Диссертация (1149877), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Различные виды такой двузначности и связанные с нейгистерезисинизкочастотныепульсации,обнаруженныеприэкспериментальных исследованиях плоских моделей кольцевых сопел [10]присущи и осесимметричным течениям в каналах.Результаты ряда работ, в которых исследовались пульсации в различноготипа сопловых компоновках [7], [8], подтверждают изложенное выше.Циклическая перестройка волновой структуры сопровождается генерациейвнешнего акустического поля, управление частотой которого осуществляетсяизменением полного давления Р0, числа Маха на срезе сопла Ма и длины каналаlтр [7].Грабитцем[32]былапредпринятапопыткарассчитатьчастотуколебательного режима с помощью принятой им математической модели сразличными законами обратной связи, между наружным и донным давлением вколебательном процессе.
Проведенные расчеты показали удовлетворительноесовпадение с экспериментом для отдельных режимов истечения.Ранее выдвигались разнообразные гипотезы о природе колебаний ипричинах их возникновения. Систематические исследования, проведенные вБГТУ «ВОЕНМЕХ» в 80-е и 90-е годы, опровергли большинство из них.Выяснилось, что струя в канале не совершает азимутальных и крутильныхколебаний. Не существует также боковых колебаний, подобных тем, чтонаблюдаются в плоском случае, когда поток прилипает то к одной, то к другойстенке (рисунок 3).22Рисунок 3 – Боковая неустойчивость плоской струи в плоском канале.Механизм возбуждения и поддержания колебаний – расходный. Другиефакторы не имеют принципиального значения.
В канале с соплом Ма=1колебания в обычных условиях не возникают. В ряде экспериментов [3], [4] длявозбуждения колебаний донный объем был соединен полостью с областьюнатекания струи на стенку канала, так что в него могло поступатьдополнительное количество газа, что приводило к возбуждению колебаний.Колебательный цикл характеризуется периодическим изменением нетолько донного давления, но и всей газодинамической структуры течения.Такимобразом,автоколебательныйрежимявляетсясущественнойособенностью течения в канале с внезапным расширением.
Амплитудночастотная характеристика определяется многочисленными конструктивными итехнологическими параметрами установки.Акустическое излучение на автоколебательном режиме и режиме теченияс открытой донной областью имеет частоты дискретного тона, многократнопревосходящиепоамплитудеширокополоснуюсоставляющую.Режимснижения уровня шума характеризуется практически отсутствием дискретныхтонов и низкой величиной интегрального уровня излучаемого шума. Все этосоздает обширные возможности по практическому использованию феноменаавтоколебаний,управлениюегохарактеристикамииглушениюшумасверхзвуковых струй.Экспериментальные исследования отрывных течений с внезапнымрасширением на стационарных режимах заложили основу построения методикрасчета донного давления и донного сопротивления летательных аппаратов, а23также послужили базисом дальнейшему исследованию нестационарныхрежимов и переходных процессов.1.3 Методика экспериментальных исследованийОбъектом исследования являются УВС, образующиеся в канале приистечении в него из сопла Лаваля или блока сопел сверхзвуковойнедорасширенной струи или блока струй.Основными задачами экспериментального исследования являются:а)выявление и классификация стационарных, переходныхколебательныхрежимов,определениятиповколебанийиизакономерности их смены при изменении полного давления передсоплом;б) определение зависимости от геометрических параметров установкихарактерныхполныхдавлений,соответствующихначалу,максимальной амплитуде и окончанию колебаний;в) доказательство наличия гистерезиса параметров при подъеме исбросе полного давления перед соплом.Системабезразмерныхпараметров,определяющихсверхзвуковоетечение в канале с внезапным расширением, выглядит следующим образом:Ф (Р0/Рн, Рд/Рн, Fтр/ F , lтр/dтр, θа, Мa, W/dтр, Тн/Т0, А/ Р0, f), где1.
Множество измеряемых в процессе проведения экспериментовпараметров:Р0 - полное давление в ресивере перед соплом;T0 - температура торможения;Рд - донное давление;А - амплитуда колебаний донного давления;f - частота колебаний (Гц).Множество измеряемых внешних параметров окружающей среды:24Тн - температура воздуха окружающей среды;Рн - давление в окружающей среде.Множество измеряемых геометрических параметров установки:dа - внутренний диаметр среза сопла;dа_внеш - внешний диаметр среза сопла;d - диаметр критического сечения сопла;θа - угол полураствора сопла;i - количество сопел;dц - разнос сопел (только для многосопловых компоновок);lc - длина сопла;dтр - диаметр трубы;lтр - длина трубы.2.
Множество вычисляемых геометрических параметров установки:F - площадь критического сечения сопла (всех сопел в случаемногосопловой компоновки) вычисляется по d ;Fтр - площадь трубы вычисляется по dтр;Ма - число Маха на срезе сопла;W - объем донной области вычисляется по dтр, dа_внеш, lтр, lc.3. Множество задаваемых управляющих параметров:Р0 - полное давление в ресивере перед соплом.Исследования заключаются в проведении серии экспериментов на стенде,который имеет сменные блоки (рисунок 4), располагающиеся внутри канала.Блоки сопел могут быть оснащены одним соплом или несколькими.25Рисунок 4 – Схемы сменных сопловых блоков.В каждом конкретном эксперименте при заданной геометрии установкиэкспериментальное исследование является однофакторным, изменяется толькополное давление перед соплом Р0.
С точки зрения геометрических параметровустановки каждый эксперимент является пятифакторным. Для исследованияособенностей течения одиночных струй с обезразмеренной площадью сечениятрубы Fтр/ F =64,3 и диаметром критического сечения сопла d =10,6 ммиспользуются сопла с различными полууглами конусности диффузорной частиθа = 8°, 15°, 30° и геометрическими числами Маха Ма от 1 до 3.ПриварьируютсяпроведенииР0/Рн,многосопловыхMa,экспериментовlтр/dтр,компоновкахсодносопловойθа. Измеряется(рисунок5)компоновкойРд. Исследованияпроводятсяаналогично,нанодобавляются два безразмерных фактора dц/ d и Fтр/ F первый характеризуетрасположение сопел в сопловом блоке, второй харктеризует величину канала.Схемаэкспериментальнойустановкипредставляетсобойсменныемногосопловые блоки, которые отличаются расстоянием между осями сопел dц.В эти блоки можно вкручивать сменные сопла с различным углом полурастворасопла θа и геометрическим числом Маха Ма.
Длина канала lтр регулируетсяпутем установки сменных секций, которые вворачиваются друг в друга.261 - ресивер/сменный сопловой блок, 2 - сменное сверхзвуковое сопло,3 - цилиндрическая труба, dа - диаметр среза сопла, dтр - диаметр трубы,dц - межцентровой диаметр сменного соплового блока,d - диаметр критического сечения сопла, lc - длина сопла, lтр - длина трубы,θа - угол полураствора сопла.Рисунок 5 – Схема установки для изучения блочных струй.Установка позволяла устанавливать сопла с различными диаметрамикритического сечения d . За счет этого можно было исследовать влияниеотносительной площади канала.
Диаметр канала во всех экспериментах былодин и тот же – 85 мм.Замеры производились безинерционными датчиками полного давления Р0в ресивере перед соплом, давления в донной области Рд, уровня акустическогоизлучения на срезе канала L. Схема присоединения узлов установки и средствизмерения показана на рисунке 6.Эксперимент проводится следующим образом.
Избыточное полноедавление перед соплом поднимается от 1 до 100 ата со скоростью около 5 ата всекунду. Затем давление стравливается для исследования гистерезиса сменырежимов при подъеме и снижении полного давления.27Рисунок 6 – Схема экспериментальной установки и сбора экспериментальныхданных.1.4 Методика численного моделированияУровень понимания реального физического явления (предыстория,динамика развития, возможность прогнозирования реакций на различныевозмущения) детерминирует процесс его математического моделирования,позволяетиспользоватьконструироватьподходящиевычислительныефизико-математическиеалгоритмы,создаватьмодели,компьютерныепрограммы и проводить анализ полученных решений.Математическая модель. Формулировка математической модели включаетвыбор системы координат, запись основных дифференциальных уравнений,постановку начальных и граничных условий.Основные уравнения.
Стационарные или нестационарные течениявязкого сжимаемого газа описываются системой уравнений гидромеханики всостав которых входят уравнения неразрывности (1.1): += 0,(1.1)и уравнения движения (уравнения Навье-Стокса) +=+. (1.2)28Уравнения движения (1.2) представляют три уравнения переноса (i=1,2,3)для проекций скорости, где р – давление, τij – компоненты тензора сдвиговыхнапряжений.Моделирование проводится на основе уравнений Навье-Стокса. Задачарешается в осесимметричной постановке.Для расчетов турбулентных течений используется осреднение поРейнольдсу уравнений Навье-Стокса с последующим замыканием полученныхуравнений.ДлядискретизацииуравненийНавье-Стоксаиспользуетсяметодконечных объемов с интегральной формулировкой законов сохранения.Дискретный аналог балансовых соотношений, записанных для контрольногообъема, получается суммированием по всем его граням потоков массы,импульса и энергии, вычисленных по квадратурным формулам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
