Экспериментальное определение коэффициентов восстановления давления в конических диффузорах при больших дозвуковых скоростях и различных условиях на входе

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ И А Г И

Т о м IV 1 9 7 3 № 3

УДК 532.542.4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В КОНИЧЕСКИХ ДИФФУЗОРАХ ПРИ БОЛЬШИХ ДОЗВУКОВЫХ СКОРОСТЯХ И РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ НА ВХОДЕ

Я Л. Гинзбург, И. Е. Идельчик

Приведены основные результаты исследований конических диффузоров при больших дозвуковых скоростях. Получены зависимости коэффициентов восстановления давления от относительной скорости потока для различных углов и степеней расширения и относительных длин прямого входного участка как для диффузоров, помещенных в сети, так и на выходе из сети.

Известно, что диффузорные каналы широко применяются в самых различных отраслях техники, поэтому исследованию течения жидкости и газа в таких каналах уделяется значительное внимание. Многие вопросы, связанные с течением в диффузорных каналах, особенно безотрывных, получили теоретическое решение Ц—6], однако сложность явления и зависимость характеристик диффузоров от большого числа параметров не позволяет на современном уровне получить все эти зависимости теоретически. Большую часть их приходится определять только экспериментально, но и этим путем получить исчерпывающие данные все еще не удалось. В проводившихся исследованиях число исследуемых параметров оставалось ограниченным, так что влияние каждого из них независимо от остальных параметров не всегда могло быть выявлено. Это относится даже к таким сравнительно обширным исследованиям диффузоров, которые изложены в работах [6—10]. Правда, авторам [6] удалось в определенной степени выявить независимо одно от другого влияние двух очень важных параметров — чисел Ие и М. Но это касается только диффузоров, работающих на выхлоп, с углами расширения до 30° при постоянных условиях на входе (равномерный профиль скоростей на входе в диффузор, помещенный непосредственно за плавным коллектором, и постоянная степень турбулентности входящего потока).

Авторами настоящей статьи проведены систематические исследования конических диффузоров (О, = 80 мм), диффузоров с квадратными поперечными сечениями и плоских диффузоров как при работе их на выхлоп (12;В, = 0), так и в сети* [/2/02 = (/2/Ог)0Р1 ] (фиг. 1). Здесь /•> — длина прямого выходного участка, О, — диаметр широкого (выходного) сечения диффузора.

Диффузоры испытывались при различных углах расширения, взятых в пределах а = 4-^180° (4°, 6°, 8°, 10°, 14°, 20°, 30°, 45°, 60”, 90°, 120°, 180°), и степенях расширения в диапазоне п= 216

(2, 4, 6, 10, 16). Число Рейнольдса менялось в пределах Ре=

= 3- Ю4 -н Ю6, но только в результате изменения скорости потока (относительная скорость доходила при этом в отдельных случаях до >-, = 0,95). Каждый диффузор испытывался при различных условиях входа, изменявшихся путем установки между плавным входным коллектором и диффузором прямых участков с различными относительными длинами, взятыми в пределах 11/й1 = Он-20. Этим

одновременно менялись в сравнительно широких пределах (0,5% <

5* \

<2т^-<[5,0% I как толщина потери импульса, так и степень турбулентности в пограничном слое на входе в диффузор.

Ясно, что и эти опыты обладают тем недостатком, что в них изменение чисел Ие и Хь как и толщины „потери импульса“ и

* Отметим, что при работе диффузора в сети должны быть учтены не только чисто .внутренние" потери давления в нем, но и потери давления за ним, в прямом выходном участке. Эти потери вызваны нарушением потока в самом диффузоре и дальнейшим выравниванием его на указанном участке. Поэтому для правильного определения коэффициента сопротивления диффузора, работающего в сети, требуется измерение полного давления на таком расстояний за ним в выходном участке, при котором распределение скоростей практически уже равномерно по сечению. В наших опытах за испытываемыми диффузорами рассматриваемого класса всегда устанавливался прямой участок (см. фиг. 1) с длиной /2/Л2, обеспечивавшей достаточную равномерность потока при выходе его в атмосферу [/2/02 = (ЫВ2)ор( ]. В силу сказанного коэффициент сопротивления, вычисленный только по .внутренним* потерям в самом диффузоре, не отражает истинную (полную) величину потерь давления в диффузоре, работающем в сети.

степени турбулентности, происходило одновременно. Однако это как раз и наблюдается в большинстве случаев на практике, в связи с чем полученные результаты должны, на наш взгляд, представлять довольно широкий практический интерес, особенно, если учесть, что опыты позволили выявить независимо один от другого влияние каждого из таких параметров, как а, п, /,//),, /2/.02, форма сечения.

Полное давление перед диффузором определялось по полному давлению в предшествующей диффузору камере наддува за вычетом потерь на трение Д//, в прямом входном участке:

Р01=Р00— Д^1=Ра-Ь^0— ЬНХ.

Этот общепринятый метод был применен не только для упрощения техники экспериментов, но и для повышения их точности. Он исключал необходимость установки в сечении непосредственно перед входом в диффузор измерителя давления. Последний даже при очень малых размерах вызывает значительное искажение потока (аэродинамическая тень) по всей длине диффузора, внося тем самым большие погрешности в определение истинных потерь в нем. Кроме того, дополнительное сопротивление в общей сети от измерителя давления было при больших скоростях столь значительным, что в наших условиях оно резко снижало максимальную скорость потока X, на входе в диффузор.

Избыточное давление Н0 измерялось в сечении 0—0 по штуцеру на стенке успокоительной камеры (камеры наддува, см. фиг. 1), в которой скорость потока практически равнялась нулю. Поэтому величина Н0 может рассматриваться как избыточное полное давление (давление торможения).

Потери давления Д/У, на участке от сечения 0—0 до сечения 1—1 перед диффузором были определены предварительными экспериментами для всех значений 1^0 * по разности полных давлений в указанных сечениях. Осреднение полного давления по сечению 1—1 производилось по массовому расходу и измеренным полям скоростей и полных давлений. При этом плотность воздуха принималась постоянной по сечению, поскольку при /,/0, = 0-ь2, когда диффузор помещен непосредственно за плавным коллектором, распределение всех параметров потока равномерное**. При других же значениях /,/0, (больше двух) величина X, не превышала 0,7. Но при Хг<0,7, как показано в работе [ 12], неравномерностью распределения по сечению статического давления и плотности можно пренебречь.

В соответствии с замечанием, сделанным выше, полное давление за диффузором, работающим в сети, определялось по полному давлению в конце прямого выходного участка*** с учетом потерь на трение Д//2 в этом участке:

* Рг “’г

Рй2 ~ Ра Д/Д = Рл ’тр 2 '

* Для случая /,/Д1 = 0 было принято Д/У, =: 0.

** Сечение 1—1 было выбрано не в самом входе в диффузор, а на расстоянии 0,2 Д, впереди него, с целью исключения влияния излома стенки на локальное распределение скоростей и давлений.

*** Тем самым учитывались не только „внутренние” потери в диффузоре, но и последующие потери на выравнивание потока за ним, которые, как было отмечено, также следует отнести к потерям в диффузоре, работающем в сети.

где Стр—коэффициент сопротивления трения прямого выходного участка. Потери на трение в прямом выходном участке за диффузором из-за малости скоростей столь незначительны, что совершенно не существенно, по какой из имеющихся формул их рассчитывать. В настоящей статье для этого использовалась формула, рекомендуемая в работе [12]:

X —1

тр — _

_ /Ро_а\ 1 \Л>2 )

(X, X,).

Так как

то получаем

х—1

Ро2=Р*[1 — ^х|х;

х-1

где *— показатель адиабаты. Учитывая малость величин

1 .2

чтр, 7 + ) Аа и ограничиваясь только

первыми членами разложения степенного ряда, можно выражение для коэффициента восстановления полного давления привести окончательно к следующему виду:

1

„ Рог Р а

Ро Ап Ап

где

1

—(1 + Чр) ^а ]

1 +

{-1 1 Ра «

Ни - АН,

' = V ;

Г 1—1

X +1 1 1 5 я |

X- 1

(1 +СтР) х;

СС= 4

0.96

0.96

1,0

0,91

1,0

1,/ЛГ0 1

° 2 • /7- Ж* У

* * ъ 16 ' .6. . 5

лгал '-П«- 1,/Лг

«№д 1,/Лг 10

Гг,/А - го

' О 0,1 0,2 0,3 0}

С 1 2 3 ♦ 5 6 7 в 9 10 11 12

Ее-10'5

Ро

ОС = 6

0,6 0,7 0,6 6.9 X,

0.96

1,/лго

Т*8

п=10 16 Ш'Л

ч- 6 ^ 1

5 -

Ч/П! *

'ил,-10

1,Щ = 20

0 0, 1 о, 2 0.3 0, 4 0,5 0,6 0,7 0,0 0,9 X,

1 2 3 4 5 6 7 6 9 10 И 12

Не10~*

to

1,0 Г

iff

10

0,96

0,96

to

1,/Л, - 0

1 ^'Чач*

11

с П-

2 4 • n II 4/4“2

г 6

I,/Dr 5

I Г 1

1,/Л-10

1 1

1,/л = 20

и = 10°

Pi

0,96

1,0

0,90

1,0

0,96

i.o\

0,96r

J,/%-0

С П с =7 4» 6 • у? Н =10 16 J,V>,'2

1,/Л;=5

it\

3,96-

,,,J і і

1,/л,-10

'

l,/л Г 20

*5 >

0 OJ 0,2 O’ 0,4 0,5 06 0, 0,6 0,9 A, 0,96g g] ^ ^ ^ ^ fft- 07 цЙ os ^

1 г 3 4 5 6 7 S 9 10 11 12

fie-W~s

Фиг. 4

12345 671 S 10 11 12

Де-ЯГ5

Фиг. 5

и = 14

P.

0,96

0,96

№

1.0

II 5f V і

-*K

•>

1,/л = 2 1

*n=2 . 6 и 16 si

v

r-s. 1,/Л,-5

N N.

^ > 4,- \

L \ l,/Л,= 70

—^ 4

4 4 1,/Л,= 20

“Я s

1 і ч L

OJ OJ OJ 0,4 OJ 06 07 OJ OJ X,

0 1 > 3 4 5 6 7 6 9 70 11 12

fie!Os

В случае диффузоров, работающих на выхлоп, величина принималась равной давлению окружающей среды, так что

я = £*- = Е±. — 1

Ро\ Ры , , Я0—дя, ‘

!+ ~77~

Учет^ погрешности измерения величин, по которым определялось/) (р0), позволил оценить относительную погрешность определения величин 1 — р и 1 — р0 для наиболее важной области скоростей (Х,> 0,6): она оказалась порядка 10%. Учитывая присущие диффузорным каналам большие пульсации потока, такую погрешность следует считать вполне приемлемой.

Результаты опытов в виде зависимостей коэффициентов р0 и р от X, (и Ие) при различных а, п и /, £>, приведены на фиг. 2—6 для конических диффузоров, работающих в сети, и на фиг. 7 —11 — для конических диффузоров, работающих на выхлоп.

Отметим, что уменьшение максимальной скорости потока на входе в диффузор при увеличении относительной длины /]/0, объясняется чисто техническими возможностями использованной нами экспериментальной установки. При увеличении сопротивления испытываемых диффузоров (вследствие увеличения длины прямого выходного участка /, О,) снижалась производительность вентилятора, приводившего поток в движение, и дальнейшее повышение /•! становилось в наших условиях невозможным.

Ограниченный объем статьи не позволяет здесь подробно останавливаться на механизме влияния условий входа (относи-

1,/л-о !

X

Чч >чч/5\ X т

N м

1- ! і

о в = 2 * * 'п • S “ ? 'Ns Jf/Jr*

\ \

\

I4^ 1,/ЛГ5

[ £

N. \ 1,/ЛГ10

ГЧ . 1

* 1,/Л- Ю

VS

V

1,0

т

1 ,, ^ 1,/Л г 0

4s ч

ЧЛ

hi 'Л = 2

о/7=2 А /, * Л 16 С».

* 6 "

\і,!Лг5

X V

\

V О ^ 1,/л--10

\

\ X

S ч 1,/ЛГ 20

В 1 2 3 4 5 17 8 S 10 11 12

Re-10~s

Фиг. 9

1 ? З і 5 6 ; 5 Фиг. 10

// 12 Пе-105

<х = 14°

тельной длины прямого входного участка 1{ О,) на сопротивление диффузоров или, что то же, на коэффициент восстановления давления р (р0) (см. работы [16—18]). Укажем лишь, что это влияние обусловлено двумя факторами: возрастанием толщины и степени турбулентности пограничного слоя в диффузоре по мере удлинения начального прямого участка, помещенного между очень плавным коллектором и диффузором. При малых углах расширения а первый фактор (утолщение пограничного слоя) понижает сопротивление трения в диффузоре, а второй (турбулизация потока) — повышает его. Значительная турбулизация потока, оказывающая более сильное влияние на сопротивление диффузора, чем утолщение пограничного слоя, происходит при начальном удлинении прямого участка примерно до /1 О, = 10 -г- 12, с дальнейшим увеличением /, О, турбулизация стабилизируется. Утолщение же пограничного слоя продолжается и с дальнейшим удлинением прямого участка (практически до /1_/£)1 = 20 -г- 25). В результате всего этого возрастание сопротивления (уменьшение р и р0) диффузоров с малыми углами а (примерно до 10°) при увеличении относительной длины прямого входного участка происходит в пределах /101^10н-12. С дальнейшим же увеличением 1Х О, величина р (р0) остается постоянной или даже несколько возрастает по сравнению с тем, что получается при 01 = 10-т-12.

До сих пор в качестве основных материалов для расчета диффузоров при больших дозвуковых скоростях служили данные, опубликованные в работе К. С. Сциларда [13]. Эти данные фигурируют почти во всех других работах, в которых рассматриваются аналогичные вопросы [12, 14]. Между тем упускается из виду, что указанные исследования относятся к диффузорам только с одним отношением площадей («=^5) и совершенно определенными условиями входа, когда перед диффузорами установлены дополнительные участки (рабочая часть аэродинамической трубы в виде плавного коллектора с прямым участком общей длиной 4/0, = 3, или камера Эйфеля), так что данные [13] включают как собственное сопротивление диффузоров, так и сопротивление этих участков. Кроме того, наличие перед диффузором того или иного участка дополнительно повышает сопротивление этого диффузора (понижает коэффициент восстановления давления, что видно из приведенных здесь, а также в работах [15—18] результатов наших исследований). Из сказанного вытекает, что распространение результатов исследований Сциларда на другие отношения п (особенно меньше пяти) и другие условия входа неправомерно. Истинный коэффициент сопротивления (коэффициент восстановления давления) диффузора будет при этом значительно отличаться от указанного в работе [13].

ЛИТЕРАТУРА

1. Ги невский А. С. Энергетические характеристики дозвуковых диффузорных каналов. .Известия АН СССР*, ОТН, № 3, 1956.

2. Гиневский А. С. Расчет потерь в расширяющихся и сужающихся каналах. „Промышленная аэродинамика*, вып. 7, ЦАГИ,

1956.

3. Гиневский А. С. О расчете гидравлического сопротивления каналов с безотрывным и отрывным течением. „Инженернофизический журнал*, т. 8, № 4, 1965.

4. Г и невский А. С., Колесников А. В. Расчет начального участка и участка стабилизированного течения в плоских безотрывных диффузорах. „Известия АН СССР—МЖГ“, № 6, 1969.

5. Солодкин Е. Е., Гиневский А. С. Турбулентное неизотермическое течение вязкого сжимаемого газа в начальных участках осесимметричных и плоских расширяющихся каналов с нулевым градиентом давления. Труды ЦАГИ, вып. 940, 1964.

6. Дейч М. Е., Зарянки н А. Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. М., „Энергия", 1970.

7. Kmonicek W. Unterschallstromung in Kegeldiffusoren. Acta Technica, 1959, No 8.

8. Kmonicek W. Zlepsenicinnosti dlffusoru jednodu chymi zaschy. Strojncky sbomik, 1956, No 13.

9. L і p p e F. Untersuchungen iiber den Einfluss des Dralles auf die Stromung in schlanken Kegeldiffusoren. Wissenschaft, Zeitschrift der TN, Dresden, Bd. 8, Nr 2, 1962.

10. Van Devoesline R. V., Fox R. W. An experimental investigation on the effect of subsonic inlet Mach number on the performance of conical diffusers. Intern. J. of Mech. Scienc., vol. 8, No 12, 1966.

11. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике. М., „Наука", 1967.

12. Дорфман А. Ш., Назарчук М. М., Польский Н. И., Сайковский М. И. Аэродинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. Киев, Изд. АН УССР, 1960.

13. Сцилард К. С. Исследование диффузоров аэродинамических труб больших скоростей. ЦАГИ, „Технические заметки", № 160, 1938.

14. А б р а м о в и ч Г. А. Прикладная аэродинамика. М., „Наука",

1969.

15. Идельчик И. Е. О режимах отрывных течений в фасонных частях трубопроводов. Сб. докладов на семинаре по теплогазо-снабжению и вентиляции. Киев, „Будівельник", 1966.

16. Идельчик И. Е., Гинзбург Я. Л. Об исследовании влияния числа Re и условий входа на закономерности движения в диффузорах. Сб. докладов 5-го Рижского совещания по МГД. Институт физики АН Лат. ССР, 1966. (См. также статью авторов в сб. „Проблемы вентиляции и кондиционирования воздуха". Минск, 1969).

17. Идельчик И. Е., Гинзбург Я. Л. Механизм влияния условий входа, формы сечения и режима течения на характеристики диффузоров. Сб. докладов 6-го Рижского совещания по МГД. Институт физики АН Лат. ССР, 1968.

18. Идельчик И. Е., Гинзбург Я. Л. О механизме влияния условий входа на сопротивление диффузоров. „Инженерно-физический журнал", т. XVI, № 3, 1969.

Рукопись поступала 25/VI 1971 г. Переработанный вариант поступил ЗІ/V 1972 г.