МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 4 • 2014
УДК 532.526.4:533.6.011.72
© 2014 г. В. Я. БОРОВОЙ, В. Е. МОШАРОВ, В. Н. РАДЧЕНКО, А. С. СКУРАТОВ,
И. В. СТРУМИНСКАЯ
ВЛИЯНИЕ ЗАТУПЛЕНИЯ ПЕРЕДНИХ КРОМОК НА ТЕЧЕНИЕ В МОДЕЛЬНОМ ВОЗДУХОЗАБОРНИКЕ
Экспериментально исследовано течение в схематизированном воздухозаборнике с плоскими стенками и прямоугольным поперечным сечением. Воздухозаборник установлен на пластине на значительном удалении от ее передней кромки. Эксперименты проводились в трубе Людвига при Мж = 5 и Ке^ = 23 • 106, 13 • 106. Для исследования внутреннего течения в воздухозаборнике впервые применен панорамный (оптический) метод измерения коэффициента теплоотдачи. Получены данные о влиянии затупления передних кромок пластины и обечайки воздухозаборника на распределение коэффициента теплоотдачи и структуру потока внутри воздухозаборника. Показано, что в воздухозаборнике с большим сужением канала даже небольшое затупление пластины или обечайки может вызвать глобальное изменение структуры течения.
Ключевые слова: гиперзвуковое течение, скачок уплотнения, пограничный слой, отрыв пограничного слоя, энтропийный слой, интерференция, теплообмен, эксперимент, панорамные измерения.
Структура потока в воздухозаборнике оказывает большое влияние на характеристики летательного аппарата. Воздухозаборник достаточно много исследовался [1—24]. Рассмотрены различные аэродинамические схемы воздухозаборника (с внешним, внутренним и смешанным сжатием газа), варьировали конфигурацию воздухозаборника и степень интеграции его с летательным аппаратом. Определены интегральные характеристики: расход газа, восстановление давления и внешнее сопротивление.
При больших скоростях полета передние кромки воздухозаборника должны иметь некоторое затупление для ограничения нагрева конструкции. Однако лишь в немногих работах изучалось влияние затупления передних кромок на характеристики воздухозаборника. В [5] показано, что затупление передней кромки клина сжатия приводит к существенному уменьшению коэффициентов восстановления давления и расхода. Проведен анализ влияния затупления передней кромки на течение у линии излома контура клина, расположенного перед входом в воздухозаборник [13]. Данное исследование посвящено подробному изучению влияния небольшого затупления передних кромок на течение газа внутри воздухозаборника.
Еще одна важная проблема — запуск сверхзвукового воздухозаборника. Ей посвящен целый ряд исследований [1, 9—11, 18—20, 22, 23]. При большом сужении канала возможны два варианта течения в воздухозаборнике: 1) при запуске в воздухозаборнике реализуется регулярное течение со сверхзвуковой скоростью внутри канала; 2) при "незапуске" канал запирается, перед ним формируется головная ударная волна, и в канале устанавливается дозвуковое течение. Здесь изучается влияние на запуск затупления передних кромок.
В большинстве работ находятся интегральные характеристики воздухозаборника. Лишь в немногих из них изучается распределение давления и коэффициента теплоотдачи внутри воздухозаборника [6, 8, 14, 21]. Дополнительные возможности исследования теплообмена и структуры течения внутри воздухозаборника появилась благодаря
применению панорамных методов исследования, основанных на использовании люминесцентных покрытий и прозрачных стенок воздухозаборника.
Данная работа — продолжение [25—33]. В [25—27, 29, 30, 32] исследовано влияние затупления передней кромки пластины на двумерное течение газа на пластине в области падения косого скачка уплотнения. В [28, 31] изучается трехмерное течение вблизи клина, установленного на острых и затупленных пластинах, а в [33] — течение вблизи встречных клиньев, генерирующих пересекающиеся косые скачки уплотнения. В данном исследовании над встречными клиньями установлена обечайка.
1. О моделировании запуска сверхзвукового воздухозаборника в аэродинамической трубе импульсного действия. Известны воздухозаборники внутреннего сжатия, внешнего сжатия и смешанного типа. Здесь изучается воздухозаборник внутреннего сжатия, установленный на плоской пластине. Его можно рассматривать так же, как последнюю ступень воздухозаборника смешанного типа. При этом плоская пластина соответствует последней сжимающей поверхности воздухозаборника смешанного типа. Подобный воздухозаборник исследован в [8].
Входная часть воздухозаборника внутреннего сжатия представляет собой сужающийся канал, характеризующийся отношением площадей входа и выхода Р1/Б2 (фиг. 1). При обтекании такого канала сверхзвуковым потоком возможны два режима: расчетный сверхзвуковой (фиг. 1,а) — запуск канала и дозвуковой (фиг. 1,б), — запирание (или незапуск) канала. Во втором случае лишь часть потока, соответствующего входной площади попадает внутрь канала. При этом потери полного давления значительно больше, чем при запуске канала.
Запуск сверхзвукового воздухозаборника может быть осуществлен даже при большом сужении канала, если течению при расчетном М предшествует течение со значительно большим М. Для запуска канала с большим сужением при неизменных параметрах набегающего потока используются пусковые устройства: кратковременный выброс некоторого количества газа из канала через перфорированную поверхность в окрестности горла или изменение формы входной части канала во время запуска с целью кратковременного уменьшения отношения площадей поперечного сечения канала Р:/Б2. После запуска воздухозаборника сверхзвуковое течение в нем может продолжаться неопределенно долго.
Для того чтобы запуск сужающегося канала осуществлялся в стационарных условиях без использования пусковых устройств (для "самозапуска" канала), отношение Р2/Р1 должно быть больше некоторой величины (Р2/Р:)*. Эту величину можно определить из уравнения расхода для предельного случая, когда воздухозаборник "проглатывает" прямой скачок уплотнения, т.е. когда весь поток, прошедший через сечение и прямой скачок уплотнения, проходит со скоростью звука и через узкое сечение ка-
нала. Это условие описывается соотношением Кантровица [1] (цитируется по статье
[15])
£
0.5
(У- 1)'
(у + Ш (у + 1)М2 _
2у (У-1) (У +1) (у + 1)М 2
1/(у-1)
(1.1)
где у = Ср/С — отношение удельных теплоемкостей газа при постоянных давлении и объеме.
Если (р2/р:) > (р2/р:)*, то воздухозаборник запускается в стационарных условиях без пусковых устройств. Однако степень сжатия газа в таком канале мала. Согласно (1.1), сужение канала должно быть небольшим: отношение площадей Р:/Р2 при М = 5 не должно превышать 1.89, при М = 8 — 1.74, а при М = да — 1.67 (у = 1.4). Вследствие этого самозапускающийся канал внутреннего сжатия осуществляет лишь небольшое сжатие газа.
Выше при анализе условий запуска сужающегося канала использовались соотношения для одномерного течения. Однако затупление входных кромок канала может внести в поток большую неравномерность. При исследовании обтекания встречных клиньев, установленных на пластине и генерирующих пересекающиеся косые скачки уплотнения, было показано [33], что затупление передней кромки пластины может генерировать вблизи пластины течение, сходное с течением, возникающим при запирании канала: часть набегающего потока "выплескивается" и не попадает внутрь канала. При этом в сечениях, удаленных от затупленной пластины, может существовать расчетное сверхзвуковое течение. Запирание канала вблизи пластины происходит несмотря на то, что площадь узкого сечения канала не ограничена в направлении, перпендикулярном пластине (эксперименты проводились без обечайки). Это указывает на большую роль неравномерности течения при запирании канала. Пространственные эффекты, обусловленные затуплением передней кромки пластины или обечайки, исследуются в данной работе. При этом важно иметь в виду, что запирание канала, вызванное затуплением передних кромок, нельзя устранить пусковыми устройствами.
Запуск воздухозаборника в аэродинамической трубе происходит по-разному, в зависимости от ее типа [9, 10]. В рабочей части трубы импульсного типа перед стартом поддерживается вакуум. После старта через сопло трубы и канал воздухозаборника проходит ударная волна. При встрече с воздухозаборником ударная волна "охватывает" клинья воздухозаборника, вблизи них формируются стационарные косые скачки уплотнения; затем ударная волна проходит в вакуумированную узкую часть канала, еще незаполненную низконапорным газом, т.е. происходит самозапуск воздухозаборника. В данной работе исследуется течение в воздухозаборнике внутреннего сжатия с большим сужением канала (р1/р2 = 4) в аэродинамической трубе импульсного действия (типа Людвига) без использования пускового устройства.
2. Экспериментальная модель. Характеристики набегающего потока. Экспериментальная модель показана на фиг. 2,а. Над клиньями 2 установлена обечайка 3. Ее сменный носок 4 изготовлен из стали и имеет форму клина с углом 15°. Часть обечайки, расположенная за сменным носком, выполнена из прозрачного материала, что позволяет наблюдать течение внутри воздухозаборника. Радиус затупления передних кромок пластины 1 и обечайки 3 может варьироваться с помощью сменных носков в диапазоне от 0 до 4 мм. Форма модели характеризуется следующими безразмерными величинами, существенно влияющими на течение в воздухозаборнике: степенью сужения канала п = = 4, относительным удалением воздухозаборника от перед-
ней кромки пластины Х,/^ = 1.29, относительной высотой возхдухозаборника Н/^= 0.8.
82 2
Фиг. 2. Модель воздухозаборника: а — фотография, б — сечение плоскостью, параллельной пластине; 1 — пластина, 2 — клинья, 3 — обечайка, 4 — сменный носок обечайки, 5 — боковые щитки
На фиг. 2,б показаны скачки уплотнения и волны разрежения, рассчитанные для двумерного течения невязкого газа при = 5. Скачки, генерируемые клиньями, повышают давление в 4.8 раза. За скачками, отраженными от линии симметрии, давление возрастает еще в 3.4 раза, так что общее повышение давления внутри ромба, заключенного между точками А и В, составляет 16.4 по отношению к давлению Рю. За горлом воздухозаборника (на участке СD) давление падает до Р = 1.08.
Эксперименты проводились в аэродинамической трубе ЦАГИ
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.