МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 5 • 2013
УДК 532.526.4:533.6.011.72
© 2013 г. В. Я. БОРОВОЙ, И. В. ЕГОРОВ, В. Е. МОШАРОВ, В. Н. РАДЧЕНКО, А. С. СКУРАТОВ,
И. В. СТРУМИНСКАЯ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЕРЕСЕКАЮЩИХСЯ СКАЧКОВ УПЛОТНЕНИЯ С ПОГРАНИЧНЫМ СЛОЕМ ПЛАСТИНЫ В ПРИСУТСТВИИ ЭНТРОПИЙНОГО СЛОЯ
Экспериментально исследовано течение газа и теплообмен на поверхности острых и затупленных пластин в присутствии пары встречных клиньев при числах М = 5, 6 и 8 и Рейнольдса до Ке^ = 27 х 106. Показано, что энтропийный слой, генерируемый небольшим затуплением передней кромки пластины, значительно изменяет теплоотдачу, давление и трение газа в зоне интерференции скачка с пограничным слоем пластины. При некоторых условиях небольшое затупление пластины может вызывать также качественное изменение структуры течения. Изучено влияние степени сужения канала между клиньями на интерференционное течение.
Ключевые слова: гиперзвуковое течение, скачок уплотнения, пограничный слой, отрыв пограничного слоя, энтропийный слой, интерференция, теплообмен, эксперимент, панорамные измерения, численное моделирование.
Проблема взаимодействия пересекающихся скачков с пограничным слоем характерна для некоторых типов гиперзвукового воздухозаборника. Она может встретиться также при сложной форме вертикальных органов управления летательного аппарата.
Первая работа, посвященная проблеме взаимодействия пересекающихся скачков с поверхностью пластины, была опубликована в 1987 г. [1]. С тех пор в течение около 15 лет было выполнено приблизительно 50 исследований [2—12]. Экспериментальные исследования проводились в нескольких научных центрах США и России. Модели имели форму пластины, на которой устанавливались два киля, генерирующие пересекающиеся косые скачки уплотнения. Испытывались пластины разных размеров: длиной Ь от 310 до 2200 мм. Кили имели прямоугольную форму и крепились перпендикулярно поверхности пластины на значительном удалении от ее передней кромки так, что перед килями пограничный слой находился в турбулентном состоянии.
Изучалось обтекание килей с углами от 7до 23°. Коэффициент сужения канала, образованного килями, т.е. отношение расстояния между передними кромками килей к минимальному расстоянию между ними, в разных работах равнялось 2.2 или 3.5. В некоторые конфигурации модели вводилось дополнительное усложнение: между килями на пластине устанавливался клин, создающий угол сжатия. При этом взаимодействовали не два, а три плоских скачка уплотнения. Число Маха в разных экспериментах варьировалось в диапазоне от 4 до 8.3, а число Рейнольдса, рассчитанное по длине пластины и параметрам невозмущенного потока, от 10 х 106 до 24 х 106.
Исследовались распределения давления и коэффициентов теплоотдачи дискретными датчиками. Трение газа на поверхности пластины определялось по толщине жидкой пленки с помощью лазерного зондирования. Поверхностное течение визуализировалось маслосажевым покрытием. Подробная информация о структуре течения между килями на некотором удалении от поверхности пластины, в частности о конфигурации вихрей, была получена путем измерений трубками Пито и 5-точечным насадком, а также путем визуализации течения методом лазерного ножа.
Эксперименты сопровождались численным моделированием течения. Решались уравнения Рейнольдса с использованием алгебраической модели турбулентности Бол-дуина—Ломэкса или к-ю дифференциальной модели турбулентности. Сравнение с результатами экспериментов показало, что численное моделирование адекватно отражает основные особенности исследуемого течения, а также распределение давления. Однако расчетные величины коэффициентов теплоотдачи и трения существенно отличаются от экспериментальных данных. Расхождения возрастают при увеличении интенсивности скачков уплотнения, когда формируются развитые зоны отрыва.
Во всех перечисленных исследованиях пластина, на которой установлены кили, имела острую переднюю кромку. Влияние затупления пластины на интерференционное течение не изучалось. По-видимому, предполагалось, что затупление пластины не относится к числу важных характеристик исследуемой задачи.
В 60-е годы прошлого столетия влияние затупления на обтекание тонких тел привлекало пристальное внимание. В рамках теории невязкого газа было установлено [13], что давление резко возрастает вблизи затупления и постепенно падает по мере удаления от него. В области повышенного давления усиливается и теплообмен. Однако за этой областью влияние затупления на теплообмен невелико. На это указывают как эксперименты, так и расчеты. Возможно, эти факты и были неосознанной причиной слабого интереса к влиянию затупления пластины на течение в зоне взаимодействия скачков уплотнения с поверхностью пластины.
В действительности даже небольшое затупление передней кромки пластины оказывает существенное влияние на течение в зоне падения скачка уплотнения. В этой связи интересно отметить результаты проведенного недавно расчета невязкого обтекания модели гиперзвукового летательного аппарата интегральной компоновки [14]: при наличии небольшого цилиндрического затупления передней кромки фюзеляжа высокоэнтропийный слой, генерируемый передней кромкой, вызывает формирование внутри воздухозаборника циркуляционной зоны понижение коэффициента расхода и степени восстановления полного давления.
При течении вязкого газа затупление пластины оказывает значительное влияние на течение газа и теплообмен в зоне интерференции даже при большом удалении падающего скачка от передней кромки. Это обусловлено тем, что и после поглощения высокоэнтропийного слоя пограничным слоем, сохраняется значительный дефицит полного давления и импульса в остальной части энтропийного слоя. Часть энтропийного слоя вовлекается в циркуляционное течение в зоне отрыва, вызываемой скачком уплотнения. Это приводит к удлинению зоны отрыва, утолщению слоя смешения и к уменьшению максимальных значений давления и теплового потока.
В [15—19] показано, что при двумерном течении малое затупление пластины, на которую падает скачок уплотнения, значительно уменьшает максимальное значение коэффициента теплоотдачи в зоне интерференции скачка как с ламинарным, так и с турбулентным пограничным слоем. С увеличением радиуса затупления его влияние на теплообмен в зоне интерференции усиливается. Однако это продолжается лишь до некоторой величины радиуса, которая была названа "пороговой". Дальнейшее увеличение радиуса затупления не дает положительного результата, лишь увеличивая потери давления. Влияние затупления передней кромки пластины на теплообмен в зоне интерференции усиливается с ростом числа Маха из-за повышения потерь полного давления в высокоэнтропийном слое, генерируемом затуплением.
В [20—23] исследовано течение вблизи одиночного клина, установленного на острой и слабо затупленных пластинах, при турбулентном и переходном состояниях пограничного слоя перед клином. Показано, что небольшое затупление пластины значительно уменьшает максимальные значения коэффициентов теплоотдачи и давления в зоне интерференции скачка с пограничным слоем. Одновременно несколько расширяется зона интерференции. Как и в случае двумерного течения, существенное
Ь = 320
Фиг. 1. Схема моделей: 1 — пластина, 2 — клинья, 3 — боковые накладки, 4 — передняя накладка; сечение I — X = 211 мм, сечение II — X = 271 мм
ослабление теплообмена и понижение давления по мере увеличения радиуса затупления пластины происходят лишь до некоторой величины радиуса, зависящей от параметров набегающего потока. Дальнейшее увеличение радиуса затупления слабо влияет на теплообмен и давление. Влияние затупления пластины на течение газа в зоне интерференции усиливается с увеличением числа Маха.
В данной работе и также в [22] показано, что и при взаимодействии пересекающихся скачков уплотнения с поверхностью пластины затупление ее передней кромки и формирование энтропийного слоя приводят к ослаблению теплообмена и понижению давления в зоне интерференции. Однако в этом случае затупление пластины может вызвать также качественное изменение структуры течения — "энтропийный кризис" течения. Он происходит при большом сужении полуоткрытого канала, образованного клиньями. Радиус затупления передней кромки пластины, при котором наступает энтропийный кризис, тем меньше, чем больше число Маха.
1. Модели. Характеристики потока. Основной частью моделей является пластина 1 (фиг. 1). Были использованы три варианта пластины: в первом — стальная пластина для измерения коэффициента теплоотдачи термопарными датчиками типа "тонкая стенка". Датчики располагаются в трех сечениях, как показано на фиг.1: в поперечных сечениях (I и II) и на линии симметрии. Во втором случае аналогичная стальная пластина с теплоизоляционным покрытием, изготовленным из стеклопластика, — для измерения с помощью термочувствительного покрытия Т8Р. В третьем — пластина из
алюминиевого сплава — для измерения распределения давления с помощью покрытия, чувствительного к давлению PSP и визуализации поверхностного течения с помощью масла, содержащего твердые флуоресцирующие частицы.
На пластине на расстоянии X0 = 129 мм от ее передней кромки устанавливаются два острых клина с углом 9 = 15°. Расстояние между передними кромками клиньев H = = 100 мм. Толщина клиньев варьировалась, так что коэффициент сужения канала, образованного клиньями, H/h был равен 2 или 4. На пластине укреплены сменные передние накладки 4, используемые для изменения радиуса затупления передней кромки пластины r. Кроме того, на пластине установлены боковые накладки 3, ослабляющие перетекание газа с одной поверхности пластины на другую.
Эксперименты проводились в ударной трубе ЦАГИ УТ-1М. Труба работала по схеме трубы Людвига. Продолжительность стационарного течения 40 мс. Характеристики невозмущенного потока представлены ниже (число Рейнольдса Re„L вычислялось по длине модели L = 0.32 м).
м Re«L Pt, бар T, K
5 27 • 106 69 530
6 19 • 106 90 560
8 7 • 106 90 690
При М = 5 происходил естественный ламинарно-турбулентный переход пограничного слоя перед клиньями. При М = 6 для турбулизации пограничного слоя на пластине, вбл
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.