ОТРЫВ ПОТОКА ОТ СТЕНОК СОПЛА
В косом скачке, отходящем от линии турбулентного отрыва сверхзвукового потока, линии тока отклоняются от первоначального направления, параллельного стенке, на конечный угол вглубь основного потока (рис. 4.11). Тангенциальный разрыв между отклоненным потоком и газом находящимся у стенки, неустойчив и размывается в турбулентную область, которая представляет собой клин (в плоском случае). Угол при вершине клина * в случае несжимаемой жидкости равен 15 2° и для сжимаемой (табл. 4.16)
.
Рис. 4.11. Схема турбулентного отрыва сверхзвукового потока от стенки сопла:
1 – течение до отрыва; 2 – косой скачок, отходящий от точки отрыва; 3 – отклоненный поток; 4 – граница потенциального течения; 5 – турбулентная зона; 6 – действительное распределение давления на стенке; 7 – аппроксимация распределения давления.
Таблица 4.16
Угол клина
М | ||
к=1,4 | к=1,25 | |
0,92 0,78 0,68 0,58 | 0,94 0,83 0,73 0,62 |
Приближенно перепад давлений зависит линейно от числа М перед точкой отрыва: 1+0,5 М.
На основании изложенного последовательно рассчитываются следующие параметры: Мт — число Маха перед точкой отрыва; dT/d — место отрыва потока в сверхзвуковом сопле; РТ — тяга сопла при отрыве потока. В зоне свободной турбулентности, примыкающей к стенкам сопла, течение дозвуковое, градиенты давления относительно малы и давление приближенно равно давлению вокруг выходного среза. Следовательно, предполагается, что восстановление давления от рТ (перед точкой отрыва) до рН происходит полностью в косом скачке (см. рис. 4.11). Тогда имеем
;
;
.
Приближено
.
Условие безотрывного течения на протяжении всего сопла имеет вид da/d d /d для заданного ро/рН; условию запуска сопла соответствует равенство da=dT.
До момента запуска сопла на участок, ограниченный снизу по течению линией отрыва, а сверху - сечением, в котором давление равно наружному рН, действует сжимающий перепад давлений.
В момент запуска сопла линия отрыва потока совпадает с выходным срезом, а концевой участок находится под действием сжимающего перепада давлений
,
где роп — давление в двигателе при запуске сопла.
В действительности возрастание давления от рТ до р происходит не скачкообразно, а постепенно, на участке длиной около 10 , причем рост давления начинается еще до точки отрыва на расстоянии примерно 2,5 , и к точке отрыва давление достигает уровня 0,6 (р2 - )+ .
Если давление вокруг среза сопла превышает давление на срезе ( ), но еще не возник отрыв потока, то вблизи выходного среза сопла имеется зона с повышенным давлением, распределение которого описывается эмпирической формулой
.
Относительная длина возмущенной зоны зависит от степени нерасчетности и числа Маха на срезе сопла: , где К уменьшается с ростом Ма:К=6,3; 2,5 и 2 при Ма=2; 2,5; 3 и 3,5 соответственно.
Экспериментально установлено, что прирост давления при отрыве вблизи выходной кромки сопла меньше, чем в том случае, когда скачок находится достаточно глубоко в сопле. Это особенно заметно в случае сопел, имеющих параболический профиль с малыми углами наклона стенки вблизи среза к оси сопла (например, а=6,5°). В этом случае повышение давления описывается эмпирическим соотношением
,
где lт — расстояние от среза сопла до места отрыва.
По-видимому, в пределе ( ) 0 сопло параболического типа с большой степенью расширения не будет полностью омываться потоком до тех пор, пока давление на стенке сопла не достигнет противодавления.
В процессе холодных испытаний модели параболического сопла при увеличении и снижении давления в камере наблюдался гистерезис относительной высотной характеристики сопла (отношения тяги к идеальной пустотной тяге). Это связано с тем, что кроме отрыва потока с разомкнутой, сообщающейся с окружающей средой отрывной зоной (см. рис. 4.11) в параболических соплах с малыми углами наклона конечного участка контура к оси сопла возможно существование замкнутой кольцевой отрывной зоны, не сообщающейся с окружающей средой; после отрыва поток вновь присоединяется к стенке.
Кроме того, наблюдались нестационарные боковые усилия (из-за нарушения симметричности линии отрыва потока, расположенной в
глубине сопла), достигающие 4 % номинальной тяги при замкнутой
кольцевой отрывной зоне.
Звуковое течение в критическом сечении сопла с расширяющейся частью устанавливается при давлении окружающей среды р ,большем критического давления и при расход через сопло не зависит от рН. В области расход газа приближенно определяется с помощью формулы
.
Дата добавления: 2016-06-29; просмотров: 2566;