Исследования пульсирующей смыкающейся кольцевой струи

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 532. 59- 532. 527
ИССЛЕДОВАНИЯ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ СМЫКАЮЩЕЙСЯ КОЛЬЦЕВОЙ СТРУИ
В.В. ВЫШИНСКИЙ, А.Г. НАЛИВАЙКО, Л.В. НОСАЧЕВ
Представлены методика и результаты экспериментальных исследований особенностей течения газа в смыкающейся кольцевой струе. Использован разработанный авторами малоинерционный приемник полного давления со встроенным датчиком для измерения пульсаций давления с частотой от 0 кГц до 25 кГц в пульсирующей струе.
Ключевые слова: эксперимент, измерения, пульсации давления, кольцевая струя.
Введение
Интерес к изучению быстропротекающих процессов в смыкающейся кольцевой струе связан с созданием надежных средств топливопитания пульсирующих детонационных двигателей с укороченной зоной смешения топлива [1, 2] и получения углеродных нанотрубок [3, 4] для новых композиционных материалов и покрытий, которые обладают повышенной удельной прочностью, гидро-фобностью, способностью сбрасывать статическое электричество с летательного аппарата и поглощать кванты диагностирующего излучения. В обоих случаях важным моментом, определяющим эффективность процессов детонационного горения и детонационного синтеза перспективных углеродных наноматериалов, является возможность создания в циклическом режиме непосредственно в камере сгорания (КС) стехиометрической топливно-воздушной смеси- инициирования многофронтовой газовой детонации- формирования отраженной от торцевой стенки КС [2] интенсивной детонационной волны с высокой степенью ионизации частиц в ней и движущейся к выходу полузамкнутой КС. При этом желательно получить минимальную длину зоны смешения и максимально возможную частоту повторения циклов.
Проведены исследования структуры течения в кольцевой струе, истекающей из щелевого сопла в затопленное пространство, представлены методика и результаты экспериментальных исследований осредненных и мгновенных значений давления в кольцевых сталкивающихся струях, измеренных гребенкой приемников и специально разработанным малоинерционным приемником полного давления со встроенным датчиком.
Методика и техника эксперимента
Экспериментальные исследования полей и спектров пульсаций давления в струе выполнены на модели газоструйного резонатора с кольцевым щелевым соплом, схема которого показана на рис. 1 а. Воздух из форкамеры подавался в кольцевое сопло через ряд отверстий в трубке подвода и истекал из сопла в сторону его оси. Диаметр трубки подвода Dl = 8 мм, внутренний диаметр кольцевого сопла D2 = 24 мм, диаметр дна сопла Dз = 17 мм, диаметр выхода кольцевого сопла d = 17 мм, глубина дна кольцевого сопла, А = 2 мм, толщина щели выдува 8 = 1,2 мм.
Измерялись полное давление подводимого в сопло воздуха Ро/Рн (Рн — атмосферное давление) и распределение полного давления Р в поперечном сечении струи на различных расстояниях от сопла. Г ребенка была установлена на двухстепенном координатнике, который перемещал ее вдоль и поперек истекающей из сопла струи (рис. 1б).
Эксперименты проводились для полного давления в сопле Р0/Рн в диапазоне от 2 до 6. Погрешность измерения давления не превышала 1% от максимального давления. Погрешность поддержания полного давления в сопле не превышала 2%. Гребенка перемещалась на ±20 мм
Рис. 1. Схема выходной части кольцевого сопла газоструйного резонатора и схема измерений
(±1,2 ё) в поперечном направлении и от 2 мм до 380 мм, что соответствует (0,12 22,4)-ё, в
продольном. Шаг поперечного перемещения гребенки изменялся от 1 мм в центре струи до 5 мм на ее периферии. В продольном направлении шаг изменялся от 5 мм до 80 мм по мере удаления от выходного сечения сопла. Погрешность установки координат гребенки не превышала 3% ё. Гребенка имела 10 приемников давления с шагом 3,5 мм.
Измерение пульсаций давления в поперечных сечениях струи на различных расстояниях от сопла проводилось с помощью специально разработанного малоинерционного приемника полного давления [5], схема которого приведена на рис. 2.
Малоинерционный приемник полного давления содержит приемную трубку 1, входное отверстие которой имеет зубчатую обечайку и обращено навстречу потоку. Преобразователь давления 2 установлен внутри трубки 1 и образует камеру торможения 3. Приемник полного давления с помощью державки 4 закреплялся на двухстепенном координатнике (рис. 1б) и перемещался вдоль (по оси X) и поперек (по оси 2) струи. Камера торможения 3 имеет на выходе кольцевой канал 5, образованный наружной поверхностью преобразователя давления 2 и внутренней поверхностью приемной трубки 1. Приемная трубка 1 диаметром 2 мм выполнена из материала толщиной 0,15 мм. Преобразователь давления 2 диаметром 1,6 мм модели 8533А-100 фирмы & quot-Эндевко"- (США) с перфорированной входной решеткой 6 электрически соединен с усилителем 7 и регистратором выходного сигнала 8. Пьезорезистивный преобразователь давления 2 имеет травленную кремниевую чувствительную мембрану с резонансной частотой 410 кГц и предназначен для измерения абсолютного давления в диапазоне от 0 до 0,69 МПа. При изучении быстропротекающих процессов отсчеты выходного сигнала снимались с шагом по времени 2,5 мкс, что соответствует частоте измерений 400 кГц.
При измерениях насадок полного давления непрерывно перемещался с постоянной скоростью в поперечном (в диапазоне ±20 мм) или продольном (от 5 мм до 250 мм) направлении. По скорости перемещения временные зависимости давления пересчитывались в пространственные. Хотя методика измерений не позволяет отделить продольные колебания от поперечных, полученные результаты дают возможность определить наличие колебаний в струе и их частоты.
3 2 х1
Рис. 2. Схема малоинерционного приемника полного давления
Поля давления в газоструйном резонаторе
На рис. 3 представлены изобары (Р/Рн — 1) в поперечном сечении струи х/ё = 0,12 для Ро/Рн = 2, 4 и 6. Шаг изобар постоянен и равен значению для первой изобары. Для удобства изобары изображены сплошными и пунктирными линиями попеременно. Представленные результаты могут отличаться от реальных давлений, так как давление измерялось за прямым скачком, который образовывался на приемнике полного давления.
-0.5 -0. 25 0 0. 25 0.5 -0.5 -0. 25 0 0. 25 0.5 -0.5 -0. 25 0 0. 25 0. 5
г/сі г/сі г/с1
Рис. 3. Изобары (Р/Рн — 1) в поперечном сечении струи на расстоянии х/ё = 0,12 от сопла
Изобары геометрически подобны, так что форма поперечного сечения струи практически не изменяется при изменении давления в сопле. Поперечное сечение струи на расстоянии х/ё = 0,12 на 25% меньше диаметра выходного сечения сопла и смещено вниз. Это смещение обусловлено неодинаковой толщиной зазора 8 по азимуту. Форма струи имеет ярко выраженный шестигранник с шестью максимумами. Такая форма образовалась из-за подвода воздуха в кольцевое сопло через шесть отверстий (рис. 1а).
На начальном участке струи наблюдается провал полного давления на оси сопла, который образуется при столкновении струи из диаметрально противоположных щелей кольцевого сопла. Величина провала увеличивается с ростом полного давления в форкамере. В донной части образуется застойная зона, давление в которой уменьшается с ростом полного давления в сопле из-за эжектирующей способности струи. Основной участок струи начинается с х/ё = 3, где смыкаются слои смешения и начинается размывание струи. Истечение струи из кольцевой щели было неравномерно по азимуту, что привело к искривлению оси струи. С ростом Р0/Рн от 2 до 4 характер искривления струи практически не изменялся. При Р0/Рн = 6 форма струи несколько изменилась. Структура струи вблизи сопла представлена на рис. 4. Можно видеть участки повышения давления, которые указывают на наличие скачков уплотнения в сверхзвуковой струе.
Видно, что струи из противоположных щелевых сопел, сталкиваясь, объединяются на расстоянии х/ё = 0,5 от среза сопла. До столкновения каждая из струй имеет систему скачков уплотнения, характерную для сверхзвуковых струй. После столкновения струй сверхзвуковое течение со скачками уплотнения сохраняется до х/ё = 3,5. В донной части сопла образуется застойная зона, распространяющаяся до х/ё = 0,2.
Для изучения пульсаций давления в струе были произведены измерения полей течения с помощью малоинерционного приемника полного давления. Результаты измерений представлены на рис. 5 в виде относительного избыточного полного давления (Р — Рн)/(Р0 — Рн) в поперечном сечении струи для Р0/Рн = 2. Измерения выполнялись при движении приемника полного давления со скоростью 1,61 мм/с в поперечном направлении для сечений х/ё = 0,294 14,7.
Видно, что истекающие из кольцевого сопла струи объединяются в одну, поэтому ширина
струи сначала уменьшается, а затем увеличивается по мере смешения струи с окружающей средой. Наибольшая амплитуда пульсаций наблюдается в слоях смешения.
0 12 3 4
Рис. 4. Изобары (Р/Рн — 1) в продольном сечении струи по оси сопла при Ро/Рн = 6
Пульсации давления в газоструйном резонаторе
Для каждого измерения был проведен спектральный анализ в виде Фурье-разложения (Р — Рн)/(Р0 — Рн). Сделаны выборки в 16 384 отсчетов при различных положениях насадка. За время выборки измерительный насадок перемещался на 0,066 мм, что составляет 3,3% диаметра входного сечения измерительного насадка.
По результатам спектрального анализа можно выделить следующие характерные участки струи: первый — истечение и смыкание струй из кольцевого сопла, здесь находится застойная зона (х/ё = 0,294 1,18) — второй — объединенная струя из кольцевого сопла (х/ё = 1,18 2,94) и
третий — основной участок струи, где происходит ее размывание (х/ё = 2,94 14,7). Наиболь-
ший интерес представляет первый участок. На втором наблюдаются пульсации давления во всем спектре частот и на всем сечении струи, которые на третьем участке переходят в область низких частот.
Результаты спектрального анализа в поперечном сечении струи х/ё = 0,294 для Р0/Рн = 2 представлены на рис. 6. На верхнем графике показаны нумерованные точки г/ё, в которых получены представленные спектры пульсаций давлений. Координата г/ё выбрана с постоянным шагом и указана на соответствующем графике.
На первом участке струи, когда струи еще не объединились, наибольшие пульсации наблюдаются во внешнем слое смешения (точка 2) на частотах вблизи 22 кГц и выше. По мере приближения к оси струи они затихают. Эти пульсации распространяются вдоль всего участка струи, но отсутствуют в застойной зоне донной части сопла. Возможно, они порождаются в зоне смешения струи и передаются вверх по слою смешения.
В спектре также присутствует гармоника с частотой около 3 кГ ц. Она зарождается в точке смыкания кольцевых струй и наблюдается в застойной зоне донной части сопла. При х/ё = 0,294 она едва заметна. Наибольшая амплитуда у нее во внешнем слое смешения и на оси струи. Причем на оси она имеет острый пик, а во внешнем слое смешения струи ее спектр расширен. Когда струи начинают смыкаться в одну (х/ё = 0,588), эта гармоника усиливается вблизи оси и уже в объединенной струе, начиная с х/ё = 1,77, растворяется в шуме пульсаций давления, который присутствует во всем спектре представленных частот.
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 ,
(Р-РНЖР0-РН)______________________________________________________М=0. 588
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 ,
(Р-РН)/(Р0-РН) х/с1=1. 18
2-------------1----------1-----------1-----------1-----------1-----------1-----------г
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0. 8
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 ,
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0. 8
Рис. 5. Относительное избыточное полное давление в струе резонатора при Ро/Рн = 2
При Ро/Рн = 6 основные закономерности распространения пульсаций сохраняются. Увеличиваются лишь размеры выделенных участков струи. Пульсации давления при частоте 3 кГц переместились к 4 кГц. То есть увеличилась частота колебания при смыкании кольцевых струй. Дополнительно появились пульсации при частоте 8 кГц. Вблизи среза сопла (х/ё = 0,294) эти пульсации наблюдаются только в точке, расположенной внутри струи. Вероятно, они проникают в струю из кольцевого сопла.
На рис. 7, аналогично рис. 6, представлены результаты измерений (Р — Рн)/(Р0 — Рн) в продольном сечении струи. Измерения выполнялись при движении приемника полного давления со скоростью 0,89 мм/с вдоль оси сопла. Так как ось струи искривлена, измерения не соответствуют пульсациям давления по оси струи. Как видно, пульсации давления начинают нарастать при х/ё = 0,5. Здесь заканчивается застойная зона и смыкаются кольцевые струи. Результаты спектрального анализа подтверждают сделанные выводы о зарождении и распространении пульсаций в струе.
Рис. 6. Спектры пульсации давления в струе на расстоянии х/ё = 0,294 от сопла при Р0/Рн = 2
Рис. 7. Спектры пульсаций давления в струе при у/ё=0, 2/ё=0 и Р0/Рн=2 Выводы
Проведенные исследования структуры пульсирующей недорасширенной струи, генерируемой газоструйным резонатором с кольцевым щелевым соплом, показали, что при истечении струи из кольцевого сопла образуется объединенная сверхзвуковая струя с застойной зоной в
донной части. Эта зона наблюдается во всем исследованном диапазоне Р0/Рн от 2 до 6. С ростом полного давления в сопле размеры застойной зоны увеличиваются, а давление в ней понижается. Исследования пульсаций давления с помощью спроектированного и запатентованного малоинерционного приемника полного давления со встроенным преобразователем пульсаций давления показали, что при смыкании струй, истекающих из щелей кольцевого сопла, зарождаются колебания давления с частотой 3 кГц 4 кГц, которые также наблюдаются в застойной зоне донной части сопла.
Выявленные особенности течения кольцевых сталкивающихся струй для процессов формирования топливно-воздушной смеси позволят оптимизировать параметры укороченной полузамкнутой детонационной камеры сгорания пульсирующего детонационного двигателя и устройств детонационного синтеза перспективных углеродных наноматериалов для изделий авиационной техники.
Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для обоснования математических моделей и верификации численных методов расчета внутренних течений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бычков И. М., Вышинский В. В., Носачев Л. В. Исследования структуры течения в газоструйном резонаторе Гартмана // ЖТФ. — 2009. — Т. 79. — Вып. 8.
2. Патент Я И № 2 347 097. Бюл. 2009, № 5. Гиперзвуковой пульсирующий детонационный двигатель и способ его функционирования / Носачев Л. В.
3. Патент Я И № 2 344 074. Бюл. 2009, № 2. Способы получения нанодисперсного углерода (варианты) и устройство для их реализации / Каргопольцев В. А., Носачев Л. В., Прохоров Р. В.
4. Бычков И. М., Вышинский В. В., Наливайко А. Г., Носачев Л. В. О генерации потока углеродных нанокластеров // Труды 52-й научной конференции МФТИ & quot-Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук& quot-: Часть VI. Аэромеханика и летательная техника. — М., 2009.
5. Патент Я И № 2 346 283. Бюл. 2009, № 4. Приемник полного давления / Носачев Л. В.
INVESTIGATION OF PULSATED CLOSED CIRCULAR JET
Vyshinsky V.V., Nalivaiko A.G., Nosachev L.V.
Methodic and results of the experimental investigations of the gas flow peculiarities in the pulsated closed circular jet are presented. Quick-response Pitot tube with embedded pressure detector developed by authors is used for measuring pressure pulsations with frequency from 0 to 25 kHz in the pulsating jet flow.
Key words: experiment, measurements, pressure pulsations, annular jet.
Сведения об авторах
Вышинский Виктор Викторович, 1951 г. р., окончил МФТИ (1974), доктор технических наук, профессор, декан факультета аэромеханики и летательной техники МФТИ, главный научный сотрудник ЦАГИ, автор более 165 научных работ, область научных интересов — численные методы аэрогидромеханики, турбулентность, струйно-вихревой след.
Наливайко Александр Геннадьевич, 1960 г. р., окончил МФТИ (1983), кандидат технических наук, доцент по специальности, старший научный сотрудник ЦАГИ, автор более 40 научных работ, область научных интересов — струйная аэрогазодинамика, отрывные течения, управление течениями.
Носачев Леонид Васильевич, 1942 г. р., окончил МАИ им. С. Орджоникидзе (1965), кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ЦАГИ, автор более 65 научных работ, область научных интересов — ионосферная аэродинамика, низкотемпературная плазма, зондовые методы диагностики, кластерная плазма, детонационное горение.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой