Экспериментальное Исследование гиперзвуковых диффузоров при малых числах Re

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

_________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц, А Г И
Том VIII 197 7
№ 2
УДК 629.7. 018. 1:533.6. 071.1. 62−225. 98
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИПЕРЗВУКОВЫХ ДИФФУЗОРОВ ПРИ МАЛЫХ ЧИСЛАХ Ие
А. П. Филатов
Приведены результаты исследования серии диффузоров с целью выбора их оптимальной геометрии, соответствующей заданным условиям их работы с сильно недорасширенными соплами. Показано, что наиболее эффективно работает простой диффузор — цилиндрическая труба длиной, равной двум — шести диаметрам, при совмещении сечений его входа и выхода сопла. Установлено, что изменение числа Ие от Ие зг Ы02 до Ие = 3−104 приводит к изменению коэффициента восстановления давления системы сопло — диффузор примерно в два раза. При Ие г Ю2 -5-Юз и М = 6,7 Ч- 12,3 отношение коэффициентов восстановления давления в такой системе и в прямом скачке (коэффициент эффективности т-) равно 0,4 — 0,6 и превышает значение коэффициента у] для свободной струи при тех же значениях чисел Ие и М примерно в два раза.
Получение изоэнтропического гиперзвукового потока в вакуумных аэродинамических трубах при малых числах Не 1 • 10*, где йс — диаметр сре-
за сопла) связано с большими трудностями. Конические и профилированные сопла, рассчитанные на получение заданного числа М на выходе, работают при малых числах Ие неэффективно. На стенках сопла нарастает толстый пограничный слой, заполняющий большую часть сечения сопла. Например, диаметр сверхзвукового изоэнтропического ядра потока при числах М = 5-=-7 и Ие^ =: ЫО3 2-Ю3 составляет 0,2−0,3 от диаметра среза сопла. При заданных диаметре критического сечения сопла и числе Ие существует предельное значение числа Мшах, соответствующее случаю смыкания пограничного слоя в выходном сечении сопла. Увеличение диаметра изоэнтропического ядра достигается только за счет увеличения размеров сопла, в том числе площади его критического сечения и, следовательно, потребной производительности вакуумных насосов.
Другим способом получения изоэнтропического гиперзвукового потока является разгон газа в свободной струе, истекающей из короткого недорасширен-ного сопла, в котором газ предварительно разгоняется лишь до чисел Мс=1^-5 [1−4]. При одном существенном недостатке, а именно, значительном градиенте числа М вдоль оси потока, этот метод имеет большое преимущество. Он позволяет при тех же размерах критического сечения сопла и расходе газа получить большие значения диаметра изоэнтропического ядра потока при заданном числе М и большее число Мтах, зависящее в этом случае от степени недорасши-рения сопла, т. е. от отношения давлений в вакуумной камере (рабочей части трубы) и в потоке на срезе сопла рк/рс¦ Кроме того, давление в рабочей части трубы и, следовательно, на входе в вакуумную систему может быть во много'-
9-Ученые записки № 2
115
раз больше давления в потоке. Это связано с перерасширением газа в свободной струе по отношению к давлению в рабочей части и последующим восстановлением давления в скачках уплотнения, замыкающих область перерасширенного течения.
При обоих методах разгона потока в вакуумных аэродинамических трубах могут быть использованы для восстановления давления гиперзвуковые диффузоры. Известны аэродинамические трубы с соплами небольшой степени недорас-ширения, оснащенные диффузорами, коэффициент эффективности которых ¦") = Ря1Ро~0,5 при Мс «-8 и Ие* = 5−1СИ [5] и 11 = 0,24−7-0,38 при Мс 14−16 и
Мода
1 !
1? е*=: 3−104 — 6-Ю4 [6] (Ие* - число Ие, определенное по параметрам потока в критическом сечении сопла и диаметру критического сечения сопла Ря и Ро — давления на выходе из диффузора и за прямым скачком уплотнения при М = Мтах соответственно).
При использовании сильно недорасширенных сопл для получения гиперзву-кового потока скачки уплотнения, замыкающие область перерасширенного течения, играют ту же роль, что и гиперзвуковой диффузор, — восстанавливают давление в потоке. Их эффективность значительна также и при низких значениях чисел Ие, например, в данных экспериментах без диффузора получено значение і) =0,24 при Мтах =г 7 и Ие* = 540.
Применение диффузоров при работе трубы с сильно недорасширенными соплами дает дополнительный эффект по сравнению с восстановлением давления в замыкающих скачках уплотнения. Это подтверждается экспериментальными результатами, приведенными в настоящей работе. Работа была поставлена с целью исследования гиперзвуковых диффузоров при разгоне газа с помощью недорасширенных сопл с числом М на срезе, равным 3,35 — 3,7.
1. Гиперзвуковые диффузоры были исследованы в вакуумной аэродинамической трубе, вакуумная система которой состоит из паромасляных бустерных и механических насосов. Схема установки дана на фиг. 1. Диффузоры 1, выполненные в виде цилиндров (в ряде случаев с конической входной частью), устанавливались внутри рабочей части трубы (вакуумной камеры) 2 с помощью переходного отсека 3 и установочных колец 4 с уплотнением в одном из них. Рабочий газ (воздух) подогревался в омическом электроподогревателе 5 с трубчатым нагревательным элементом и через недорасширенное сопло 6 вытекал в рабочую часть. Давление воздуха в форкамере, расположенной внутри подогревателя, регулировалось игольчатым вентилем 7, а давление на выходе из диффузора (в трубопроводе, соединяющем рабочую часть с вакуумной системой) — дросселем-заслонкой 8.
Испытания проведены с двумя коническими соплами, полный угол раствора которых, а = 30°, а критические и выходные диаметры: 1) ?* = 12 мм и? с = = 43,6 мм- 2) = 4 мм и = 14,5 мм. Температура воздуха в форкамере Т0 ^
ж 1000 К при всех режимах. Режимы течения отличались величиной давления в форкамере: 1) Ро = 730 Па (Не* = 310), 2) р0 = 1280 Па (Ие* =540), 3) р0 = 6660 Па (Ие*=940), 4) ро — 11 460 Па (Ие* = 1620). Режимы 1 и 2 соответствовали соплу № 1, режимы 3 и 4 — соплу № 2.
Исследованы диффузоры с диаметром горловины rfr=]00, 120, 150, 180, ?90, 200, 230, 250 мм и относительной длиной lTjdT = I -г- 12. Ряд диффузоров был исследован с входными частями, отличавшимися диаметрами входа (dBx=180 и 200 мм) и полууглами раскрытия (гхвх = 4- 7- 15°). Один из диффузоров (dr= 180 мм, 1 Г = 720 мм) имел с внешней стороны медный змеевик для охлаждения стенки жидким азотом.
При эксперименте снимались дроссельные характеристики каждого диффузора, т. е. зависимости давления в вакуумной камере рк от давления на выходе из диффузора рл. Давление рж изменялось с помощью дросселя-заслонки в диапазоне рА = 0,93 — 33 Па. Давление в камере изменялось в диапазоне ркх0,4-т-13 Па. В трех диффузорах без входных частей были определены распределения числа М вдоль оси и отношения давлений Р0/Ро в ряде сечений потока между •соплом и замыкающим скачком уплотнения внутри диффузора. Для этого внутрь диффузора через прорезь в его стенке вводился приемник полного давления. Прорезь была закрыта наклеенной на диффузор тонкой (8 1 мм) лентой из
вакуумной резины с разрезом вдоль осевой линии прорези. Таким образом, при-«мник давления мог свободно перемещаться вдоль диффузора, а резиновая лента при этом достаточно хорошо (хотя и негерметично) закрывала прорезь в стенке диффузора. Экспериментально было установлено, что отверстие в стенке диффузора диаметром 10 мм, расположенное на расстоянии I? к dr от входа в диффузор без входной части, не влияет на характеристики диффузора.
В эксперименте проводились следующие измерения. Давление в форкамере Ро измерялось U-образным манометром, заполненным дибутилфталатом (погрешность ± 10 Па). Давление в вакуумной камере рк и на выходе из диффузора рл измерялось термопарными манометрами ЛТ-2. Погрешность измерения давлений Рк и Рл ±0,2 Па. Манометр для измерения давления рк, установленный внутри вакуумной камеры (см. фиг. 1), был термостатирован рубашкой, охлаждавшейся водой. Температура стеклянного баллона манометра контролировалась хромель-копелевой термопарой и поддерживалась на уровне 20−22° С.
Давление торможения р'0 измерялось манометром сопротивления (погрешность приблизительно ± 5% от измеряемой величины).
Температура воздуха в форкамере Го измерялась расходным методом. Температура стенок диффузора, охлаждавшегося жидким азотом, измерялась тремя хромельалюмелевыми термопарами.
При определении числа М по измеренному отношению давлений p^lpo в показания приемника полного давления р'-0 вводил& amp-сь поправка на влияние вязкости [7].
2. Эффективность исследованных диффузоров оценивалась по величине отношений давлений рк/ро и рд/рк при одинаковом значении отношения рц/ро• Диффузор тем эффективнее, чем большее дополнительное разряжение создает он в вакуумной камере по сравнению со случаем, когда диффузор отсутствует, т. е. чем меньше получается отношение рк1ро¦ Это также соответствует максимальному значению отношения рл! рк при данном значении отношения PuIPo-
Дроссельные характеристики диффузоров дают возможность
Ро Ро !
определить максимальную величину отношения pjpo- Анализ влияния отдельных
геометрических параметров диффузоров на отношение (-I позволяет найти
Рк /шах
оптимальную геометрию диффузоров. Зависимости отношения I ?& amp-.) от отно-
Рк /max
сительного расстояния между входом в диффузор и срезом сопла для различных диффузоров и режимов течения приведены на фиг. 2, а. На этой фигуре, а также на следующих, режим течения характеризуется величиной числа Re*. Результаты эксперимента показывают, что оптимальным положением диффузора по отношению к соплу в исследованном диапазоне изменения отношения xjdc-0-*-12 является положение при xjdc = 0.
Следует отметить, что при экспериментальном исследовании диффузоров со слабо недорасширенными соплами было установлено, что величина относительного расстояния xjdc в диапазоне ее изменения от xjdc = 0,5 до xjdc = 2 не влияет на коэффициент эффективности диффузоров if [6] или имеет оптимум xjdc г 1,5 [5].
Результаты исследования влияния на эффективность диффузоров параметров входной части (угла авх и относительного диаметра dBXjdr) приведены на фиг. 2,#.
шах
5)
/
& quot- '-
/
к
4& gt-/<--
Й п 1,0 ¦ 1620
0 12
1,33
г L_ Л 1,0 '-yiu
? 1,2
0 Л Л /, 33
Рк!
Фиг. 2
Фиг. 3
Диффузоры с входной частью дают меньший перепад давлений (--), чем
& quot-к /max
простой диффузор в виде цилиндрической трубы.
Таким образом, в условиях данного эксперимента лучшими являются диффузоры, состоящие только из цилиндрического участка, а их вход должен быть совмещен с выходом из сопла. В дальнейшем исследовались такие диффузоры при
(?*Л =f (±
Рк /шах
x/dc = 0. В результате анализа экспериментальных зависимостей при постоянном диаметре горловины dvd* для каждого режима течения были определены приблизительные оптимальные длины диффузоров -jM.
°г /opt
?г (1г
Дроссельные характеристики диффузоров при = 1~^& quot-1 и различных
диаметрах горловины для одного режима течения, построенные вместе, дают возможность найти геометрию оптимального диффузора для заданного режима течения (р0, Т0, d* или Re*) и располагаемого отношения давлений рл1ро, являющегося функцией расхода воздуха через сопло и производительности насосной системы. Огибающая дроссельных характеристик (фиг. 3) касается этих характеристик в точках, соответствующих такому отношению давлений рл1ро, для которого диффузор с данными значениями dr/d* и lrjdr является оптимальным. Сле-
I dc
довательно, для данного значения Re* могут быть найдены зависимости -т- =
* /Opt
= f^~ I и (-7^-) =/(-). Они приведены для всех исследованных режимов
Ро / /opt Ро I
течения на фиг. 4. Там же даны экспериментальные точки из работ [5] и [6] (подобные зависимости в этих работах не рассматривались). На фиг. 4, а нане-
d-т I р д «
сена также расчетная зависимость для идеального газа, найденная
в предположении: 1) воздух изоэнтропически расширяется до диаметра горловины диффузора- 2) поле скоростей в сечении присоединения свободной струи к стенкам диффузора равномерное, а число Мшах определяется из уравнения
(d* 2
4 (Мшах) = -т- - 3) восстановление давления в диффузоре соответствует пря-
•тах/ ^
мому скачку при значении М, равном МшахСрд = р0 ид). Этот расчетный случай соответствует работе гиперзвукового нерегулируемого диффузора в аэродинамических трубах с нормальной плотностью газа и закрытой рабочей частью. Извест-
Рк
но, что коэффициент эффективности дрффузора в таких трубах ^ = -г- як 1.
Ро
Несмотря на меньшие числа Не* в настоящем эксперименте, по сравнению со значениями Не* в работах [5] и [6], все точки лежат на одной кривой, близкой к расчетной зависимости при Рж = Роил ¦ Однако отношение эксперименталь-
п'- 1Л г
ного значения рл к расчетному значению Р0 ид =/1-^-1 нельзя считать коэффициентом эффективности диффузора у. Для его определения необходимо знать истинное (измеренное) число Мшах в потоке. Оно вследствие вязкости меньше
рассчитанного указанным способом, а соответствующее значение Ро^& gt-Роид-Поэтому в действительности т) меньше, чем практически постоянное отношение -Ел., определенное по этому графику без учета вязкости. Для сравнения на Ро
фиг. 4, а приведена расчетная зависимость с теми же значениями Мшах для одно-
Iа* V
мерного течения идеального газа & lt-7(Мшах) = [для слУчая, если бы восста-
новления давления не было, рд =рНЛ = Ро ^'(Мшах)].
Оптимальная длина диффузоров для условий данного эксперимента равна 2−6 диаметрам горловины или -40−150 диаметрам критического сечения сопла (фиг. 4, б).
Проведенные в настоящем эксперименте исследования течения внутри диффузоров показали, что газ расширяется внутри диффузора так же, как в свободной струе без диффузора, но до большего числа Мшах вследствие более
N» -fe-. •* *& gt-, К? -fe- 0,ї*& gt-
Фиг. 5
т° 2 к 6 aid1 2 Ї 6 ?!02 2 «. djd*
Фиг. 6
низкого давления в вакуумной камере, т. е. на границе струи. При этом диаметр изоэнтропического ядра потока в области, где число М s MmiI, в -1,5 раза больше, чем без диффузора, и течение весьма равномерно в поперечных сечениях изоэнтропического ядра потока. Этот эффект является следствием не только влияния стенки диффузора, но, по-видимому, и температурного фактора TwjTu^. = 0,32 (Tw-температура стенки диффузора), понижение которого приводит к уменьшению толщины пограничного слоя струи.
На фиг. 5, а дана зависимость измеренного отношения ра1р0 от измеренного значения числа Мтах при приблизительно оптимальном для данного диффузора значении отношения Qv'-Po)0pt в присутствии приемника давления. Приемник давления имел диаметр 4 мм, а его вертикальная державка-8 мм, и подобно модели вызывал дополнительные потери давления. Поэтому в присутствии насадка величина отношения рк1р0 при оптимальном диффузоре увеличивается, эффективность диффузора уменьшается [отношение (рл1рк)тлх становится меньше примерно на 20%]. На фиг. 5, а для сравнения приведена зависимость восстановления давления в прямом скачке уплотнения. На этой фигуре черными значениями приведены также экспериментальные точки из работ [5] и [6], отнесенные к числам М на срезе сопла (М = Мс). Чтобы сделать данные из работы [5] более сопоставимыми с результатами настоящей работы, были определены значения Мтах в свободной струе в предположении, что газ расширяется до давления, равного давлению в камере, известному из эксперимента (/?min=pK). Отношения давлений рл1ро из работы [5] представлены на фиг. 5, а также в зависимости от этих расчетных значений Мшах. Найти соответствующие значения Мшах для точек из работы [6] оказалось невозможным из-за отсутствия необходимых данных.
Следует отметить, что температура газа в работе [6] была равна 3700 -5500 К и течение, начиная с критического сечения сопла, считалось замороженным. В работе [5] температура Т0 = 700 К, и как и в настоящем эксперименте было принято, что течение является равновесным.
На фиг. 5, б приведены значения коэффициента эффективности диффузоров, близких к оптимальным, и коэффициента эффективности восстановления давления т] в системе замыкающих скачков уплотнения в свободной струе при работе с теми же недорасширенными соплами и на тех же режимах, о которых сказано выше, но без диффузора. На фиг. 5, в эти данные показаны в зависимости от числа Re3(ji, определенного по эффективному диаметру потока при М = Мшах:
ре =________(М) a* rf* Pi I
Э'- P (T)YqW) RT4 '-
где & gt- (T)-вязкость при статической температуре Т- д, ?& gt-, q-газодинамические функции- я*- критическая скорость звука-
R — газовая постоянная.
Коэффициент эффективности системы «недорасширенное сопло — оптимальный диффузор» зависит от числа НеЭф, возрастая с его ростом. Но более существенное влияние на величину коэффициента эффективности т] имеет величина максимального числа М: с ростом числа М эффективность диффузора уменьшается. В исследованном диапазоне числа Re от Re3(j, ~ 1,6−10® до Иеэф = 7,5−102 и числа М от Mmax г 6,7 до Мтах =: 12,3 коэффициент эффективности оптимальных диффузоров при работе с недорасширенными соплами (Мс = 3,3−3,7) равен примерно 0,4−0,6. Коэффициент эффективности восстановления давления замыкающих скачков уплотнения в свободной струе без диффузора при тех же значениях чисел Re и Мшах приблизительно в два раза меньше.
Ранее было показано (см. фиг. 4, а), что число Рейнольдса не влияет на величину отношения pjpo при заданной величине относительного диаметра оптимального диффузора? r/d*- Но при dr/d* = const влияние числа Re сказывается на величине давления в вакуумной камере, т. е. отношении рк/р0 (фиг. 6), и через него — на значения достижимого числа Мтах и коэффициента эффективности tj. Система сопло — диффузор по своему действию аналогична эжектору [5]. Поэтому чем меньше число Re* при заданном отношении dr/d*, тем слабее эжектирующее действие имеет струя, вытекающая из сопла [8].
1. Owen P. L., T h о г n hi 11 С. К. The flow in axially-simmetric supersonic orifice into vacuum. ARC Repts and Memo, N 2616, 1952.
2. Love E. S., Grigsby С. E., Lee L. P., Woodling М. I. Experimental and theoretical studies of axicymmetric free jets. NASA Technical Reports, R-6, 1959.
3. Ющенкова H. И. Исследование структуры осесимметричной сверхзвуковой струив вакууме. Сб. «Проблемы энергетики». М., Изв. АН СССР, 1959.
4. Ж о х о в В. А., Хомутский А. А. Атлас сверхзвуковых течений свободно расширяющегося идеального газа, истекающего из осесимметричного сопла. Труды ЦАГИ, вып. 1224, 1970.
5. Monnerie В. Etude d’une falille de diffuseurs pour soufflerie hypersonique a faible nombre de Reynolds. La Recherche Aerospatiale, N 114, 1966.
6. W h i t e 1. I. An experimental investigation of fixedgeometry diffusers in an open-jet wind tunnel at Mach numbers between 14 and 18 and Reynolds numbers between 8. 900 and 25. 000. AEDC-TR-67−3, March 1967.
7. Костерин С. И., Ющенкова Н. И., Белова Н. Т., Камаев Б. Д. Исследование влияния разреженности сверхзвукового потока на показания зондов полного напора. ИФЖ, т. 5, № 12, 1962.
8. Филатов А. П. Исследования сверхзвуковых газовых эжекторов при малых числах Re. Труды ЦАГИ, вып. 1365, 1971.
Рукопись поступила ЗЦІІІ 1976 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой