Турбулентное стационарное течение газа в коническом сопле, результаты исследований

УДК 532 С. В. Юшко

ТУРБУЛЕНТНОЕ СТАЦИОНАРНОЕ ТЕЧЕНИЕ ГАЗА В КОНИЧЕСКОМ СОПЛЕ,

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Ключевые слова: коническое сопло, турбулентное течение, кинематическая структура потока.

Приведены результаты исследований кинематической структуры газового дозвукового потока в коническом сопле, выполненных на гозодинамическом стенде разомкнотого типа. Измерения выполнены термоанемометром постоянной температуры. Результаты представлены в виде зависимостей интегральных характеристик потока в зависимости от Re** и параметра ускорения X

Keywords: cone nozzle, turbulent gas flow, kinematic structure, negative gradient ofpressure.

The kinematic structure of stationary turbulent gas flow in the cone nozzle was researched. Basic proportions of number Re , acceleration parameter X and integral characteristics turbulent boundary layer have been obtained.

Представленные исследования были выполнены как часть плана исследовательских работ для определения влияния на кинематическую структуру турбулентного течения отрицательного продольного градиента давления и наложенных периодических колебаний расхода.

Первоначально были проведены исследования в стационарном потоке. Затем - в потоке, осложненном наложенными периодическими колебаниями расхода.

На рис.1 представлены безразмерные профили осредненной по времени составляющей скорости потока в трех сечениях конического сопла. Можно отметить, что профиль скорости в первом сечении конического сопла согласовывался с законом 1/7. С удалением от начала геометрического сужения канала к выходу из сопла профиль скорости становился более заполненным. Такое поведение профиля скорости объясняется действием отрицательного продольного градиента давления и было установлено в работах [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8].

1.2

0.8

0.4

0.0

y/R

- сечение 1 о - сечение 2 А - сечение 3

0.2

—г-

0.4

W/Wo

0.6

0.8

1.0

1.2

Рис. 1 - Профили осредненной составляющей скорости потока в коническом сопле

На рис.2 и 3 представлены безразмерные толщины вытеснения и потери импульса для первого (вход) и третьего (выход) сечений конического сопла [9].

Видно, что с приближением к выходному сечению сопла толщины вытеснения и потери импульса уменьшались. При этом толщина

вытеснения уменьшалась быстрее, чем толщина потери импульса.

0.16

0.14

0.12

0.10

0.08

S Ж

3000

3500

4000

4500

5000

Рис. 2 - Безразмерные толщина вытеснения и потери импульса в первом сечении конического сопла

0.08

0.06

0.04 •

0.02 •

s

R

• s ~R ]±5%

• ~ 9 1

s"

R Re*

1800

2000

2200

2400

Рис. 3 - Безразмерные толщина вытеснения и потери импульса в третьем сечении конического сопла

В работе получены зависимости, позволяющие рассчитывать интегральные характеристики течения, а также коэффициент трения от числа Яв**

8 Зи/а и параметра ускорения л =-----0:

тш дх

Re =3500 s'

— = 0.66919 + 0.00554391 -Л R

ss_

R

0.453658 + 0.00365321 -Л

±5%

Н = 3.56021 + 0.021668 -Я С/ = -0.000117937- 3.43291 10 5-Я

йе"=5000 3*

— = 0.357526 + 0.00237294 - Я К

3"

-= 0.251995 + 0.00159436-Я

К

Н = 2.48925 + 0.0107399 -Я

С/ = 0.0014701 -1.50399-10-5 -Я

Сечение 1 3*

— = 0.140583 - 3.17386-10-6 - Яе К

3" 6 **

-= 0.104238 -1.8138-10-6 - Яе

К

Н = 1.52522 - 2.17114-10-5 - Яе**

Сечение 2 3

— = 0.0706492 -2.65852-10-6 - Яе К

К

Н = 1.2599-1.77567-10-5 - Яе**

С/ = 0.0094196 - 0.000725109- 1п

Сечение 3 3*

— = 0.0546022 - 3.13559-10-6 - Яе К

3" 6 **

-= 0.0477115 - 2.04813-10-6 - Яе

К

Н = 1.28504 - 5.18678-10-5 - Яе**

Погрешность оценки данных с доверительной вероятностью 0.95 составила:

(3) S**/ R 18 5.9 +3.8

(4) H 19 0.9 +0.6

(5) Cf 20 1.9 +1.2

: 0.0610089 -1.96755-10-6 - Re'

Зависимость СКО, % Погр., %

S*/R 9 1.2 +0.8

S" / R 10 1.0 +0.6

H 11 0.3 +0.2

Cf 12 0.4 +0.3

S*/R 13 2.1 +1.3

S" / R 14 2.0 +1.3

H 15 0.3 +0.2

Cf 16 0.3 +0.2

S*/R 17 6.6 +4.2

Литература

1. Зысина-Моложен Л.М., «Исследование влияния продольного градиента давления на развитие пограничного слоя», Журнал технической физики, т.29, 1959, № 4, с. 450-402.

2. Зысина-Моложен Л.М., «Турбулентный пограничный слой при наличии продольного перепада давления», Журнал теоретической физики, т. 22, 1952, вып. 11, с.1756-1772.

3. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И., «Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое», М.: Энергоатомиздат, 1985.

4. Лезессер, «Исследование течения через сопло, подключенное к резервуару бесконечно большой емкости», Теоретические основы инж. расчетов, 1965, т.87, № 3, с. 142-147.

5. Саундраньягам, «Исследование характеристик двумерных сопел с конечным и нулевым значениями относительной площади проходного сечения», Теор. осн. инж. расчетов, 1965, т. 87, № 2, с. 308-317.

6. Тулби, Пейтл, «Пограничный слой на стенке криволинейно сужающегося канала», Ракетная техника и космонавтика, 1968, № 9, с.240-241.

7. Щукин А.В., «Турбулентный пограничный слой на криволинейной поверхности», Изв. вузов, авиационная техника, 1978, № 3, с. 113-120.

8. Stradford B.S., «The calculation of the discharge coefficient of profiled choked nozzles and the optimum profile for absolute air flow measurement», J. of the Royal Aero. Soc., 1964, v. 68, pp. 237-245.

9. Юшко С.В. «Газодинамический стенд для изучения воздушных потоков в трубах», Вестник Казанского технологического университета, 2013, т.16, №21. стр.125

10. Вахитов М.Ф., Саттаров А.Г., Бикмучев А.Р., Семенова С. Г. Теоретическое исследование характеристик осесимметричного потока рабочего газа в газодинамическом окне и в камере оптиче-ского плазмотрона, Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т.17, №16, с. 88.

© С. В. Юшко - д-р техн. наук, проф., зав. каф. инженерной компьютерной графики и автоматизированного проектирования КНИТУ, s.v.yushko@gmai1.com.

© S. V. Jushko - Dr. Sci. (Tech.), Head of the Department of the Engineering Computer Grafics and Automated Design, Kazan National Research Technological University, s.v.yushko@gmail.com.