Диссертация (Моделирование пространственных течений в газовых трактах с использованием адаптивных сеток), страница 11

Нарисункеслеваприведеныизолиниидавлениявсеченииn=(0,0,1),перпендикулярном направлению движения невозмущённого потока воздуха,полученные в результате моделирования. На рисунке справа – изолиниидавления в том же сечении, представленные в работе [27].83Рисунок 3.3.13 – Сравнение изолиний давления.Из результатов расчётов видно, что параметры течения, полученныепри помощи данной методики с хорошей точностью совпадают срезультатами из работы [27].3.3.5. Расчёт газового эжектораВ современных аэродинамических трубах используются эжекторы,работающиеприинжектирующегобольшихзначенияхвоздухакотношенияполномуполногодавлениюдавленияэжектируемого.Производится математическое моделирование газового эжектора модельнойустановки,результатыэкспериментальногоисследованиякоторойпредставлены в работе [84].Модель представляет из себя цилиндрический отсек диаметром 100 ммс установленными в его корпус щелевыми профилированными вставками. Вкачестве сопла используется сверхзвуковое коническое сопло, рассчитанноена число М=2.5.

Высота щели эжектирующего воздуха в критическомсечении сопла h=2.5мм, выходной диаметр сопла d=93мм.84Для сравнения результатов для эжектора рассчитывались следующиебезразмерные коэффициенты:1. суммарныйкоэффициентэжекцииk G1,GгдеG1–расходэжектируемого воздуха, GΣ – расход эжектирующего воздуха.2. Отношение полного давления эжектирующего воздуха к полномуp 0'давлению эжектируемого воздуха p .p 01'03. степень сжатия p0" p атм.p01В ходе расчётов при фиксированном давлении эжектирующего воздухаизменялосьдавлениеэжектируемоговоздуха.Задачарешаласьвпредположении идеального невязкого газа с переменным показателемадиабаты. Пренебрежение силами вязкого трения объясняется высокимзначением динамической силы, связанной с большим перепадом давления.Сравнение зависимости коэффициента эжекции от степени сжатия сэкспериментальными данными [84] представлено на рисунке.

Как видно,результаты расчёта с хорошей точностью совпадают с экспериментальнымиданными,такимобразомпредположениеодинамических сил над вязкостными подтверждается.85превалирующейроли0.6k0.5расчётэксперимент0.40.30.20.100.0E+00p 0'5.0E+001.0E+011.5E+012.0E+012.5E+01Рисунок 3.3.14 – Сравнение результатов расчёта с экспериментальнымиданными. На графике зависимость коэффициента эжекции от степенисжатия.3.3.6. Отрыв в коническом соплеВ данном тесте исследуется течение в плоском сопле с отрывом.Проверкаточностимоделированиеосуществляетсясравнениемсэкспериментальными данными, представленными в работе [74].Рассчитываемое сверхзвуковое сопло имеет клиновидную форму сполууглом раствора 11.01 градусов.

Геометрическая степень расширенияравна 1.797.Моделирование проводилось в предположении вязкого газа спостоянным показателем адиабаты (к=1.4). В ходе расчёта изменялосьполное давление на входе в сопло.Результаты расчётов приведены на рисунке 3.3.15.В результатечисленного моделирование получается хорошее совпадение положений точекотрыва потока и параметров за отрывом.861p/p00.90.8n=1.255n=20.7n=2.40.6n=3n=3.40.5n=5.40.4n=1.255_experimentn=2_experiment0.3n=2.4_experiment0.2n=3_experimentn=3.4_experiment0.1n=5.4000.20.40.60.811.21.41.61.8x/x*2Рисунок 3.3.15 – Положение точек отрыва потока в зависимости отперепада давления.874.

Численное моделирование4.1.Моделирование течения в сверхзвуковом ВЗУОсновная цель данного исследования является экспериментальное ичисленное определение характеристик высокоскоростного воздухозаборногоустройства изменяемой геометрии. Интегральными характеристиками ВЗУ,определяемыми в данной работе, являются коэффициент восстановленияполного давления и коэффициент расхода.Обычная практика экспериментального моделирования ВЗУ связана сизмерением распределения полного и статического давления и пересчётомраспределения числа Маха. Этот метод плохо подходит в случае моделеймалого масштаба, так как необходимые для этого измерительные гребёнкидавления при внесении в поток перекрывают сечение камеры, тем самымвнося дополнительный дросселирующий эффект. В то же время уменьшениеразмеров самих измерительных трубок связано с существенной потерейточностиизмерения.Численноемоделированиедаётвозможностьопределить наиболее интересные особенности течения.

В результатепрограмма проведения испытаний может быть скорректирована, а в рядеслучаев – своевременно внесены исправления в модель. Несмотря наприближённостьматематическихмоделей,использованиечисленныхметодов позволяет сократить число экспериментов, а так же упростить их,уменьшив количество необходимой измерительной аппаратуры в каждомэксперименте. Так же численное моделирование позволяет получитьпараметры потока в случае течения не искажённого установленнымидатчиками.4.1.1. Экспериментальное моделированиеПринципиальная схема стенда для исследования газодинамическихвысокоскоростных течений приведена на рисунке.

Исследуемая модель88помещается в вакуумную камеру, где обдувается равномерным потокомвоздуха.Равномерностьпотокаобеспечиваетсяиспользованиемспрофилированных для каждого заданного числа Маха сопел. Перепаддавления, необходимый для расчётного истечения воздуха через сопло,реализуется за счёт повышенного полного давления истекающего черезсопло воздуха, вакуумных баллонов, а также поддержания разрежения врабочей камере стенда за счёт истекающего через сопло воздуха. При этомвоздух в аэродинамическое сопло установки поступает из баллонов высокогодавления. Во избежание конденсации воздуха в сверхзвуковой части соплаприбольшихчислахМ∞,предусмотренэлектрическийподогревпоступающего в аэродинамическое сопло воздуха.Забор воздухаВакуумная камераАэродинамическоесоплоМодельВЗУВоздухОкно визуализацииНагревательКлапанРедукторКвакуумномунасосуБаллоны высокого давленияВакуумные баллоныРисунок 4.1 – Схема экспериментального стенда.89Выбор геометрических размеров аэродинамических сопел и моделипроводилсяследующимаэродинамическогосоплаобразом.Диаметропределяетсяминимальноговозможностьюсеченияподогревапропускаемого через него расхода воздуха до температуры, обеспечивающейотсутствие его конденсации при числе Маха М∞ создаваемого равномерногопотока.

Длительность испытания определяется объёмом вакуумных баллонови степенью их вакуумирования. По известному диаметру минимальногосечения аэродинамического сопла и заданному числу М∞ определяетсядиаметр среза сопла. Размеры модели выбирают исходя из размеров ромбаравномерного потока с заданным числом М∞ такими, чтобы вход в ВЗУ ицентральное тело ВЗУ были бы полностью помещены в этот ромб.Схематичное изображение создаваемого аэродинамическим соплом ромбаравномерного потока, установленного в этот ромб ВЗУ и системы скачков навходе в ВЗУ на расчётном режиме его работы представлено на рисунке.ХарактеристикаОбечайкаАэродинамическоесопло,Mр=3,5Криволинейные скачкиЦентральное телоНабегающийКонический скачокУдарная волна от обечайкиРомб равных чисел МРисунок 4.2 – Положение ВЗУ на стенде.90Модель ВЗУ, состоящая из обечайки и центрального тела, изображенанарисунке.Носоваячастьцентральноготелапредставляетсобойступенчатый конус торможения и относится к сверхзвуковой части ВЗУ,центральная часть образует внутреннюю поверхность той части тракта ВЗУ,где осуществляется торможение потока воздуха до М=1, а кормовая часть – кдозвуковой части тракта ВЗУ.

Обечайка состоит из двух частей: передней,расширяющейсячастиобечайки,цилиндрическойчасти.цилиндрическойповерхностиДляобразующейизмеренияобечайкивходстатическогопредусмотренвмодель,давлениярядинаотверстийснабжённых штуцерами для подвода магистралей к датчикам.ОбечайкаЦентральное телоРисунок 4.3 – Схема трактов ВЗУ в разрезе.Рисунок 4.4 – Общий вид экспериментальной модели.В каждом эксперименте измерялись параметры при фиксированномположении дросселя сопла модели и его движении. Смещение коническоготела дросселя позволяет изменять площадь критического сечения сопламодели от начального (полностью открытое минимальное сечение сопла) допрактически полностью закрытого минимального сечения сопла.91Рисунок 4.5 – Экспериментальная модель, установленная на стенд.Коэффициент восстановления полного давления, реализующийся вмодельном ВЗУ, зависит от положения дросселя.

При уменьшении спомощью дросселя проходного сечения сопла модели коэффициентвосстановления полного давления в ВЗУ возрастает до некоторогомаксимального значения. При дальнейшем уменьшении минимальногосечениясоплавВЗУреализуетсяпомпажныйрежимтечения,характеризующийся скачкообразными изменениями давления в ВЗУ,которые вызываются частыми изменениями характера работы ВЗУ: то свыбитой ударной волной перед ВЗУ, то без неё (запущенный ВЗУ).

Значениекоэффициентавосстановленияполногодавления,непосредственнопредшествующее режиму помпажа, и есть максимальный коэффициентвосстановления. Скорость движения дросселя была подобрана такимобразом, чтобы полное время его передвижения было более 10 секунд. Такимобразом, в каждый момент времени при беспомпажном режиме работы ВЗУрежим течения можно считать установившимся. На рисунке 4.6 приведеныграфики зависимостей полного давления в набегающем потоке, измеренногодвумя датчиками, установленными в ресивере перед аэродинамическимсоплом, и площади критического течения сопла от времени.92Рисунок 4.6 – графики зависимостей полного давления в набегающем потокеи площади дросселя от времени.На иллюстрациях приведены теневые картины ударно-волновойструктуры на входе в модель ВЗУ, причём на левой картинке приводитсяфотография при беспомпажном режиме обтекания, тогда как на правом –фотография картины течения, соответствующая режиму помпажа.

В первомэксперименте характеристическая волна от кромки сопла приходила навторой конус центрального тела, тем самым искажая картину течения передгорлом ВЗУ. В последующих экспериментах модель устанавливалась ближек соплу.а) Работающий ВЗУб) Режим помпажаРисунок 4.7 - Эксперимент №1.93а) Работающий ВЗУб) Режим помпажаРисунок 4.8 - Эксперимент №2.а) Работающий ВЗУб) Режим помпажаРисунок 4.9 - Эксперимент №3.Давление в камере определялось тремя датчиками, расположенными наравных расстояниях от входа ВЗУ, но на разных образующих.