Эффективность тангенциального сдува пограничного слоя в конических диффузорах

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ Т о м IV 197 3

№ 5

УДК 532.526.2

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТАНГЕНЦИАЛЬНОГО СДУВА ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ В КОНИЧЕСКИХ ДИФФУЗОРАХ

М. О. Франкфурт

Приведены результаты экспериментального исследования серии конических диффузоров с тангенциальным сдувом пограничного слоя. Оценивается влияние сдува на структуру потока и эффективность диффузорного канала.

Для затягивания отрыва потока в течениях с положительными градиентами давления успешно используется тангенциальный сдув пограничного слоя. Он применяется для увеличения подъемной силы разрезного крыла с закрылком, предотвращения отрыва на лопастях несущего винта и т. д. В последнее время делаются попытки [1, 2] обосновать рациональность тангенциального сдува для повышения эффективности диффузорных каналов. Интерес к его применению связан также с возможностью использования сдува для охлаждения стенок канала.

Подробные данные о влиянии сдува при входе в конический диффузор на степень восстановления давления получены в работе [1] для диффузоров с углами раскрытия а <30° и степенью расширения п = 3. Они подтверждают, что при указанных параметрах применение сдува может дать определенный положительный эффект. В связи с этим представляет интерес оценить эффективность сдува при существенно больших степенях расширения и углах раскрытия, а также при различном расположении щели вдоль по потоку.

Применительно к этим задачам были проведены испытания серии конических диффузоров с углами раскрытия а =10°, 30° и 60° и степенями расширения /г = 3 -г— 8 при тангенциальном сдуве пограничного слоя. Сдув производился через кольцевые щели, расположенные на входе в диффузор и в одном или двух его промежуточных сечениях. Щели замыкались кольцевыми камерами, которые подключались к сети сжатого воздуха через участки с мерными соплами. При испытаниях исходных вариантов диффузоров без сдува участки с щелевыми устройствами заменялись

чисто коническими участками, не имевшими уступов в местах расположения щелей. Схема экспериментальной установки представ-лена_на фиг._1, а основные параметры моделей даны в таблице, где /=//й„ ха = х,1йи и — площадь про-

ходного сечения щели.

Испытания проводились в аэродинамической камере при условии выхода потока из диффузора в свободное пространство. Диффузоры подсоединялись к нагнетательной линии камеры через

Щ е л и

а п / 1 2 3

ММ Пз fs fs Ху п& Л

10° 90 4 5,7 0 1,0 0,035 1,67 1,66 0.0101 0,021 0,052; 2,78 2,24 0,024

о О 122 3; 4;1 5,6; 8/ 3,4 0,05 1,05 0,026 0,78 2,0 0,018 — — —

60° 122 4; 8 1,6 0,05 1,13 0.025 0,40 2,08 0,018 — — —

сопло с большой степенью поджатия и цилиндрический отсек с хонейкомбом и двумя сетками. Число Рейнольдса, подсчитанное по диаметру входного сечения диффузора и средней скорости на входе в диффузор ии изменялось у различных моделей в диапазоне Не<г~(2-н2,7)-105, при этом максимальная скорость потока на входе составляла ^ 25-н 45 м/с, а относительная скорость в щелях сдува 0,2ч-3,2 (здесь vs = vs|ui).

Для оценки эффективности диффузора в условиях сдува через отдельные щели или группы щелей измерялся перепад полного и статического давлений по отношению к атмосфере на входе и выходе из канала; избыточное статическое давление измерялось,

кроме того, в ряде точек на оси канала и его образующей. Определялись также давления в камерах системы сдува, расходы вдуваемого воздуха и профили скорости в характерных сечениях диффузора. При этом полные давления и границы зон обратных токов находились с помощью трубки полного давления с протоком. Распределение скорости потока на срезе кольцевой щели контролировалось путем измерения статического давления в нескольких точках по периферии соответствующей камеры.

Полученные таким образом профили скорости и полного давления, картины зон обратных токов, а также визуальные наблюдения с помощью зонда с шелковинкой показали, что влияние

и и

0,4

0,2

О

сдува на структуру потока в диффузорах с малыми и большими углами раскрытия имеет существенно различный характер. В первом случае при а=10°, когда исходное течение приближается к безотрывному, сдув способствует выравниванию профиля скорости на выходе канала^ Это видно на фиг. 2, где даны профили скорости и(у)(и — и/аи _у=_у/й1) в выходном сечении диффузора с углом а = 10° при п — 4, соответствующие сдуву через щель 1 на входе в канал (см. фиг. 2, а) и щель 2, смещенную вниз по потоку (см. фиг. 2, б). Из сопоставления фиг. 2, а и 2, б следует, что эффект выравнивания профиля скорости заметно проявляется в случае сдува через щель на входе при сравнительно больших значениях относительного расхода = д!С}^ 0,06 (^ — расход вдуваемого воздуха, (3 — расход воздуха через диффузор).

Качественно иным оказывается влияние сдува в каналах с развитым отрывным течением. Испытания диффузоров с углами а = 30° и 60° показали, что влияние сдува определяется характером развития отрывного течения по длине канала. Это влияние весьма заметно при а = 30°, когда отрыв, начинающийся вблизи входного сечения, развивается несимметрично, и при 4 зона обратных токов захватывает почти половину площади выходного сечения. В этих условиях при сдуве наблюдается известное выравнивание поля скоростей и сужение отрывной зоны. Попытка получить тот же эффект при одностороннем сдуве через участок кольцевой щели в отрывной или безотрывной зонах положительных результатов не дала. Поток оказывается в этих случаях весьма неустойчивым, и отрывная зона периодически перемещается по окружности в диаметральном направлении. Характерно, что при а = 30° и «> 3 с помощью сдува с расходом ?>0,1 не удается получить полностью безотрывного течения.

Фиг. 2

У диффузора с углом а = 60°, в котором течение развивается как струйное начиная от входной кромки, профиль скорости на выходе сохраняется примерно осесимметричным при любых вариантах сдува. Эффект сдува проявляется здесь в выравнивании профиля скорости, наиболее заметном при сдуве через щель на входе и расходах воздуха 0,04.

В качестве критерия для сравнительной оценки эффективности диффузоров со свободным выходом потока и отрывным характером течения, который сохраняется и при сдуве пограничного

0,8

о

Фиг. 3

слоя, может быть использован полный коэффициент потерь* С„. Гидравлическое сопротивление диффузора со сдувом определим аналогично тому, как это делается при исследовании гидравлических потерь в тройниках [3]. Будем учитывать также дополнительные потери энергии Ь.Ь$, затраченной на осуществление сдува. Потери полного давления находим тогда по разности полных энергий в крайних сечениях диффузора Ех и Е2 с учетом полной энергии Ед, вводимой в поток при вдуве через N щелей, и потерь кинетической энергии в выходном сечении диффузора (потери на внезапное расширение потока) Ег д. Осредняя суммарные потери энергии, подсчитанные с учетом величины ДЕа, по расходу и относя их к динамическому давлению средней скорости на входе, будем иметь

—-------------{Е1 + Е9-Е2 + Е2л + ^Е3) =

<31+ % яЛ?ч\

2 / Л ^

----------------- П Ро“ЛР+ 3 +

! + г=1 ^

+ ^ .ДА>кМ7Л ,

* Для сравнительной оценки эффективности диффузоров со вдувом применяются и другие критерии, например к. п. д., при определении которого повышение статического давления в канале относится к суммарной кинетической энергии на входе (основного и вдуваемого потоков) [1].

где Дрок — разность полных давлений в камере системы сдува и на срезе щели.

Относительное влияние на величину Сп собственных потерь системы сдува можно оценить с помощью данных фиг. 3, где для диффузоров с углами а =10°, 30° и 60° и степенью расширения п = 4 даны совмещенные характеристики ДС9=Д/70к <7/(1 + ?) =/(<7)>

0.9

0,8

0,7

0,4

0,3

1 ос.=60°

< 7

N

г-301 <

О П=Э

0 5,6 ' • <?

10е

у ж

ос =600 7

еду6 через /цел — " ще, V г ^ и/ ь / 2 1и1и2 ✓ .

\30 г*< \ I

10\ V

0 0,02 О,ОН 0,06 ОМ 0 0,02 0,04 0,06 у

а) Ю

Фиг. 4

ДС = Сп — ДС9=/(9’) и Сп =/(<?), соответствующие сдуву через щель на входе при к. п. д. компрессора ^=1. Как_ видим, заметные изменения величин ДС9 и ДС наблюдаются при <7 > 0,020,03. В зависимости от их соотношения минимальная величина потерь при безотрывном течении в канале соответствует расходам порядка <7 0,03 -н_0,04, а у диффузоров с отрывным течением она возра-

стает до <7^0,05-^0,06. При расходах, превышающих эти значения, потери быстро растут, что связано с резким увеличением собственных потерь системы сдува.

Сводные зависимости коэффициентов потерь испытанных вариантов диффузоров Сп = чп(^, п), которые определялись по

приведенной выше формуле при ^=1, представлены на фиг. 4. Они показывают, что применение тангенциального сдува может дать положительный эффект и в диффузорных каналах с большой степенью расширения. Как следует из фиг. 4, а, коэффициенты полных потерь Сп, которые определялись с учетом энергии, затраченной на сдув, могут быть заметно снижены: например, при а=30° и п — 3-^-8 — в 1,5 — 2 раза. Характерно, что для всех испытанных диффузоров оптимальным оказывается сдув через щель на входе в канал (см. фиг. 4, а). Варианты сдува при смещении щели вниз по потоку или же комбинированный сдув через указанные щели во всех случаях, показанных, в частности, на фиг. 4, б, менее эффективны.

Заметно меньшим (порядка 15—25%) оказывается снижение потерь при больших углах раскрытия (а = 60°), когда характерное для них струйное течение мало меняется при сдуве, а также у диффузоров с практически безотрывным течением (а = 10°). Однако благодаря сдуву можно получить существенное выравнивание профиля скорости в выходном сечении таких диффузоров. В ряде случаев этот эффект может представлять самостоятельный интерес.

ЛИТЕРАТУРА

1. Nicoll W. В., Ramaprian В. R. Performance of conical diffusers with annular injection at inlet. J. of Basic Engineering, vol. 92, ser. D, No 4, 1970.

2. Переверзев А. М. К вопросу об исследованиях диф-фузорных течений. Сб. „Некоторые вопросы аэродинамики и электрогидродинамики", вып. VI. Киев, КНИГА, 1970.

3. Гинзбург И. П. Прикладная гидрогазодинамика. Л., Изд.

ЛГУ, 1958.

Рукопись поступила 9/II 1973 г.