Взаимодействие струй, выдуваемых из плоских сопл, с криволинейной поверхностью

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ т о ом ХХП 1991

№2

УДК 629.735.33.015.3.025.35

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СТРУЙ, ВЫДУВАЕМЫХ ИЗ ПЛОСКИХ СОПЛ,С КРИВОЛИНЕЙНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Н. М. Митрохин, А. В. Петров

Экспериментально исследованы особенности взаимодействия струй, выдуваемых из плоских и щелевых сопл, с цилиндрической поверхностью. Показано влияние на угол отклонения струи величины избыточного давления на срезе сопл Рос = (0,1 + 1,5,) 105 Па, их удлинения Лс = 6+100 и относительного расстояния между соплами и цилиндрической поверхностью Ло = 0,04 + 0,13. Рассмотрены возможности улучшения отклонения струи за счет устранения зазора между соплом и обдуваемой поверхностью, установки перегородок вблизи боковых границ струи и выдува дополнительных управляющих струй.

Обеспечение эффективного отклонения реактивной струи является одним из основных условий значительного увеличения несущих свойств крыла при обдуве его верхней поверхности. В работах [1—7] экспериментально показано, что угол отклонения реактивной струи существенно увеличивается при изменении круглой формы выходного сечения сопла на прямоугольную и увеличении его удлинения (отношения ширины сопла к его высоте), при установке перегородок вдоль боковых границ струи и размещении в струе генераторов вихрей. Большое значение в системах с верхним обдувом несущей поверхности имеет также расположение сопла и геометрия отклоняющих устройств.

Значительные трудности в обеспечении эффективного отклонения высоконапорной реактивной струи возникают при обдуве крыла с закрылком, отклоненным на большой угол, и размещении сопла вблизи оси поворота закрылка. Целесообразность такого положения сопла связана с необходимостью уменьшения площади поверхности крыла, подвергающейся воздействию горячих струй реактивных двигателей, и другими компоновочными требованиями. Для уменьшения температурного воздействия желательно также сопло располагать на некотором расстоянии от поверхности крыла. Выполнение этих требований связано с ухудшением условий «прилипания» струи к поверхности крыла и вызывает необходимость разработки специальных мероприятий, способствующих более полной реализации эффекта Коанда.

В работе (7] экспериментально показано, что эффективность отклонения реактивных струй, выдуваемых из плоских сопл, расположенных

над криволинейной поверхностью большой кривизны, может быть увеличена за счет герметизации области истечения струи путем установки перемычки между соплом и отклоняющей поверхностью и размещения небольших перегородок на боковых стенках сопла, а также выдува дополнительной струи малого диаметра под основную струю приблизительно по нормали к направлению ее истечения.

В данной работе экспериментально исследованы особенности взаимодействия струй, выдуваемых из плоского и щелевого сопл, с поверхностью цилиндра. Рассмотрены также мероприятия, направленные на увеличение угла поворота струи при выдуве на криволинейную поверхность, включающие как пассивные средства, выполненные в виде дополнительных элементов (перемычек, расположенных в зазоре между соплом и обдуваемой поверхностью; кольцевых шайб и сегментных перегородок, установленных вдоль боковых границ струи), так и активное средство, представляющее собой щелевое сопло, расположенное под основным соплом.

I. Исследования проведены без набегающего потока на установке, состоящей из кругового цилиндра радиусом Я=100 м и длиной 1 = = 160 мм, установленного на двухкомпонентных тензовесах (рис. 1). Выдув струй осуществлялся из сопл, выходные сечения которых совпадали с вертикальной плоскостью симметрии цилиндра. В исследованиях использовались плоское сопло с относительной высотой

__ н. £ ____________________________________________________________

Не = н. = 0,162 и удлинением Ас ^ = 6,33, щелевое сопло с Н. =

Пг

= 0,01 и д. = 102,6 и двухкамерное сопло, представляющее комбинацию плоского и щелевого сопл. Относительное расстояние между нижней внутренней поверхностью сопл и поверхностью цилин-

— А

дра изменялось в диапазоне Ьс= -^- = 0,04 -+-0,13. Испытания проведены как с открытым, так и с перекрытым поролоновой перемычкой зазором между соплом и цилиндром. На поверхности цилиндра устанавливалйсь кольцевые шайбы с внешним радиусом

' Н

Я =150 мм и относительной высотой Нш =-^г = 0,5, а также сегментные перегородки с относительной длиной основания I =

Н с + Ас

3 и относительной высотой На =

На

2,2. Пере-

Сапло

Перемычка

I 11

ПодВод ожатав івздуїа

I.

V Тензовеш -Станина

Не Н- Ас

городки устанавливались на относительных расстояниях

-п = нТ+ьГ =О 3,5 от среза сопла (см. рис. 1).

Сила тяги сопл Т определялась по измеренным параметрам течения на срезе сопл и известным газодинамическим соотношениям (8]. Наряду с этим проводились контрольные измерения тяги сопл с помощью специального тензомет- рированного диска.

По измеренным величинам вертикальной Ус- и'Горизонталь-

ной Хс составляющим аэродинамической силы, действующей на цилиндр, вычислялся эффективный угол отклонения струи:

е=агс^ -

где Ут = Ус — вертикальная, а Хт = Т—Хс — горизонтальная составляющая суммарной силы, действующей на систему «цилиндр + сопло».

2. Опыты показали, что угол отклонения струи уменьшается при увеличении расстояния между соплом и цилиндрической поверхностью (рис. 2, а), а также при повышении давления на срезе сопла и уменьшении его удлинения (рис. 2, б). Наибольшие углы отклонения струй достигаются при использовании щелевого сопла (л,с= 102,6), установленного на минимальных расстояниях между соплом и цилиндром, когда выдув осуществляется практически по касательной к обдуваемой поверхности (см. рис. 2, а, кривая 1). При удалении этого сопла на расстояние Яс>0,1 происходит резкое уменьшение угла 0, связанное с отрывом струи от поверхности цилиндра. Этот результат согласуется с данными, полученными при исследовании щелевых сопл в работах [4, 5]. Малые значения углов отклонения струи при выдуве из плоского сопла с удлинением л,с = 6,33 (0 = 13,5° при Рос = 0,5-'105 Па и Яс = 0,06, см. рис. 2, б) свидетельствует о практическом отсутствии прилипания «толстой» струи к цилиндрической поверхности.

Увеличение расстояния между соплом и поверхностью цилиндра приводит к увеличению массы струи за счет эжектирования воздуха через зазор и соответствующему уменьшению угла ее отклонения. Опыты показали, что перекрытие зазора между соплом и цилиндром путем установки поролоновой перемычки (практически не оказывающей влияния на показания тензовесов) приводит к увеличению угла отклонения струи, выдуваемой из щелевого сопла, при йс>0,05 (см. рис. 2, а, кривая 2). Сравнительно большой эффект, связанный с устранением перетекания воздуха через зазор между плоским соплом с удлинением л,с = 6,33 и цилиндром (см. рис. 2, б), связан с усилением эжектирования воздуха из области под струей вблизи среза сопла и соответствующим увеличением разрежения в этой области, способствующим увеличению угла отклонения струи.

Спектры обтекания, полученные методом масляной пленки, показали, что при наличии зазора между плоским соплом с удлинением л,с = 6,33 и цилиндром отрыв струи происходит в непосредственной близости от выходного сечения сопла. Перекрытие зазора с помощью

ЩелеНое тло;Нс=0,01\ ’кс-т,6\-р0-0,5 Ш:’Па. Вез швМ;кс-0,0в

перемычки способствует прилипанию струи к поверхности цилиндра. При малом расстоянии между соплом и цилиндром (Лс = 0,01) выдуваемая струя прилипает к поверхности цилиндра на довольно близком расстоянии от среза сопла, омывает часть его поверхности, а затем постепенно отходит от нее (рис. 3, а). При этом прежде всего отрываются боковые части струи, в которых происходит интенсивное эжек-тирование окружающего воздуха, а средняя часть струи еще некоторое время остается присоединенной к поверхности. В месте окончательного отрыва струи формируются два вихря с противоположным направлением вращения. Увеличение расстояния кс с 0,01 до 0,067 при фиксированном давлении на срезе сопла рос = 0,6^ Ш5 Г1а приводит к изменению картины течения, свидетельствующему об уменьшении эффективности отклонения струи (рис. 3, б).

Другим средством повышения эффективности отклонения струй, исследованным в данной работе, являются кольцевые шайбы, расположенные на цилиндре вдоль боковых стенок сопла. Опыты со щелевым соплом показали, что установка шайб с относительной высотой

_ н

Нш = = 0,5 приводит к более значительному увеличению угла от-

А

клонения струи, чем устранение перетекания воздуха через зазор между соплом и цилиндром (см. рис. 2, а, кривая 3). Аналогичный, весьма значительный эффект от установки кольцевых шайб наблюдается и при выдуве струй из прямоугольных сопл.

В работе (7] показано, что эффективным средством увеличения отклонения струй являются шайбы ограниченной длины — сегментные перегородки, примыкающие к боковым стенкам сопл. Высота этих перегородок должна составлять Ип"'="Л,0, а длина — Ьп=2 + З. В данной работе проведены исследования по выбору оптимального положе-

Пс‘0,й1, р '0,6-10 Па

Ь.С‘0,0В7;рд “0'6-10*Пй

-40’

-80’

б)

а)

ния сегментных перегородок высотой Нп = 2,2 и длиной ,^п = 3,0 путем изучения спектров течения, возникающих при истечении струи из плоского сопла с удлинением л'с = 6,33, установленного на расстоянии hc = = 0,067 от цилиндрической поверхности, при постоянном давлении в выходном сечении рос = 0,6- 105 Па и различных положениях перегородок. На основании анализа спектров течения (рис. 4) получена зависимость величины угла отрыва струи 'Фотр от величины относительного расстояния между срезом сопла и передними кромками перегородок /„ = н 1° и (рис. 5). Эта зависимость показывает, что существует

^с + «с

оптимальное положение перегородок исследованной конфигурации (7П =1-+-2), при котором величина угла отрыва струи в 1,25 раза (больше, чем при установке перегородок вблизи сопла, и примерно в

1,6 раза больше, чем в случае обдува цилиндра без перегородок.

В целом опыты показали, что размещение перемычки между плоским соплом и отклоняющей поверхностью большой кривизны и установка небольших перегородок вдоль боковых границ струи позволяет примерно в два-три раза повысить угол отклонения струи.

3. Недостатком так называемых пассивных средств усиления эффекта Коанда (перегородок, шайб, генераторов вихрей и др.) является увеличение аэродинамического сопротивления в крейсерском полете, а также однорежимность использования. Этих недостатков лишены так называемые активные средства управления отклонением реактивных струй путем воздействия на их положение с помощью выдува дополни-

а)

6) Рис. 4

Рис. 5

ЬвJ зазора. Ои тай! Тангенциальный дыдув >., , П, -0.05

-- Р„ -Ш-Ю’Пв

^ -1 гОс

у' \Поперечныи Иыду! • 0,25

* >^\\С‘1,ОЗЛ'Ш0№ * 0,50

^ 0 '.0 10‘па

0,1

0.2

Рис. 6

9

тельных управляющих струй. В работе [7] показано, например, что вдув управляющей струи из осесимметричного сопла с тягой, составляющей 5 % от тяГи основного сопла- (Тупр=0,05), в область между соплом и цилиндром примерно по нормали к направлению истечения позволяет увеличить угол отклонения основной струи, выдуваемой при давлении Рос = 0,5\Ю5 Па, на 6°—7° (рис. 6).

В данной работе для повышения эффективности отклонения реактивной струи предложено и исследовано так называемое двухкамерное сопло, состоящее из основного прямоугольного сопла и расположенного под ним дополнительного щелевого сопла. Тангенциальный выдув высоконапорного холодного воздуха, отбираемого от компрессора ТРД или вентиляторного контура ТРДД в нижнее щелевое сопло, обеспечивает лучшее отклонение реактивной струи за счет повышения энергии ее пристеночной части, а также позволяет экранировать крыло от воздействия горячей выхлопной струи двигателя. Кроме того, изменяя интенсивность выдува управляющей струи, можно регулировать величину угла отклонения реактивной струи, а следовательно, непосредственно управлять аэродинамическими силами и моментами самолета на различных режимах полета.

Результаты испытаний двухкамерного сопла (Лс = 5,64), состоящего из плоского сопла с удлинением Лс = 6,33 и щелевого управляющего сопла с удлинением Лс=102,6, приведены на рис. 6. Видно, что выдув струи из щелевого сопла со скоростью, превышающей скорость выдува из основного сопла, позволяет увеличить углы отклонения основной струи при докритических режимах истечения, соответствующих условиям на срезе сопл современных ТРДД. Например, при избыточном давлении на срезе основного сопла ро с = 0,25- 105 Па выдув высоконапорной управляющей струи с относительной тягой' Тупр = 0,15+0,2 увеличивает угол отклонения выдуваемой массы воздуха на 8°—9°. Указанное увеличение угла отклонения струи происходит, несмотря на увеличение суммарной тяги двухкамерного сопла (за счет добавления тяги управляющего сопла), что является, в общем случае, неблагоприятным фактором с точки зрения реализации эффекта Коанда.

Спектры течения на цилиндрической поверхности показывают, что полный отрыв струи, выдуваемой при давлении ' ро с=О,3> 105 Па из сопла- с удлинением Лс = 6,33, установленного на относительном расстоянии Яс = 0,067, происходит цри 'Фотр"",98° (рис. 7, а), а использование дополнительного выдува тонкой • струи со скоростью, примерно в два раза превышающей скорость основной струи, осуществленное в двухкамерном сопле, увеличивает 'Фотр до —105° (рис. 7,6). Следует отметить, что струя, выдуваемая из двухкамерного сопла, при взаимодействии с цилиндром расширяется вдоль его размаха и тем самым создает благоприятные условия с точки зрения повышения аэродинамической подъемной силы несущей поверхности, в то время как плоская струя при натекании на цилиндр начинает сужаться.

Таким образом, проведенные исследования показали, что эффективным средством увеличения углов отклонения «толстых» струй, выдуваемых из сопл небольшого удлинения, являются герметизация за-

п. -вот о -о,з ]п,па

* * • гпе •

Ле-О,Ш, р-ЦЗ-Ю’Оа .Рощ -0,6

а)

зора между соплом и отклоняющей поверхностью, установка небольших перегородок вдоль боковых границ струи, а также использование управляющих струй небольшой интенсивности. Эти мероприятия позволяют существенно расширить возможности использования эффекта Коанда для повышения подъемной силы самолетов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Энергетические системы увеличения подъемной силы самолетов УВП (по материалам иностранной печати). — ОНТИ ЦАГИ, 1975, Обзор № 462.

2. N i с h о 1 s J. Н., Е n g 1 а r R. J. Advanced circulation control wing system for iNavy STOL aircraft. — AIAA Рарег, 1980, N 1825.

3. М a i t а М., Т о r i s а k i Т., М а t s u k i М. Development of the external иррег surface blowing propulsive-lift device. — AJAA Рарег, 1980,

N 1244.

4. С о к о л о в а И. Н. Экспериментальные исследования пристеночных струй. — Труды ЦАГИ, 1982, вып. 2148.

5. С о к о л о в а И. Н. Экспериментальные исследования пределов реализация течения Коанда. — Ученые записки ЦАГИ, 1983, т. 14, № 4.

6. Ж У л е в Ю. Г., М а к а р о в В. А. Исследование потерь импульса щелевой струи, распространяющейся вдоль криволинейной поверхности. — Ученые записки ЦАГИ, 1982, т. 13, № 5.

7. В и с к о в А. Н., Г о р е л о в Ю. А., М и т р о х и н Н. М. Взаимодействие цилиндра и струи прямоугольного сечения, выдуваемой тангенциально к его поверхности. — Ученые записки ЦАГИ, 1987, т. 18, № 1.

8. А б р а м о в и ч Г. Н. Прикладная газовая динамика. — М.: Наука,

1976.

Рукопись поступила 2//// /990 г.