Влияние затупления входных кромок на характеристики подкрыльевых воздухозаборников

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

Том XXV 1994 №1-2

УДК 629.7.015.3.036:533.697.2 629.7.015.3:533.695

ВЛИЯНИЕ ЗАТУПЛЕНИЯ ВХОДНЫХ КРОМОК НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОДКРЫЛЬЕВЫХ ВОЗДУХОЗАБОРНИКОВ

В. П. Старухин, А. Ф. Чевагин

Исследовано влияние затупления входных кромок гиперзвукового воздухозаборника и передних кромок крыла летательного аппарата на структуру течения на входе в канал воздухозаборника и его интегральные харакге-ристики. Показано, что затупление кромок может существенно трансформировать расчетную систему скачков уплотнения вплоть до полного разрушения сверхзвукового течения в воздухозаборнике. Экспериментально определены допустимые величины радиусов, а также формы кромок, при которых воздействие вынужденного затупления на характеристики гиперзвукового воздухозаборника носит ограниченный характер.

Вследствие высоких степеней аэродинамического нагрева внешней поверхности гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА) передние кромки крыла планера ЛА и входные кромки воздухозаборника необходимо делать затупленными.

Затупление передних кромок из-за возникновения перед ними ударных волн с местными дозвуковыми зонами будет приводить к изменению картины внешнего обтекания и течения в канале воздухозаборника по сравнению с вариантом с острыми кромками. Это может вызвать изменение внешних (коэффициентов сопротивления и подъемной силы) и внутренних (коэффициентов расхода и восстановления полного давления) характеристик воздухозаборника, что, в свою очередь, может приводить к изменению аэродинамических характеристик ЛА и тягово-экономических характеристик его силовой установки. В связи с этим при проектировании гиперзвуковых воздухозаборников необходимо уметь оценивать возможную степень ухудшения характеристик воздухозаборника при затуплении передних кромок клина торможения, боковых щек и обечайки, а для воздухозаборников в подкрыльевой компоновке и передних кромок крыла ЛА.

В настоящее время не существует ни достаточно надежных расчетных методов, ни достаточно обширных систематических эксперимен-

тальных данных, позволяющих оценивать влияние степени затупления входных кромок воздухозаборников на его характеристики. В данной статье приводятся материалы таких экспериментальных исследований, которые позволяют частично ответить на ряд вопросов, возникающих в связи с необходимостью затупления входных кромок воздухозаборника.

1. Экспериментальные исследования проводились на двух моделях: на модели изолированного плоского воздухозаборника, схема которого приведена на рис. 1, и на модели под крыльевого плоского воздухозаборника (рис. 2) [1]. В процессе исследований с помощью сменных деталей варьировались конфигурация и степень затупления передних кромок крыла, клина торможения, обечайки и боковых щек. Целью испытаний являлось исследование влияния затупления входных кромок воздухозаборника на запуск и картину течения во входном участке канала воздухозаборника и на его суммарные внутренние характеристики.

I этап испытаний был проведен на модели изолированного воздухозаборника в диапазоне чисел М = 4-5- 5,5 на режимах работы воздухозаборника М < Мр. Расчетное число Маха воздухозаборника Мр = 6. II этап испытаний был проведен на модели подкрыльевого воздухозаборника (см. рис. 2) в диапазоне чисел М = 4...10, которые соответствовали режимам работы воздухозаборника как М < Мр, так и

М>Мр (Мр =5,3).

Затупление передних кромок крыла на модели осуществлялось с помощью сменных накладок (см. рис. 2). В отличие от работы [1] в данной статье, кроме варианта воздухозаборника с углом 0К = 27,5 , рассматривался вариант с 0К = 15° (см. рис. 2). Причем при числах М > 6 исследовались характеристики воздухозаборника на режимах сверхзвукового течения в горле Мг >1.

Схема затупления клина тормошения Схема затупленая обечайки

Рис. 1. Схема модели изолированного воздухозаборника

Рис. 2. Схема модели подкрыльевого воздухозаборника

2. При испытании изолированного воздухозаборника отмечено прежде всего существенное отличие влияния затупления обечайки и клина торможения: достаточно значительное затупление обечайки (гоб = 0,025 Л о) не вызывает нарушения состояния запуска воздухозаборника и заметного изменения коэффициентов расхода и восстановления полного давления, а такое же затупление передней кромки клина торможения может привести к нарушению состояния запуска и резкому ухудшению внутренних характеристик воздухозаборника.

Визуально отмечалось, что даже малая степень затупления передней кромки обечайки вызывает заметное изменение во внешнем обтекании обечайки: скачок, идущий над ее внешней поверхностью от передней кромки, становится искривленным и более крутым, что'с очевидностью указывает на вызываемое этим неизбежное повышение давления за скачком и, следовательно, увеличение сопротивления воздухозаборника. Однако это чисто качественный результат и в рамках данной статьи количественно не может быть оценен.

Влияние затупления на картину течения во входном участке канала воздухозаборника существенно зависит от характера взаимодействия скачка уплотнения от последней ступени клина торможения со скачком уплотнения, возникающим перед затупленной обечайкой, и вследствие этого существенно зависит как от числа М набегающего потока, так и от степени затупления передней кромки.

При М = 4,5 ч- 4, т. е. на режимах чисел М, заметно меньших Мр , скачок уплотнения от последней ступени проходит выше передней кромки обечайки и практически взаимодействует не с центральной частью головной волны перед затуплением, а с ее продолжением, где она вырождается в более слабый косой скачок уплотнения одного направления со скачком уплотнения от последней ступени клина торможения. В этом случае согласно классификации типов интерференции ударных волн, проведенной в работах [2, 3], осуществляется

взаимодействие VI типа. Увеличение степени затупления передней кромки обечайки в этом случае постепенно приводит к ухудшению картины втекания во входном участке канала воздухозаборника, а при больших степенях затупления даже к нарушению состояния запуска воздухозаборника. Это происходит из-за того, что, во-первых, головная волна, возникающая перед затуплением, по мере увеличения своей интенсивности начинает взаимодействовать с пограничным слоем на поверхности клина торможения, приводя к его отрыву, а, во-вторых, вследствие увеличения толщины передней кромки обечайки увеличивается и площадь струйки тока, входящей в канал, из-за перемещения критической точки на передней кромке обечайки. Оба эти фактора при величине площади горла, близкой к минимально потребной для запуска воздухозаборника с острой обечайкой, естественно, затрудняют осуществление запуска.

При М = 5, т. е. на режимах, более близких к М = Мр, скачок уплотнения от последней ступени проходит уже в непосредственной близости от передней кромки обечайки и взаимодействует практически с центральной частью головной волны перед затуплением. При этом осуществляется взаимодействие скачков уплотнения, близкое к IV типу интерференции, согласно классификации работ [2, 3]. Картина течения во входном участке канала в этом случае не претерпевает существенных изменений при затуплении передней кромки обечайки. Даже при увеличении степени затупления до Геб = 0,025 Л о сохраняется картина втекания, близкая к схеме втекания при острой передней кромке обечайки. Приводимые на рис. 3 фотографии картины обтекания воздухозаборника показывают, что при увеличении степени затупления обечайки воздухозаборника вместо головной волны, обязанной возникнуть перед затуплением, и осуществления IV типа интерференции ее со скачком от клина торможения визуально отмечается образование системы косых скачков, в результате чего затупленная кромка обечайки обтекается фактически как острая и соответственно скачок уплотнения, отраженный от передней кромки обечайки внутрь канала воздухозаборника, не увеличивает существенно своей интенсивности по сравнению с вариантом острой кромки обечайки. По-видимому, это объясняется влиянием боковых щек воздухозаборника и, в частности, взаимодействием пограничного слоя, нарастающего на них, со скачками уплотнения на входе в воздухозаборник. В углах, образованных боковыми щеками и обечайкой, при взаимодействии скачка от последней ступени с головной волной перед затуплением, вероятно, возникает отрыв пограничного слоя вдоль передней кромки обечайки, фактически заостряющий обечайку на некоторой части ее ширины (рис. 4). В этом случае, по-видимому, осуществляется течение с отрывом, аналогичное возникающему при обтекании цилиндрического препятствия, установленного на пластине [3]. При соответствующем соотношении между расстоянием между щеками и размерами отрывной зоны затупленная обечайка может фактически обтекаться как острая на всей своей ширине.

М=5 ;

Цг,трь:р кромки* й=0

Затупление обечайки, <¡=0,05

$цтуп,:рние х чина, а-0.05

Рис. Ъ. Теневые фотографии обтекания воздухозаборника

Рис. 4. Схема обтекания затупленной кромки обечайки воздухозаборника

Af„-£

о цилиндрическое цУL затупление

Рис. 5. Зависимость коэффициентов расхода воздуха /тах = = Лпах (d) / /тах(°) и восстанов-

inex • пвлуцилиндрическое 1,1 г- затупление

ления полного давления vmax

= vmax (d) / vmax (°) от относи-

max

max

’ a 0,01 0,02 0,03 0,0ч ojos 1

тельного диаметра затупления кромки обечайки ЇЇ = d / h0

Количественно оценить влияние затупления передней кромки обечайки позволяет сравнение уровней коэффициентов vmax и /тах при различных вариантах затупления, проведенное на рис. 5. При этом необходимо иметь в виду, что при расчете коэффициентов расхода для всех вариантов в данной работе в качестве площади входа Fq бралось значение площади входа воздухозаборника для варианта с острыми входными кромками. Сравнение показывает, что максимальный уровень коэффициентов восстановления полного давления vmax и расхода воздуха /тах при различных вариантах затупления обечайки меняется незначительно. Отмечается, правда, некоторая систематичность: коэффициент расхода с ростом степени затупления несколько увеличивается (в пределах 4 -ь 5 %), что объясняется, очевидно, смещением критической точки на передней кромке обечайки, т. е. фактически увеличением реальной площади F0. Изменение уровня коэффициента восстановления полного давления при этом укладывается практически в пределы точности эксперимента (сравнения проведены при фиксированной площади горла).

Сравнение влияния формы затупления обечайки при одинаковой толщине передней кромки, проведенное на рис. 5, показывает, что переход от полуцилиндрического затупления к цилиндрическому приводит к некоторому увеличению коэффициента расхода /шах (до 4%). Это, вероятно, объясняется большим смещением критической точки потока на передней кромке обечайки к внешней стороне обечайки при переходе к цилиндрическому затуплению. Коэффициент восстановления при этом остается практически неизменным или тоже несколько (в пределах 3—4%) подрастает.

Подводя итог, можно, по-видимому, сказать, что затупление передней кромки обечайки плоского воздухозаборника на режимах M«, < Мр не приводит к существенному изменению коэффициентов расхода и восстановления полного давления воздухозаборника.

В отличие от затупления обечайки, затупление передней кромки клина торможения оказывает существенное влияние на внутренние характеристики воздухозаборника. На рис. 6 сравниваются значения коэффициентов /тах и vmax при различных степенях затупления клина торможения полуцилиндрической формы. Видно, что при увеличении степени затупления клина до г = 0,05Ао (толщина передней кромки

сі =0,05 Л о) коэффициенты /тах и утах уменьшаются на 10—15%. При

этом необходимо заметить, что максимально возможная степень дросселирования воздухозаборника при затуплении клина уменьшается по сравнению с вариантом с острой передней кромкой клина независимо от того, острой или затупленной была в том варианте передняя кромка обечайки. Так, при радиусах затупления клина, равных г =0,0375 и 0,05 (а? = 0,0375 и 0,05 соответственно), режим сверхзвукового течения в горле нарушается практически сразу, как только замыкающая система скачков уплотнения начинает входить из расширяющегося дозвукового диффузора в участок горла, в то время как в случае острого клина замыкающую систему скачков уплотнения удается довести практически до смыкания с отраженным от обечайки скачком уплотнения.

На фотографиях картины обтекания воздухозаборника (см. рис. 3) вдоль поверхности клина торможения виден слой возмущенного течения, образующегося, очевидно, при взаимодействии энтропийного слоя на затупленной передней кромке клина с пограничным слоем на его поверхности. Наличием такого возмущенного слоя, попадающего в канал воздухозаборника, вероятно, и нужно объяснить уменьшение максимально достижимой степени дросселирования воздухозаборника при затуплении клина торможения. По-видимому, по такому слою давление при дросселировании воздухозаборника передается вверх по потоку на значительно большее расстояние, чем в случае острой передней кромки клина.

Значительную роль играет и форма затупления передней кромки клина (см. рис. 6). Так, если при полуцилиндрическом затуплении радиусом г = 0,025/го (¿/ = 0,025/го) уменьшение коэффициентов расхода и восстановления полного давления не превышает 1—2%, то при той же толщине передней кромки клина (сі = 0,025Ло) цилиндрическая

форма затупления приводит уже к уменьшению на 8—10%. При толщине же передней кромки клина, равной (1 = 0,05йо> если полу-

цилиндрическое затупление вызывает уменьшение значений /тах и ''тах на Ю—15%, то цилиндрическое приводит уже к нарушению состояния запуска воздухозаборника и соответственно резкому уменьшению коэффициентов /тах И Утах .

Очевидно, при цилиндрической форме затупления за счет изменения положения критической точки потока на затупленной кромке (рис. 7) ко входу в воздухозаборник вдоль поверхности клина торможения подходит более толстый слой возмущенного затуплением потока (по сравнению с вариантом полуцилиндрического затупления), который менее устойчив по отношению к положительному градиенту давления в скачке уплотнения на входе в воздухозаборник, приводящему к его отрыву.

Увеличение угла атаки ослабляет ухудшающее влияние затупления (см. рис. 6). Это, очевидно, объясняется тем, что с увеличением угла атаки критическая точка потока сдвигается по затупленной кромке (см. рис. 7) и часть энтропийного слоя, возникающего при затуплении,

Рис. 7 Изменение положения критической точки потока в зависимости от формы передней кромки клина и угла , атаки

сносится на внешнюю поверхнрсть клина торможения и, следовательно, не попадает в воздухозаборник.

Таким образом, затупление передней кромки клина торможения до достаточно большой степени (/"зат * 0,025/го) может привести к нарушению состояния запуска и резкому ухудшению суммарных харакг теристик воздухозаборника.

3. Испытания модели подкрыльевого воздухозаборника также

показывают (рис. 8), что при увеличении радиуса затупления передних

кромок 1фыла происходит постепенное уменьшение максимальных значений коэффициентов расхода /тЯу и восстановления полного давления V,

Рис. 6. Зависимость коэффициентов расхода воздуха /тах = = /maxi5") / /шах(°> и восстановления полного давления vmax = = vmax (^)/ vmax(°) от относительного диаметра затупления кромки клина I -d / Л0

шах •

Причем коэффициенты утах уменьшаются при увеличении затупления более значительно, чем коэффициенты /тах, что, по-видимому, объясняется уменьшением возможной степени дросселирования воздухозаборника. При достижении определенной степени затупления отмечается резкое падение значений /тах и Утах, которое

Рис. 8. Зависимость коэффициентов расхода воздуха /тах = /тах (d) / /тах ()' и восстановления полного давления = = vmat(rf) / утЯу (0) от относительного радиуса затупления кромки крыла fxp = Гкр / "о

объясняется, как показывают фотографии картины обтекания воздухозаборника (рис. 9), нарушением расчетной схемы втекания и возникновением срывного течения перед входом в воздухозаборник.

При этом видно, что ухудшающее влияние затупления ослабляется с ростом угла атаки. Так, если при а = 0 резкое падение значений /тах

и утах отмечается при /^>0,08, то при а = 5° резкое снижение значений /щах и утау наступает лишь при >0,12. Влияние угла атаки также, по-видимому, объясняется тем, что при а > 0 часть энтропийного слоя, возникающего при затуплении, сносится на верхнюю поверхность крыла.

Влияние затупления передних кромок крыла на характеристики воздухозаборника уменьшается и при отодвижении воздухозаборника от поверхности_ крыла. Так, при увеличении относительной высоты отодвижения ДА = ДА / 8П С (здесь 5ПХ — толщина пограничного слоя на крыле при = 0) от 0 до 0,9 степень уменьшения коэффициентов V и / при увеличении радиуса затупления до = 0,12 снижается примерно вдвое (см. рис. 8).

.л„..

'Шщмк х@шки щшв:

Зитутпемьт щрщяшщша,.

Рис.. 9. Теневые фотографии структуры течения в воздухозаборнике при острых и затупленных кромках

крыла

f max M-S,S

^max

Рис. 10. Зависимости коэффициентов /тах и "Ртах от относительного радиуса затупления кромок крыла гкр при углах стреловидности X = 0 и 80’

/

1,0

0,9

3

1,0

о*

/

1,0

-

V

1,0

0,9

а.) Затупление обечайки в

о цилиндрическое затупление

затупление

¡) Затупление Шобых щек

—°1 *

а. • о

О 1 1 I • 1 1 I

в 0,02 0,04 0,06 Г-г/П,

Рис. 11. Влияние радиуса затупления кромок обечайки (а) и щеки (б) на изменение коэффициентов расхода воздуха /тах и восстановления полного давления 7тах под-крыльевого воздухозаборника

Аналогичное воздействие затупления крыла сказывается и на коэффициенте восстановления полного давления на режиме Мг > 1.

Представляет интерес сравнительная оценка влияния затупления передних кромок треугольного крыла, являющегося фактически первой ступенью поверхности торможения подкрыльевого плоского воздухозаборника со стреловидными передними кромками (х = 80°), и первой ступени поверхности торможения плоского воздухозаборника с нулевой стреловидностью передней кромки. Это сравнение позволяет оценить влияние стреловидности при затуплении передних кромок поверхности торможения.

Сравнение показывает (рис. 10), что увеличение угла стреловидности существенно ослабляет ухудшающее влияние затупления передних кромок крыла. В этом случае влияние затупления за счет стреловидности ослабляется более чем в три раза для коэффициента ут„ и

более чем в пять раз для коэффициента /щах-

Аналогичное влияние стреловидности на ослабление эффекта затупления отмечается в работе [4] для пита теплового потока на передней кромке обечайки.

Затупление передних кромок обечайки и боковых щек подкрыльевого воздухозаборника практически не оказывает ухудшающего влияния на его внутренние характеристики (рис. 11).

Основной вопрос, который возникает при исследовании влияния затупления, — это вопрос о допустимой степени затупления, не приводящей к заметному ухудшению внутренних характеристик воздухозаборника. На основании приведенных в данной статье результатов испытаний можно сделать следующие выводы:

— для клина торможения изолированного плоского воздухозаборника с нулевой стреловидностью передней кромки допустимо увеличение радиуса затупления передней кромки до г ^ 0,01йо, а для

плоского воздухозаборника, расположенного под треугольным крылом с углом стреловидности х * 80°, допустимо увеличение радиуса затупления передних кромок крыла до г 4 (0,04 + 0,05)Aq без ощутимого

ухудшения внутренних характеристик воздухозаборника, работающего на режиме Мм й Мр; .

— радиусы затупления передних кромок обечайки и боковых щек на режимах работы этих воздухозаборников Мю 5 Мр могут быть большими.

ЛИТЕРАТУРА

1. Босняков С. М., Старухин В. П., Чевагин А. Ф. Влияние крыла на характеристики подкрыльевого плоского воздухозаборника // Ученые записки ЦАГИ,—Публикуется в этом же номере.

2. Э д н и. Теплообмен на затупленном теле, сталкивающемся со скачком уплотнения // Ракетная техника и космонавтика.—1968, № 1.

3. Б о р о в о й В. Я. Течение газа и теплообмен в зонах, взаимодействия ударных волн с пограничным споем,—М.: Машиностроение, 1983.

4. D a v i s J., Jr. and М и г г о w Н. Enabling technologies research and development structures // AIAA Paper.—1989, N 5011.

Рукопись поступила 19/Х 1992 г.