Аэродинамический нагрев тупиковой полости в набегающем потоке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.01, кандидат технических наук Шпаковский, Денис Данилович

• Шпаковский, Денис Данилович
• кандидат технических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шпаковский, Денис Данилович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аэродинамический нагрев тупиковой полости в набегающем потоке»

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.

Заключение диссертации по теме «Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов», Шпаковский, Денис Данилович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шпаковский, Денис Данилович, 2002 год

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.