36.70 0.55
Здесь Т0 и Р0 - температура и давление адиабатически заторможенного газа, а Яем, ь -число Рейнольдса, рассчитанное по параметрам невозмущенного потока и длине пластины Ь = 120 мм. Аналогичное число Рейнольдса, но определенное по радиусу г затупления пластины, изменялось от 0.5 • 103 до 2 • 104. Температурный фактор, т.е. отношение температуры поверхности модели Тк к температуре торможения Т0, был заключен в диапазоне от 0.3 до 0.4.
2. Влияние конечной ширины пластины. Сначала были проведены эксперименты с целью выяснения влияния концевых эффектов на распределение теплового потока на линии симметрии пластины, где проводились измерения. К боковым торцам пластины крепились концевые шайбы (фиг. 1), предотвращающие перетекание газа с наклонной поверхности пластины на ее горизонтальную поверхность и в обратном направлении. Анализ результатов измерений, выполненных на пластине с концевыми шайбами и без них при числе М = 6, показал следующее: в отсутствие генератора скачка уплотнения распределение коэффициента теплоотдачи на линии симметрии между передней кромкой и точкой с координатой X = 63 мм (х = 0.55, Х/В = 0.42) не изменяется при установке концевых шайб и близко к расчетному распределению [9]. За этой точкой распределение числа Стантона при наличии концевых шайб также близко к расчетному, а в отсутствие их величины коэффициента теплоотдачи увеличиваются на 15-20% по сравнению с результатами измерений с шайбами. В отсутствие шайб тепловой поток возрастает из-за перетекания газа с наклонной поверхности на горизонтальную и связанного с этим повышения давления. Однако при экспериментах с генератором скачка уплотнения результаты измерений с концевыми шайбами и без них практически совпали. Это объясняется повышением давления за падающим и отраженным скачками уплотнения, которое препятствует перетеканию газа с наклонной поверхности модели на горизонтальную. Последующие эксперименты проводились без концевых шайб, что позволило осуществить теневое фотографирование картины течения.
3. Структура потока. Теневые фотографии потока позволяют определить некоторые геометрические характеристики интерференционного течения. На фиг. 2 представлены в качестве примера типичные теневые фотографии течения вблизи острой и слабо затупленной модели. При отсутствии затупления у плоской поверхности модели виден слабый скачок 1, генерируемый нарастающим пограничным слоем, зона отрыва (с границей 2) и индуцируемый ею скачок 3. При наличии затупления граница зоны отрыва не видна, но о существовании этой зоны свидетельствует генерируемый ею скачок. От точек пересечения падающего скачка с другими скачками вниз по потоку распространяются поверхности контактного разрыва 4 и 5. Во всех исследованных случаях пограничный слой отрывается от поверхности пластины на некотором удалении от ее передней кромки, т.е. происходит свободный отрыв.
б
Фиг. 2. Теневые фотографии потока при М = 8, Яе^ ь = 0.79 • 106: г = 0.008 мм (а), 0.2 мм (•)
Падающий скачок уплотнения 6 (угол наклона его при М = 8 составляет приблизительно 20°) пересекается со скачком 1, индуцированным нарастающим пограничным слоем (для острой пластины фиг. 2, а) или с головной волной 1, генерированной затуплением (для затупленной пластины, фиг. 2, б). Фигура 2 показывает, что угол наклона головной волны 1 вблизи точки встречи с падающим скачком 6 при небольшом радиусе г (до г = 0.3 мм) имеет приблизительно такую же величину, как угол наклона скачка 1 на острой пластине в аналогичной точке. Ввиду этого уменьшение угла наклона падающего скачка за точкой пер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.