книги из ГПНТБ / Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении

Из предыдущих формул легко получить величину, характери­

Из формулы (4.17) следует, что величина восстановления дав­ ления диффузора при заданном значении числа Мх на входе за­ висит для данного газа лишь от к. п. д. Поэтому кривые зависи­ мости величины восстановления давления от числа Мх так же, как и кривые к. п. д., полностью характеризуют эффективность диффузора. Иногда эффективность диффузора определяется по ве­ личине коэффициента потерь, которая связана с величиной к. п д

£= 1 — г].

Вдозвуковых диффузорах при числе Мх < 0 ,9 и при малых углах расширения (до 6°) коэффициент потерь практически не зависит от числа Мг. При увеличении угла расширения наблю­ дается некоторое изменение к. п. д. от числа Мг. Так, по некоторым опытам [84] для круглого прямолинейного диффузора с углом

расширения 10° при М2 = 0,1 к. п. д. равен 0,7 при М, = 0 5 *1 = 0,82 и при Mj = 0,85 т] = 0,78.

Известно, что в сверхзвуковом потоке непрерывное уменьше­ ние скорости возможно лишь в трубе переменного сечения, со­ стоящей из сужающейся и расширяющейся части. Во входной сужающейся части трубы скорость убывает от сверхзвуковой до критического значения в самом узком сечении. В расширяющейся части скорость вновь убывает. Такой сверхзвуковой диффузор яв­ ляется обращенным сверхзвуковым соплом.

В действительности же опыт показывает, что вообще непре­ рывный переход потока от сверхзвуковой к дозвуковой скорости невозможен и что практически торможение сверхзвукового потока всегда происходит через скачки уплотнения. Наличие погранич­ ного слоя на стенках обычно приводит к тому, что при торможении

имеет место не прямой скачок, а система нескольких криволиней­ ных или косых скачков.

На практике торможение потока от сверхзвукового к дозвуко­ вому, можно производить в различных трубах: а) постоянного поперечного сечения; б) расширяющихся каналах, т. е. в обыч­ ных диффузорах; в) каналах, состоящих из трубы с постоянным поперечным сечением и диффузора; г) каналах, состоящих из сужающихся и расширяющихся труб с жесткими и фиксирован­ ными стенками и д) в регулируемых диффузорах.

К сожалению, еще не существуют достаточно достоверные ме­ тоды теоретического расчета и нет систематических опытных данных для различных методов торможения сверхзвуковых пото­ ков Опыты по торможению потоков в цилиндрических каналах [84 ] приводят к следующим выводам. Во-первых, переход от

128

сверхзвукового потока к дозвуковому происходит не в прямом скачке, а в системе скачков, следующих один за другим. За не­ которыми из них появляются местные отрывы. Форма скачков

1

Рис. 4.23. Зависимость к. п. д. от числа для различных типов сверхзвуко­ вых диффузоров

зависит от чисел М и Re и от толщины пограничного слоя. Во-вто­ рых, длина области торможения зависит от чисел М и Re. При постоянном значении М с увеличением числа Re длина зоны тор-

-г

Рис. 4.24. Диффузор с изменяющейся площадью горла

можения убывает. Так, для М = 2 при Re — 2. ІО5 (рассчитанных по диаметру трубы) длина зоны торможения равна 9—9,5 диа­ метра, а при Re = 6. ІО6 только 6 диаметрам трубы. В-третьих, эффективность или к. п. д. торможения сверхзвуковых потоков

в плоскости сетки Ѵс1 и Ѵс2 и в отдалении от сетки Ѵ21 и V

прирост площадей в. плоскости сетки ас и в сечении 2 и разность давлении р г — р 2. н

Для определения указанных величин составим систему урав­

нении. Четыре уравнения можно написать исходя из условия сохранения массы для каждой трубы,

f y ii = (/ + ос) Ѵсх; f V lt = (/ Н- ста) 1Л21;

(! —/) Ѵ12 = (1 — / — сгс) Кс2;

— f) Ѵ12 = (I ~ f — ö2) V22.

Рис. 5.1. Схема потока через сетку в трубе

Далее, считая, что давления постоянны в сечениях 1 и 2

можно написать уравнения Бернулли для каждой трубки тока в следующем виде:

где t, — коэффициент потерь.

Для того чтобы получить седьмое уравнение, прщяеним закон об изменении количества движения к объему газа, заключенному между сечениями 1 , 2 и боковыми стенками трубы. В проекции

Левую часть уравнения (5.1) на основании условия о сохране­

132

Сила сопротивления X будет определяться по формуле

ного случая при £ = 4.

Так как коэффициенты потерь £ всегда положительны, то сле­ довательно, при £ <С 2 значение т] всегда меньше единицы, т. е.

шетки, равном двум, скоростное поле за решеткой становится полностью однородным. При £ > 2 г) < 0, следовательно, доба­ вочные скорости за решеткой меняются по знаку, т. е. если

133

добавочная скорость до решетки и г была положительна, то после решетки добавочная скорость и 2 — отрицательна.

Из приведенного анализа очевидно, что для создания однород­ ного поля за решеткой надо ставить решетки с коэффициентом сопротивления, равным двум. Решетки, применяемые в аэродина­ мических трубах, имеют значительно меньший коэффициент сопротивления. Он обычно не превышает значений 0,4—0,5.

Приведенная теория выравнивающего действия сеток была подвергнута экспериментальной проверке. На рис. 5.3 приве­ дены безразмерные скоростные напоры, полученные в трубе пря-

Рис. 5.3. Скоростные напоры перед и за сеткой для сеток с различными коэф­ фициентами потерь

моугольного сечения перед и за сетками с различными коэффици­ ентами сопротивления. Скоростной напор q0определялся по макси­ мальной скорости в сечении перед сеткой. Измерения перед и за сетками производились на расстоянии двух калибров трубы от сетки.

Из анализа приведенных кривых можно сделать следующие выводы.

1. При отсутствии сеток на расстоянии четырех калибров профили скоростей изменяются очень мало.

2.Сетки с коэффициентами сопротивления 0,95 и 1,2 соответ­ ственно значительно уменьшают неоднородность скоростных на­ поров.

3.При £ > 2 неравномерность «переворачивается», т. е. в ме­ стах, в которых до сетки скорости были меньшими, за сеткой они становятся большими, и наоборот. С дальнейшим увеличением £ «перевернутая» неравномерность растет.

Обработка результатов эксперимента позволила сравнить ве­ личину г], определенную из опыта, с соответствующей величиной, полученной из теории. Экспериментальная кривая, приведенная

134

£ > 2 экспериментальная кривая значительно отклоняется от теоретической и по мере увеличения £ имеет тенденцию прибли­ жаться к г) = 0. Такая тенденция соответствует физическому смыслу, так как очевидно, что при весьма большом сопротивлении (плотная ткань) поле скоростных напоров за сеткой будет одно­ родным.

Влияние сетки на качество трубы« Выясним, как велико будет понижение качества трубы после установки сетки перед конфузором аэродинамической трубы.

Если скорость потока в рабочей части трубы Ѵ1г то скорость при входе в конфузор, где обычно ставится решетка, будет VJn, где п — степень поджатия.

Потребная мощность определяется по формуле

где К — качество трубы; Ft — площадь рабочего сечения. После установки сетки потребуется дополнительная мощность

для преодоления ее сопротивления

Следовательно, новое качество трубы К г связано со значе­ нием К уравнением

Если £ = 2, а п принять равным 4, то

Если К = 4, то = 2,67, т. е. качество такой трубы после установки решетки снижается на 33,2%. Если степень поджатия увеличить в два раза, т. е. принять п = 8, то

32К

Тогда труба с тем же качеством К = 4 после установки решетки будет иметь качество К г = 3,55, т. е. произойдет снижение ка­ чества на 11,2 %.

Таким образом, снижение качества труб с обычным поджатием из-за установки решетки с £ = 2 весьма велико. Поэтому в современных трубах делают поджатое довольно большим. Тогда

135

при'одной и той же скорости в рабочей части скорости перед'коллектором будут малы и снижение качества незначительно."

.] В бестурбулентной трубе Английской национальной лабора­ тории'« = 8, а К — 3; тогда К г = 2,74 и после установки решетки с £ — 2 качество снижается на 9%.

Детурбулизирующее действие сетки. Если исходить из того, что турбулентность возникает лишь тогда, когда в потоке имеет место неравномерность осредненных скоростей, то очевидно, что сетка может значительно снижать степень турбулентности потока.

По опытам ЦАГИ, сетка, поставленная перед входом в коллек­ тор, снижает степень турбулентности примерно в два раза.

В табл. 5.1 приведены значения интенсивности турбулентности е

Из приведенных в таблице результатов эксперимента можно сделать следующие выводы.

,1. С уменьшением размеров ячеек сетки, по крайней мере до

т= 0,56 мм, снижается степень турбулентности в рабочей части. Основываясь на ранее изложенной теории и результатах экспе­

риментов, можно ожидать, что такое снижение будет продол­ жаться до тех пор, пока коэффициент сопротивления сетки £ будет меньше 2—2,2.

2. Если эффективность детурбулизирующего действия сеток

определять величиной 1 ----- —, то можно видеть, что с увеличеео

136

нием начальной турбулентности е0 детурбулизирующее действие одной и той же сетки растет. Так, в трубе Т-23 одна сетка т —

Выбор сетки для трубы не ограничивается определением ее сопротивления. Существенное значение имеет конструкция сетки и качество изготовления ее. В результате экспериментального исследования было установлено, что некоторые сетки не только не выравнивали поток, но,- наоборот, делали его более неравномер­ ным. Такими оказались сетки, изготовленные из органических материалов (шерстяная ткань и кисея) и некоторые проволочные сетки.

Коллар [182] после тщательных исследований рекомендует пользоваться перфорированными цинковыми пластинами.

Для характеристики размеров отверстий в сетке обычно вводят величину коэффициента просвета а, равную отношению суммарной площади отверстий / к общей площади сетки F

У проволочной сетки с квадратными ячейками величина коэф­ фициента просвета а равна

где L — расстояние между центрами отверстий; D — диаметр отверстий.

На основании экспериментальных исследований [152], про­ веденных над сетками с проволочными ячейками и сетками из ли­ стового цинка, было установлено, что наилучшим образом вырав­ нивающие поток сетки (£ = 2) должны иметь следующие вели­ чины коэффициента просвета а — 0,48ч-0,554.

Хонейкомб, Выпрямляющие решетки, или хонейкомбы, отли­ чаются от сеток тем, что поперечные и продольные размеры ячеек хонейкомба довольно велики по сравнению с соответствующими

137