Исследование отрыва пограничного слоя в гиперзвуковом коническом сопле

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Т ом IX 197 8

№ 2

УДК 533.6.011.55

ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРЫВА ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ В ГИПЕРЗВУКОВОМ КОНИЧЕСКОМ СОПЛЕ

П. И. Горенбух

Представлены результаты экспериментального исследования отрыва гиперзвукового пограничного слоя в коническом сопле гелиевой трубы при числе Мг = 24,8 и р0 = 46,5-105 Па.

Рассмотрено влияние кольцевого уступа на стенке сопла, расположенного в срывной зоне, вызванной падающим извне скачком уплотнения, на положение точки отрыва пограничного слоя в сопле. Показано, что распространение возмущений давления вверх по пограничному слою значительно меньше, чем в случае пластины на режиме сильного вязкого взаимодействия.

Исследованию вопросов, связанных с отрывом пограничного слоя при гиперзвуковых скоростях, посвящено большое число работ. В основном многочисленные экспериментальные данные получены при обтекании различного рода уступов, изломов контура, а также при падении скачка уплотнения на плоскую поверхность. Существенно меньше данных по отрыву пограничного слоя в соплах. Имеющиеся результаты (например, [1, 2] и др.) относятся к диапазону сверхзвуковых скоростей. Для течений с большими гиперзвуковыми числами М, когда эффекты вязкого взаимодействия оказывают наиболее сильное влияние, опытные данные практически отсутствуют. В применении к гиперзвуковым аэродинамическим трубам отрыв пограничного слоя в сопле может образовываться, например, при недостаточном перепаде давления, при вдуве газа в пограничный слой [3] и в случае падения сильного скачка уплотнения, вызванного моделью, на стенку трубы [4].

В случае внешнего обтекания тел на режимах умеренного и сильного взаимодействия [5] возмущения параметров потока на задней кромке тонкого тела могут распространяться вверх по потоку на расстояния, сравнимые с длиной тела [6, 7]. Передача возмущений в гиперзвуковом сопле теоретически рассматривалась в работах [8, 9]. Целью данной работы является экспериментальное исследование распространения возмущений и отрыва пограничного слоя в гиперзвуковом коническом сопле, где пограничный

слой занимает значительную часть площади поперечного сечения сопла.

1. Испытания проводились в гиперзвуковой гелиевой трубе, аэродинамический контур которой (фиг. 1) состоит из форкамеры 1, конического осесимметричного сопла 2, цилиндрической рабочей части 3, диффузора 4, являющегося продолжением рабочей части,

',-702 о ~1 X - =0 0,233

УХ

Ж < эо 9

! ею»0. о о

г * о ' -

с X X 3 о

О 0,5 г

Фиг. 2

и выхлопного тракта [4]. Использовалось коническое сопло с по-лууглом раствора 6° и геометрическим числом Мг = 24,8. Рабочий газ — гелий, имеющий в форкамере комнатную температуру. Диаметр выходного сечения сопла, равный диаметру рабочей части, составлял Ц. = 15 см. Давление торможения газа в форкамере равнялось уР0 = 46,5-Ю5 Па.

Отрыв пограничного слоя в сопле и на стенках рабочей части вызывался двумя способами: кольцевым уступом 5, установленным на срезе сопла, и скачком уплотнения, образующимся при обтекании модели круглого диска 6. Наружный диаметр кольцевого уступа Д. равнялся диаметру рабочей части, а внутренний диаметр Ок

изменялся. При этом относительная высота уступа - с-д—-

составляла 0,1 —0,333. Ширина уступа равнялась 0,2 Д., а передняя кромка, обращенная навстречу потоку, была скруглена. Модель плоского диска устанавливалась на оси трубы на расстоянии 0,4 Ос вниз по потоку от среза сопла. В испытаниях проводились измерения давления в форкамере р0, статического давления р вдоль

образующей сопла и полного давления за прямым скачком уплотнения р'о в ядре потока.

Результаты измерения профиля относительной величины давления торможения в пустой трубе для сечения, отстоящего на 0,1 Д. от среза сопла, в зависимости от безразмерного радиуса рабочей части г приведены на фиг. 2.

Предполагая, что поток является одномерным, толщину вытеснения пограничного слоя сопла можно определить из уравнения расхода, используя среднее значение числа Мя в невязком ядре потока 8*= 1 — У ^(МГ)/^(МЯ) , где ?(М) — газодинамическая функция расхода, 8^. = 2 б^/Ц,,

Определенная таким образом величина безразмерной толщины вытеснения приведена на фиг. 2. Среднее значение числа М в невязком ядре потока равняется примерно 19,3. При этом число Ие, определенное по длине сверхзвуковой части сопла, равняется 0,7 -107, что соответствует ламинарному течению в пограничном слое [10].

Кольцевой уступ на срезе сопла вызывает отрыв пограничного слоя по контуру поперечного сечения сопла. Это приводит к образованию по краям невязкого ядра потока зоны сжатого газа. На фиг. 2 приведены результаты измерения профиля давления р0 для случая обтекания уступа с относительной высотой Л = 0,233. По краям ядра потока появляется область с повышенным давлением, а в центральной части невязкого_ядра результаты практически совпадают с данными для случая й = 0. Очевидно, заметное изменение границы пограничного слоя начинается в области, где наклон характеристик мал, и они не затрагивают центральную часть ядра течения. С увеличением высоты уступа происходит увеличение пика давления, а его положение смещается к оси течения. Наклон границы сжатого слоя, определенный по положению пика давления ро и теплеровским фотографиям, составляет примерно

2. Приемники статического давления были расположены вдоль образующей сопла. Для измерений использовались датчики типа ДМИ. Сигналы датчиков через усилитель подавались на шлейфовый осциллограф. Погрешность измерений составляла +3%.

Вначале было измерено распределение давления вдоль образующей сопла при отсутствии в рабочей части возмущений. После этого на срезе сопла устанавливался кольцевой уступ и испытания повторялись. Измеренное распределение давления приведено на фиг. 3 (здесь I — расстояние от критического сечения, измеренное вдоль образующей и отнесенное к полной длине образующей сопла; /—отношение площади миделя модели к площади среза сопла. Повышение давления вблизи среза сопла в пустой трубе вызывается изломом контура у входа в рабочую часть. С увеличением высоты уступа линия отрыва пограничного слоя перемещается в глубь сопла. Данные о распределении давления в зоне отрыва в целом подобны результатам, полученным при отрыве гиперзву-кового пограничного слоя на плоской пластине [11]. Отношение

?(М) = (

М2

2

5° - 6°.

высоты уступа к расстоянию до точки, где давление начинает заметно меняться, составляет примерно 0,085. При этом высота уступа имеет тот же порядок величины, что и толщина вытеснения пограничного слоя.

Рассмотрим отрыв пограничного слоя в сопле, вызванный падающим скачком уплотнения. Для этого были использованы две модели диска большого размера. Относительная загрузка трубы моделью /составляла 0,035 и 0,0395. Распределение давления на стенке сопла для модели с /=0,0395 показано на фиг. 3. Снимки картины обтекания моделей представлены на фиг. 4(/г = 0). На

а)

Ю

этих снимках видна граница сжатого слоя, связанного с образованием отрыва в сопле, который взаимодействует с падающим скачком уплотнения от модели. В случае модели большего размера отрыв пограничного слоя распространяется дальше в глубь сопла, при этом сжатый слой приближается к модели и обтекание лобовой поверхности нарушается [4].

Известно, что важную роль при взаимодействии невязкой и вязкой областей течения в отрывных течениях играет процесс перемешивания потоков. Масса газов, подсасываемого из зоны отрыва в слой смешения, возвращается назад из области присоединения пограничного слоя, давая начало возвратно-циркуляционному течению. Если внутри срывной зоны каким-либо образом воздействовать на рециркуляционное течение, то это, естественно,, может приводить к изменению формы срывной зоны. В связи с этим был поставлен следующий опыт. В рабочей части трубы помещалась модель диска и одновременно на срезе сопла устанав-

-70s • •

..... ? • *

! > О О О О д

*-Ъ=0 ,j=0 “ - 0 0,0395 -Ь- 0,233; 0 о- 0,233 \ 0,0395 | | X X «

V 0,5 0,6 0,1 0,8 0,9 I

I I Т 1 ----------------

-70s << • •

gf т • * $ А *- 0 t

* * О Ч р а*

*-Л=0,256 ;i=0 ° - 0,266; 0,0395 0,333; о 0,333; 0,0395 1 К X *

V 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 I

Фиг. 3

ливался кольцевой уступ. При одной и той же модели в рабочей части и разных значениях высоты уступа Ъ были проведены измерения давления в фиксированной точке (/ = 0,98) на стенке сопла.

Результаты измерений приведены на фиг. 5, а. Видно, что присутствие уступа внутри срывной зоны, вызванной сильным скачком уплотнения от модели, приводит к уменьшению давления на стенке сопла. Причем для определенного значения высоты уступа наблюдается минимум давления. Как следует из данных, приведенных на фиг. 5, а, значение давления в области минимума совпадает с соответствующей величиной, измеренной при том же значении к

•( = 0,0395;??;-О

^ 0,0335233

$ =*6,035;» *0,233

Фиг. 4

105

-1=0,0 0,0 0- ЧУ

|/1Л/ / ^ 35 Г

а)

/

0,1С

0,12

0,08

0,04

^=0,035-, У 0,0395-^7 ) / \ 1 к

V

О й.[1 0,2 0,3 7г

*)

Фиг. 5

в случае отсутствия модели (/=0). По-видимому, при этом значении А пограничный слой, оторвавшийся в сопле, присоединяется на кольцевом уступе. Уменьшение давления на стенке сопла связано с изменением положения точки отрыва и перемещением ее ближе к срезу сопла. Для подтверждения этого были проведены измерения вдоль образующей сопла в случае модели с /=0,0395. Результаты испытаний показаны на фиг. 3.

При значении А = 0,233 (см. фиг. 3, а) срывная зона в сопле значительно уменьшилась, однако начало отрыва несколько смещено по сравнению с данными для того же значения А в отсутствии падающего скачка уплотнения. Для А = 0,266 (фиг. 3, б) распределение давления на стенке сопла в случае падающего скачка уплотнения и без него практически совпадает, что еще раз свидетельствует о том, что пограничный слой присоединяется на кольцевом уступе. При дальнейшем увеличении высоты уступа (А = 0,333 на фиг. 3, б) точка отрыва пограничного слоя начинает обратное движение в глубь сопла, а на кольцевом уступе поток присоединяется, и влияние модели не сказывается.

Снимки картины обтекания моделей с наиболее эффективным уступом и без него представлены на фиг. 4. Как видно, при отсутствии уступа (А = 0) граница сжатого слоя расположена значительно ближе к модели, чем в случае расположения уступа в срывной зоне, когда отрыв пограничного слоя происходит ближе к срезу сопла. Площадь поперечного сечения потока Р, ограниченного кольцевым сжатым слоем в месте расположения модели, в зависимости от высоты уступа А приведена на фиг. 5, б. Эти данные получены с помощью теплеровских фотографий и отнесены к площади выходного сечения сопла. Значениям высоты уступа, при которых наблюдается минимум давления (на фиг. 5, а), соответствует максимум величины Г.

Приведенные выше данные показывают возможность управления отрывом потока путем технически простого воздействия на

область рециркуляционного течения. Подобный способ, очевидно, может быть использован и в некоторых других практических приложениях.

3. В заключение остановимся на результатах измерения давления на стенке сопла в окрестности точки отрыва пограничного слоя. Для корреляции экспериментальных данных представим давление в начале срывной зоны в виде отношения р к давлению на стенке сопла в пустой трубе (фиг. 6). Здесь линия р = \ соответствует невозмущенному течению в сопле. В случае обтекания тонкого плоского тела на режиме сильного взаимодействия предот-рывные участки кривых, представленных в соответствии с законом подобия [6, 7], могут быть наложены друг на друга, если характерная длина выбрана таким образом, что р(Ь = 1) = С0П81. Воспользуемся этим законом. Для кривых, показанных на фиг. 6, характерные длины (Ь = 1) были выбраны равными значениям I при /?=1,8. Обработанные таким образом результаты представлены на фиг. 7. Экспериментальные данные хорошо группируются, причем в довольно большой зоне. Это говорит о том, что отрыв пограничного слоя в гиперзвуковом сопле, так же как и при внешнем обтекании, в основном определяется локальными параметрами и не зависит от вызвавших его причин. При этом относительная величина давления в точке отрыва не зависит от положения точки отрыва в сопле, что качественно согласуется с результатами работы [9].

Сравнение полученных результатов с кривой для предотрыв-ного течения на плоской пластине в режиме сильного взаимодействия [И] показывает, что распространение возмущений в исследуемом коническом сопле существенно меньше, хотя принятое значение р( 1), по-видимому, превышает давление в точке отрыва.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аренс М., Спиглер Э. Отрыв потока в перерасширен-ных ракетных соплах с коническим сверхзвуковым участком при взаимодействии скачка уплотнения с пограничным слоем. РТК, № 3,

2. А р е н с М. Отрыв пограничного слоя в профилированных ракетных соплах вследствие перерасширения. РТК, № 8, 1963.

3. М с Devitt J. В. A study of gas injection in the boundary-layer

of hypersonic wind tunnel to extend the useful operating range. NASA

TN-D-2935, 1965.

4. Безменов В. Я. О влиянии относительного размера ядра

потока на характеристики гиперзвуковой аэродинамической трубы. „Ученые записки ЦАГИ', т. 9, № 2, 1978.

5. Хейз У. Д., Про б стин Р. Ф. Теория гиперзвуковых тече-

ний. М., Изд. иностр. лит., 1962.

6. Н е й л а н д В. Я. Распространение возмущений вверх по течению при взаимодействии гиперзвукового потока с пограничным слоем. „Изв. АН СССР, МЖГ\ 1970, № 4.

7. Козлова И. Г., Михайлов В. В. О влиянии возмущений пограничного слоя на гиперзвуковые течения с вязким взаимодействием. „Изв. АН СССР. МЖГ“, 1971, № 4.

8. Ермак Ю. Н. Гиперзвуковое течение вязкого газа в сопле. „Ученые записки ЦАГИ‘, т. 6, № 2, 1975.

9. Ермак Ю. Н. Влияние давления на срезе гиперзвукового сопла на течение внутри сопла. „Ученые записки ЦАГИ“, т. 8, № 5, 1977.

10. Мэдделон, Хендерсон. Переход течения в пограничных слоях, образующихся на острых конусах, при гиперзвуковых числах Маха. РТК, № 3, 1968.

11. Горенбух П. И., Козлова И. Г. Экспериментальное исследование распространения возмущений вверх по потоку на режиме сильного вязкого взаимодействия. .Ученые записки ЦАГИ“, т. 4, № 2, 1973.

Рукопись поступила 18/IV 1977