автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.01, диссертация на тему:Аэродинамический нагрев тупиковой полости в набегающем потоке

Основные обозначения.

Введение.В

1. Анализ состояния проблемы и постановка задачи исследования.

1.1. Стационарные вихревые течения в тупиковых полостях малой глубины

1.2. Нестационарные течения в глубокой тупиковой полости. Резонансные автоколебания.

1 Постановка задачи исследования.

1-4. Выводы по главе 1.

2. Экспериментальные исследования аэродинамического нагрева тупиковых полостей.

2.1. Программа экспериментальных исследований.

2.2. Экспериментальное оборудование и схема проведения опытов.

2.3. Погрешности измерительных устройств.

2.4. Анализ полученных результатов экспериментальных исследований.

2.5. Выводы по главе 2.

3. Теоретическое исследование процессов в тупиковой полости.

3.1. Физическая модель явления.

3.2. Колебания давления внутри полости.

3.3. Течение на входе в полость.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ t - время, с; х, у - координаты, м; а, b - стороны сечения, м; / - характерный размер, м; й?з - эквивалентный диаметр, м; LT ~ длина полости по оси, м; л - относительная длина полости, Lj = Lj /d; г - радиус, м;

1и - путь смешения, м;

S - толщина пограничного слоя, м;

S** - толщина потери импульса пограничного слоя, г - площадь, м ; р - угол среза входных кромок полости, a{t) - угол атаки, / - частота, Гц; со - круговая частота, с т - период колебаний, с;

- инвариант Римана; ф - функция тока; Q - величина завихренности, с"1; v - скорость, м/с; с - скорость звука, м/с; р - плотность, кг/м ; р - абсолютное давление, Па; Т - абсолютная температура, К;

Ас - изменение скорости звука, м/с; Ар - изменение давления, Па; AT - изменение температуры, К;

0 - отношение температур на границе слоя смешения; v - кинематическая вязкость, м2/с; /и - динамическая вязкость, Па с; - коэффициент потерь; сг - коэффициент восстановления полного давления;

М - число Маха;

Я - безразмерная скорость; q(/i) - газодинамическая функция; т - расход массы, кг/с;

J - импульс потока, Н;

Е - поток механической энергии, Дж/с;

Q - количество тепла, Дж;

А - работа, Дж;

U - внутренняя энергия, Дж;

S - энтропия, Дж/кг; с - изобарная теплоемкость, Дж/(кг К); cv - изохорная теплоемкость, Дж/(кг К); к - показатель адиабаты; R - газовая постоянная, Дж/(кг К); q - удельный тепловой поток, Вт/м ; а - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К); % - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); Re - число Рейнольдса; Рг - число Прандтля;

Nu - число Нуссельта; Gr - число Грасгофа; Sh - число Струхаля.

Индексы: н - параметры набегающего потока; а - параметры атмосферные; w - параметры на обтекаемой поверхности; с - сопло; т - тупиковая полость; ч - частица; э - эквивалентный; см - параметры слоя смешения; ср -параметры осредненные за период колебаний; n.f - параметры подведенные в течении периода колебаний; o.f - параметры отведенные в течении периода колебаний; ст - параметры относящиеся к стенки полости; св - параметры на внутренней стенки полости; сн - параметры на наружной стенки полости;

V - параметры внутри тупиковой полости;

N - параметры снаружи тупиковой полости; р - окружная составляющая параметра (для скорости); кр - параметры критического режима (Л = 1,0); х - составляющая параметра по оси х; у - составляющая параметра по оси у; z - составляющая параметра по оси z; шах - максимальная величина параметра; min - минимальная величина параметра; £ - суммарные параметры; со - параметры невозмущенного набегающего потока на бесконечности;

0 - параметры, соответствующие сечению на входе в сопло;

1 - параметры, соответствующие сечению на срезе сопла;

2 - параметры, соответствующие передней кромке входного отверстия полости;

3 - параметры, соответствующие закрытому торцу полости; ' - пульсационная составляющая параметра

- относительные параметры; * - параметры заторможенного потока.

Основные сокращения.

ГТД - газотурбинный двигатель;

J1A - летательный аппарат;

ПОС - противообледенительная система.

Впервые возникновение пульсации давления внутри тупиковой полости, помещенной в нестационарный набегающий поток были обнаружены Гартманом. Экспериментальным путем был обнаружен эффект нагрева газа внутри тупиковой полости сверх температуры торможения набегающего потока. Одни из первых работ в этом направлении были выполнены Шпренгером с помощью резонансных трубок. Большинство работ выполненных на эту тему в СССР [20-23, 41, 42] приходится на 60 - 70 гг. В резонансных трубках колебания давления искусственно вызывались внешним источником нестационарности и наблюдались в узком диапазоне внешних условий и геометрических параметрах модели. Открытый срезанный перпендикулярно оси симметрии конец трубки обычно помещался в первую «бочку» недорасширенной сверхзвуковой струи, в область сжатия непосредственно перед скачком уплотнения. Позднее автоколебательный процесс, ударные волны и нагрев газа сверх температуры торможения наблюдались в тупиковых полостях, помещенных в невозмущенный стационарный дозвуковой и сверхзвуковой набегающий поток газа.

Несмотря на достаточно хорошую изученность автоколебательного процесса, протекающего в резонансных трубках, четкой физической теории относительно сильно удлиненных тупиковых полостей, помещенных в невозмущенный набегающий поток, не существует. Это выражается в следующих моментах. Возникновение волн сжатия внутри полости связывается с колебаниями поверхности отрыва, от которой в разных фазах ее движения внутрь полости распространяются волны разряжения и сжатия. Поэтому в теоретических работах [20, 21] схематично реальная полость заменялась поршнем, колеблющимся по гармоническому закону. Такого рода упрощения приводят к тому, что не учитывается структура течения в зоне отрыва, которая зависит от таких факторов как угол атаки полости к набегающему потоку, характера течения в области отрыва (турбулентный или ламинарный поток), геометрии полости и ее входных кромок. Различные характеристики течения газа в зоне отрыва приводят к большому многообразию получаемых экспериментальных данных [22, 23, 41] (различная амплитуда пульсаций давления внутри полости, частота колебаний), которые не поддаются расчету ни по одной из существующих математических моделей. Нет также четкого разграничения той области (внешние условия и геометрия полости), где существует автоколебательный процесс в полости. Между тем он отсутствует в ряде сходных условий, описанных в работах [13, 35, 43, 58]. Кроме того, неоднократно высказывались сомнение относительно возможности существования внутри тупиковой полости, помещенной в дозвуковой набегающий поток, ударных волн. В связи с этим, предлагалась другая модель протекающего процесса, авторы которой связывали нагрев газа внутри полости с передачей энергии внутрь полости за счет сил трения слоев газа набегающего потока и газа, поступившего в зону отрыва внутри полости. Наконец, случаи взаимодействия удлиненной тупиковой полости с набегающим потоком газа двигающимся по касательной к плоскости входа, или при расположении тупиковой полости с большим углом атаки к набегающему потоку практически не исследован.

Разработка теоретической модели, протекающего процесса внутри полости при ее взаимодействии с внешним набегающим потоком является важной научно-технической задачей в силу большого распространения данного явления в технике и природе. В большинстве случаев полости примыкающие к внешнему набегающему потоку - негативное явление. Они являются источниками дополнительных сопротивлений, концентраторами напряжений, в случае автоколебательных явлений тупиковая полость - место сильного нагрева и, как правило, повышенной (в сравнении с другими обтекаемыми частями) механической нагрузки на конструкцию летательного аппарата. Периодический срыв вихрей в полости и возбуждаемые им акустические пульсации могут привести к нестабильному горению в камере твердотопливного ракетного двигателя [17]. Тупиковые полости могут иметь так же широкое практическое применение. В [35] приводятся данные по тупиковым полостям с малой глубиной. Они выполняют роль турбулизаторов потока. В этом случае, их глубина соизмерима с толщиной пограничного слоя (выемки). Если полость расположена перед органом управления, например щиткового типа, она ограничивает распространение отрывного течения перед щитком, и приближает обтекание к невязкому случаю. При определенных соотношениях геометрических размеров полости и щитка отрыв потока может быть полностью устранен. В полости может быть организованно течение с повышенным или пониженным давлением, с интенсивным скачком уплотнения у задней стенки. В таком случае, полость может быть использована в качестве устройства, обеспечивающего направленное изменение аэродинамических характеристик JIA. В работах [7, 31] полости рассматриваются в качестве инструмента по снижению профильного сопротивления плохообтекаемых тел. В [16], наоборот, полость в головной части обтекаемого тела приводит к увеличению профильного сопротивления. Практическое применение нашли так же сильно удлиненные полости с автоколебательным процессом (резонансные трубки Гартмана). Они используются как источники мощного звука [8], обладающие более высоким КПД (до 30%) и простотой конструкции по сравнению с твердотельными излучателями. Неоспоримые преимущества волнового нагрева перед электродуговым методом дня спектрального анализа и работ в области термохимии обосновывается в [12]. В связи с этим, в некоторых работах рассматривается вопрос о применении для этих целей резонансных трубок. В [60] рассматривается проблемы применения резонаторной полости с набегающим свехзвуковым потоком в составе газодинамического лазера.

Таким образом, тупиковые полости с различной геометрией могут быть использованы в технике. Однако, разработка конкретных технических устройств для летательного аппарата (ЛА) или газотурбинного двигателя (ГТД), которые используют эффекты взаимодействия тупиковой полости и набегающего потока, невозможна без создания математической модели протекающего процесса и инженерных методик расчета.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований:

1. На основе критического анализа предшествующих работ сделан вывод о целесообразности и актуальности теоретических и экспериментальных исследований процессов внутри тупиковой полости, помещенной в дозвуковой набегающий поток.

2. Выполнены экспериментальные исследования течения газа и температурного поля внутри тупиковой полости, выходящей на поверхность, обтекаемую дозвуковым набегающим потоком, т. е. в условиях имитирующих обтекание корпуса JIA. В ходе экспериментов был выявлен ряд особенностей, таких как расширение диапазона чисел Маха (до Mmin = 0.23), при которых наблюдается эффект нагрева газа внутри полости сверх температуры торможения набегающего потока, вследствии наличия обтекаемой поверхности. Отсутствие теплоизоляции снижало интенсивность нагрева газа внутри полости.

3. Осциллографирование давления и визуализация течения газа позволили установить отсутствие скачков уплотнения внутри полости в диапазоне чисел М = 0.3.0.6. Вместе с тем было показано, что между полостью и набегающим потоком существует значительный массообмен, а в области входа внутри полости зафиксировано вихревое течение. В глубине полости и в непосредственной близости от закрытого торца течение газа было преимущественно прямолинейным.

4. В ходе теоретических исследований на основе анализа уравнения движения было получено решение, согласующееся с результатами экспериментов, т.е. не содержащее разрывов. Пульсации давления и осевая скорость потока описываются линейными акустическими соотношениями стоячей волны в диапазоне М = 0.1.0. Проанализирован механизм формирования вихревого течения в области входа тупиковой полости. Течение внутри полости представлено как совокупность вихревого течения в области входа полости и застойной зоны с волнами сжатия и разряжения в глубине полости.

5. Было показано, что передача энергии внутрь тупиковой полости от набегающего потока осуществляется в слое смешения силами турбулентного трения и вместе с втекающей внутрь массой газа, а расходуется эта энергия на поддержание колебательного процесса с необратимым выделением тепла. Тепловыделение происходит за счет рассеяния механической энергии в виде трения о стенки полости и внутренних потерь в волнах сжатия.

6. Составлена математическая модель протекающего процесса, учитывающая геометрию полости, ее тепловые свойства, параметры набегающего потока (включая состав газа). Определены область существования автоколебательного процесса внутри полости и условия, при которых возможен интенсивный нагрев газа.

7. Разработанная инженерная методика расчета основных параметров газа внутри тупиковой полости в дозвуковом набегающем потоке газа может быть использована при проектировании летательных аппаратов и проточной части двигателя.

8. Проработан вариант использования глубокой тупиковой полости, в качестве нагревательного элемента противообледенительной системы воздухозаборника беспилотного летательного аппарата.

В области теоретических исследований предлагается использовать полученные в данной работе материалы для построения единой непротиворечивой теории взаимодействия тупиковой полости с набегающим потоком. Полученные результаты могут быть рекомендованы к применению при проектировании JIA. Процессы, протекающие внутри

-152тупиковой полости, при ее взаимодействии с набегающим потоком могут быть использованы для решения некоторых технических задач при проектировании JIA.

1. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1976. -888 с.

2. Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984.716 с.

3. Антонов А. Н. Шалаев С. П. Экспериментальное исследование нестационарного течения в полостях, обтекаемых сверхзвуковым потоком. // Механика жидкости и газа. 1979. -№ 5. - с . 180-183.

4. Белов И. А. Численное моделирование сложных вихревых течений вязкой жидкости // Инженерно-физический журнал. 1987. - Т. 53. - № 5. -с. 758 -764.

5. Белов И. А., Исаев С. А., Митин А. Ю. Расчет отрывных течений в рамках модели идеальной жидкости с учетом турбулентного сдвигового слоя на границе области отрыва // Инженерно-физический журнал. 1986. - Т. 51. -№ 4.

6. Биланин, Коверт Оценка возможных частот возбуждения для прямоугольных полостей малой глубины. // Ракетная техника и космонавтика. 1973.-Т. 11. - № 3. - с. 114-120.

7. Бобышев В. К., Исаев С. А. Численное исследование влияния турбулентности на обтекание цилиндра с расположенным перед ним диском // Инженерно-физический журнал. 1990. - Т. 58. - № 4. - с. 566-572.

8. Борисов Ю. Б. Газоструйные излучатели гартмановского типа. В сб. «Источники мощного ультразвука». М.: Наука. - 1967. - 4.1. - с. 9-108.

9. Галиев Ш. У., Ильмагов М. А., Садыков А. В. О периодических ударных волнах в газе. // Механика жидкости и газа. 1970. - №2. - с. 57-66.

10. Галиуллин Р. Г., Ревва И. П., Конюхов А. А. Теория нелинейных колебаний в закрытой трубе с учетом термоакустических эффектов // Инженерно-физический журнал. 1983. - Т. 45. - №2. - с. 267-271.

11. Галиуллин Р. Г., Ревва И. П. Акустотермические эффекты при колебаниях большой амплитуды в закрытой трубе // Инженерно-физический журнал. 1984.-Т. 47.-№1,- с. 34-41.

12. Гейдон А., Герл И. Ударная труба в химической физике высоких температур. М.: Мир, 1966. - 428 с.

13. Гольдштик М. А. Вращающиеся потоки. Новосибирск: Изд. Наука, 1981.-367 с.

14. Гринь В. Т., Славянов Н. Н., Тилляева Н. И. Об устойчивости обтекания цилиндрических каналов и полостей сверхзвуковым потоком идеального газа с головной ударной волной. // Механика жидкости и газа. -1987.-№ 4.-с. 114-121.

15. Грудницкий В. Г., Знаменская И. А., Кудрявцев Е. М., Подобряев В. Н., Шугаев Ф. В. Нестационарное отражение ударной волны от тела с цилиндрической выемкой. // Механика жидкости и газа. 1984. - № 5. - с. 199-201.

16. Давыдов Ю. М., Коробицын Г. П., Постников В. Г. Обтекание затупленных тел с иглами и кавернами. // Инженерно-физический журнал. -1979. Т. 37. - №4. с. 712-716.

17. Данлэп Р., Браун Р. С. Экспериментальное исследование акустических пульсаций возбуждаемых периодическим срывом вихрей. // Ракетная техника и космонавтика. 1981. - № 4. - с. 142-143.

18. Демидов П. Г. Основы горения веществ М., М-во коммунального хозяйства РСФСР, 1951. - 296 с.

19. Дубовик А.С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов М.: Наука, 1984. - 456 с.

20. Думнов Г. Е. Колебания газа в трубах под воздействием периодически меняющегося давления // Механика жидкости и газа. 1978. -№5.-с. 177-180.

21. Думнов Г. Е., Теленин Г. Ф. Нелинейные явления в закрытой трубе. // Механика жидкости и газа. 1977. - № 4. - с. 173 - 176.

22. Елисеев Ю. Б., Черкез А. Я. Об эффекте повышения температуры торможения при обтекании газом глубоких полостей. // Механика жидкости и газа. 1971. -№ 3. - с. 8-18.

23. Елисеев Ю. Б., Черкез А. Я. Экспериментальное исследование аномального аэродинамического нагрева тел с глубокой полостью // Механика жидкости и газа. 1978. - № 1.-е. 113 - 119.

24. Заугольников Н. Л., Коваль М. А., Швец А. И. Пульсации потока газа в кавернах при сверхзвуковом обтекании. // Механика жидкости и газа. -1990,-№2.-с. 121 127.

25. Знаменская И. А., Степанец И. В., Шугаев Ф. В. Возникновения пика давления в канале за отраженной волной. // Механика жидкости и газа. -1990.-№ 6.-с. 178-181.

26. Ибрагим М. А., Серов А. О., Штеменко Л. С., Шугаев Ф. В. Отражение плоской ударной волны от тела с выемкой. // Механика жидкости и газа. 1985,- №5. -с. 180-185.

27. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -М.: Машиностроение, 1975. 559 с.

28. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975. - 520 с.

29. Кабаков Я. И., Майорова А. И. Турбулентное течение в прямоугольной выемке в стенке плоского канала. // Инженерно-физический журнал. 1984. - Т. 46. - №3. - с. 363-371.

30. Карпов Ю. Л., Семенкевич Ю. П., Черкез А. Я. К расчету отрывного течения между двумя телами. // Механика жидкости и газа. 1968. - № 3. - с. 89-94.

31. Квас Б. Снижение сопротивления с помощью продольных выемок. // Ракетная техника и космонавтика. 1981. - № 6. - с. 124-125.

32. Кнунянц И. JL Краткая химическая энциклопедия. М. 1965. - т.2,3.

33. Кошкин В. К. и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. М.: «Машиностроение», 1975. - 624 с.

34. Костогрыз В. Г., Кузнецов В. И, Шпаковский Д. Д. Аэродинамический нагрев тупиковой полости в набегающем потоке // Омский научный вестник Сб. статей. Вып. 17. Омск: Изд-во ОмГТУ. 2001. -с. 91-95.

35. Краснов Н. Ф., Кошевой В. Н., Калугин В. Т. Аэродинамика отрывных течений. М.: Высшая школа, 1988, - 351 с.

36. Кузнецов В. И. Теория и расчет эффекта Ранка. Науч. изд. Омск: Изд. ОмГТУ, 1995.-217 с.

37. Кузнецов В.И., Чальцев С. В., Шпаковский Д. Д. Аномальный аэродинамический нагрев тупиковой полости в набегающем потоке. Омский гос. техн. ун-т. Омск, 1998, 53 с. - Деп. в ВИНИТИ 03.04.98, № 987-В98.

38. Кузнецов В.И., Шпаковский Д. Д. Аномальный аэродинамический нагрев тупиковой полости в набегающем потоке // Инженерно-физический журнал. 2000. - Т. 73. - № 1. - с. 160-164.

39. Купцов В. М., Филатов К. Н. Пульсация давления и нагрев газа при втекании сверхзвуковой струи в коническую полость // Механика жидкости и газа. 1981. - № 3. - с. 167 - 170.

40. Купцов В. М. Пульсации давления и нагрев газа при втекании сверхзвуковой струи в цилиндрическую полость // Механика жидкости и газа. 1977.-№ 5.-с. 104- 111.

41. Лойцянский JI. Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987.840 с.

42. Майлз, Уотсон. Волны давления возникающие при акустическом резонансе в полости возбуждаемой потоком.// Ракетная техника и космонавтика. 1971. -№ 7. - с. 244-246.

43. Макаров И. Г. Расчет нестационарных пульсаций потока реагирующего газа при обтекании плоской прямоугольной выемки // Механика жидкости и газа. 1989. - №2. - с. 173-175.

44. Мейсн, Хардин. Вихревая модель генерации широкополосного шума при обтекании потоком полости. // Ракетная техника и космонавтика. -1977,- Т. 15,-№5.-с. 31-38.

45. Морозов М. Г. Подобие сверхзвуковых срывных зон. // Механика жидкости и газа. 1970. - № 6. - с. 115 - 118.

46. Морозов М. Г. Самовозбуждение колебаний при сверхзвуковом отрывных течениях. // Инженерно-физический журнал 1974. - Т. 27. - №5. с. 840-844.

47. Ни A. JI. Нелинейные резонансные колебания газа в трубе под воздействием периодически изменяющегося давления // Прикладная математика и механика. 1983. - Т. 47. вып. 4. - с. 607-617.

48. Ни A. JL, Крайко А. Н. О приближениях нелинейной акустики в задачах о колебаниях газа в трубах // Прикладная математика и механика. -1980. Т. 44. - вып. 1. - с. 77-88.

49. Ни A. JT. Нелинейные субрезонансные колебания газа в трубе под воздействием периодически изменяющегося давления. // Механика жидкости и газа.- 1988.-№2.-с. 151-157.

50. Повх И. J1. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. -JL: Машиностроение, 1974. 480 с.

51. Самойлович Г. С. Гидрогазодинамика. М.: Машиностроение, 1990,-384 с.

52. Саройя. Экспериментальное исследование пульсаций, возникающих при обтекании мелких выемок.// Ракетная техника и космонавтика. 1977. - Т. 15.-№7.-с. 109-118.

53. Симуни JI. М. Численное решение задачи движения жидкости в прямоугольной яме // Прикладная механика и техническая физика. 1965. -№6. -с. 14-25.

54. Тенишев P. X. и др. Противообледенительные системы летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1967, - 320 с.

55. Федорченко А. Т. Численное исследование некоторых МГД -течений вязкого газа в прямоугольной каверне // Механика жидкости и газа. -1975.-№5.-с. 27-32.

56. Хасимото X., Сано О. «Стоксолеты» и вихри в ползущем течении // Сб. Вихри и волны. М.: Мир, 1984. - с. 80-111.

57. Хэнки В. Д., Шенг Дж. С. Расчет пульсаций давления в открытой полости. // Ракетная техника и космонавтика. 1980. - Т. 18. - № 8. - с. 38-46.

58. Шен П. Исследование свехзвукового потока над глубокой полостью с целью его применения в лазерах // Ракетная техника и космонавтика.- 1979.-Т. 17.-№2.-с. 112-114.

59. Шидловский А. А. Основы пиротехники М.: Машиностроение, 1973.-320 с.

60. Шифрин Э. Г. К теореме Бэтчелора о циркуляционной области // Механика жидкости и газа. 1976. - № 1.-е. 140 - 143.

61. Шпаковский Д. Д. Экспериментальные исследования процесса нагрева газа в тупиковой полости // Исследования по баллистике и смежным вопросам механики. Сб. статей. Вып. 2. Томск: Изд-во Том. Ун-та. - 1998. -с. 56-59.

62. Brocher Е., Maressa С. Etude des phenomenes thermiques dans un tube der Hartmann Sprenger. Intern. J. Heat and Mass Transfer, 1973, - vol. 16, - No. 3.

63. Cheter W. Resonant oscillations in closed tube. J. Fluid Mech., 1964, -v. 18,-pt. 1,-p. 44-64.