Диссертация (1149877), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Врезультате сформировалось современное представление о графике зависимостиРд(Р0) при заданной геометрии установки [5] (рисунок 2).I – точка начала колебаний, II – точка минимального донного давления,III – точка окончания колебаний, IV – точка максимальной амплитудыколебания донного давления.Рисунок 2 – Типичный график зависимости донного давления Рд от Р0.При определенных сочетаниях геометрии сопла и канала могут возникатьколебания. На рисунке 2 это область обозначенная двумя линиями,соответствующими при заданном Р0 максимальному и минимальному значениюРд в течение колебательного цикла, т.е.
расстояние между кривымисоответствует амплитуде колебания. На графике зависимости донного давленияпринято выделять точку I, соответствующую началу колебаний, точку II,соответствующую их окончанию, а также значение в точке IV, когданаблюдается максимальная амплитуда колебаний. Точка II соответствует16минимальному донному давлению (режим предельной нерасчетности). Такоенепоследовательное обозначение точек возникло исторически, поскольку ранеесчиталось, что колебания продолжаются до точки II. На ранних этапахисследования считалось, что существует три основных режима течения: режимс открытой донной областью, неавтомодельный режим с закрытой доннойобластью, который может быть стационарным и нестационарным, а такжеавтомодельный режим.1.2 Обзор этапных работНаучныеисследованиявнутреннегоотрывноготеченияивзаимосвязанного с ним донного давления представлены в большом количестверабот. Первое упоминание течения с внезапным расширением поперечногосечения потока найдено у Нуссельта, о чем упоминается у Л.
Крокко [13].Нуссельт экспериментально исследовал трансзвуковые струи, которые истекалииз конических сужающихся сопел. Результаты эксперимента он сравнивал срасчетами по одномерной теории.Бурное развитие авиационной и ракетной техники и, соответственно,растущие потребности в знаниях в этих областях стимулировали научныеисследования внутреннего отрывного течения. Ученые многих стран проводилитакие исследования, поэтому стали появляться публикации, в которыхприводились исследования процессов, происходящих в каналах с истечением вних сверхзвуковых струй из сопла Лаваля, а также выделялись особенностиизменения донного давления. Стоит отметить работы 50-х годов Ньюмена иЛустверка [50], [51], Чепмена и Лукашевича [29], [45], Фабри и Систрунка [31],Корста и Эгинка [44], [24], а также Карашимы [43].
К наиболее важной работепо проблематике донного давления можно отнести исследования Чау [30]. Внашей стране работы были по большей части закрытыми, что привело к болеепозднему их появлению в свободной печати, но работы в направленииотрывных течений с выделенной донной областью проводились.17Гинзбургом И.П.
[6] рассматривалось течение газа в канале сиспользованием одномерного подхода для вычисления потерь на донноедавление при сверхзвуковом течении газа на узком участке канала после егорасширения. Со ссылкой на экспериментальные исследования донногодавления Уика [55] был рассчитан коэффициент потери полного давления.Также рассмотрен режим течения, когда в широкой части канала наблюдаетсяпрямой скачок уплотнения, для вычисления давления газа за скачком послеадиабатического его торможения, на этом режиме использовалась формулаРэлея.В работе [13] описывается по одномерной модели течение в эжекторе сцилиндрической камерой смешения без вдува. По уравнениям сохраненияэнергии и с учетом силы трения на стенках камеры определены областисуществования решения уравнений для вычисления донного давления.Фабри и Систрунк [31] в своей работе использовали профилированные иконическиесопласМа=1,8иопределилиналичиетрехрежимов(сверхзвукового, переходного, смешанного) работы эжектора.
Они выявилиналичие предельной минимальной величины донного давления, котороеувеличивается с возрастанием полного давления перед соплом. Физическаякартина течения продемонстрирована на шлирен-фотографиях УВС, которыебыли получены на плоской установке, стенки установки были прозрачными.Картины УВС соответствуют различным установившимся режимам течения вканале: от отрывного течения с донной областью, в которую втекает газокружающей среды, до формирования икс-образных УВС с полностьюсверхзвуковым течением по каналу. Особое внимание уделено моментузакрытия донной области, когда размер поперечного сечения эквивалентнойзатопленной струи становится больше размера поперечного сечения канала.Более поздние экспериментальные исследования сверхзвуковых теченийбыли направлены на углубленное изучение донного давления и получение18более достоверных качественных и количественных результатов.
Такиеисследования проводились Вильямсом и Андерсоном [28], Бейкером иМартином [46], Юнговски [36, 38]. Во всех работах исследовались струйныетечения в канале с внезапным расширением поперечного сечения ивизуализировались УВС, либо с помощью теневых фотографий, либо спомощью интерферограмм, сделанных на различных режимах течения.В статье [28] представлена схема плоского течения у среза сопла, вдонной области выделяется циркуляционная зона, выявлены особенноститечения при взаимодействии границы сверхзвуковой струи со стенами канала сформированием отраженного скачка, попадающего в область разреженияПрандтля-Майера. Для круглого канала определенной длины представленазависимость донного давления Рд от полного давления Р0 в работе [46].
Порезультатам исследований были определены типичные зависимости донногодавления от полного и зафиксировано явление гистерезиса параметров приувеличении и уменьшении величины полного давления Р0 перед соплом.ЭкспериментальныеисследованияБеспалова,МихальченкоиСеребрякова [1] процесса запуска диффузора с камерой Эйфеля с сопломМа=2,7 для трех различных размеров диффузора подтвердили общуюзависимость донного давления и распределения давления на стенках канала.Были выявлены особенности течения для различных величин P0 на режиметечения с открытой донной областью.
Для этого режима характерензначительный положительный градиент давления, который вызывает затеканиев донную область газа из окружающей среды. Исследован режим с закрытойдонной областью, для которого характерно низкое донное давления. Также вработе указано на необходимость учета взаимодействия скачка уплотнения спограничным слоем в зоне присоединения струи к стенке канала, котороеопределяется, в основном,числом Маха Ма на срезе сопла и толщинойпограничного слоя на срезе сопла перед его отрывом и трансформацией в слойсмешения.19В работе Губановой О.И. [11] показано, что давление в донной области Рдзависит от толщины пограничного слоя, а исследования Глотова Г.Ф. и МорозаЭ.К. [9] показывают, что увеличение относительной толщины пограничногослоя почти в 2 раза не приводит к существенному изменению величиныдонного давления, что указывает на незавершенность исследований в этойобласти.
Более поздние работы на эту тему не появлялись. Приведенные вобзоре работы, являются частью обширных исследований отрывных течений,нашедших отражение в монографиях П. Чжена [19], [20], Швеца А.И. и ШвецаИ.Т. [21], Гогиша Л.В. и Степанова Г.Ю. [18], Сизова А.М. [16], [17], [25],Шишкова А.А. [22], [23].До этого момента были приведены сведения об отрывных течениях свнезапным расширением на стационарных режимах.
Рассмотрим теперьподробнее наиболее сложное явление, возникающее в канале с внезапнымрасширением потока – низкочастотные колебания. Они сопровождаютсямощным акустическим излучением, что широко используется в различныхтехнологических установках в области металлургии и упрочнения изделий изметаллов. Нестационарные явления, сопровождающие истечение сверхзвуковойструи в канал с герметизированной донной областью, изучались в течениедлительного времени [14], как экспериментально, так и с помощьюразработанных математических моделей [52]. Невыясненным остается вопрос отом, каков механизм поддержания низкочастотных колебаний.Комплекс работ по исследованию течений в плоских и осесимметричныхканалах для круглых и кольцевых струй провел Юнговски с соавторами [15],[26], [27], [34] [35] [37] [39]-[42] [47] [48].
Результаты визуальных исследованийтечений с помощью интерферограмм в плоских прозрачных каналах иизмерения с помощью датчиков позволили ему выявить существованиеколебательных и устойчивых режимов изменения донного давления иперестройки УВС. К устойчивым режимам он отнес режим течения с открытойдонной областью (ОДО), режим присоединения к стенке канала основного20участка сверхзвуковой струи и натекания границы первой бочки на стенку, тоесть режимы, соответствующие двум различным диапазонам измененияполного давления Р0. Большое внимание уделялось в исследованиях иакустическим аспектам. Проведенный расчет частоты колебательного режимаизменениядонногодавленияигенерацииизлучениязвукадлячетвертьволнового вибратора с учетом осредненной переменной плотностигаза, истекающего из сопла в канал, показал удовлетворительное совпадение сэкспериментом.Гогиш Л.В. и Степанов Г.Ю.
установили, что при наличии вдува илиотсоса среды из донной области, течение в возмущенном скачком ближнемследе при внешнем обтекании остается двузначным во всем диапазонезначений донного давления, и показали расчетным путем возможностьсуществования квазистационарных колебаний давления. В работе [10]механизм возбуждения рассматриваемых колебаний связан, предположительно,с крупномасштабными турбулентными возмущениями в следе за телом (уступ вканале) типа больших вихрей, вызывающими начальную деформацию профиляскорости на начальном участке ближнего следа.
Исходя из предложеннойгипотезы, авторы [10] считали, что колебания донного давления могут иметьнерегулярный характер, а амплитуда их не превышает разности давлений,соответствующих двум стационарным состояниям следа. Они показали, чтоесли представить турбулентное отрывное течение в виде спектра случайныхсостояний потока, то вероятность нахождения в каком-либо состоянии ихарактер перехода между ними связаны с определенным физическиммеханизмом возбуждения – турбулентным, акустическим, расходным ипрочими (по отдельности или в совокупности).Рассматривая спектр частот пульсаций донного давления в сверхзвуковыхотрывных течениях (с фиксированной точкой отрыва) можно отметитьследующие характерные виды пульсаций:21а) турбулентные пульсации;б) акустические пульсации;в) вихревые пульсации (большие вихри);г) квазистационарные расходные пульсации релаксационного типа.Наличиеэтихвидов пульсацийсвидетельствуетодвузначностистационарного течения, которая может проявляться либо в невязком потоке,либо в вязком слое.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
