Особенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа

При решении поставленной задачи был использован описанный ранее [11-13] аэродинамический стенд с некоторыми отличиями в геометрических параметрах рабочего участка, режимных параметрах, в методе и методике измерений скорости потоков. Цилиндрическая часть ВК с прозрачными стенками толщиной 0,02м по-прежнему имела внутренний диаметр d₀ = 0,102м и длину l₀ = 0,635м, а также фиксируемый в различных положениях глухой торец. Завихрители же представляли собой сменные вставки с поясами из шести равномерно распределенных по периметру ВК впускных окон нормального к потоку прямоугольного сечения ab=0,0240,007м² каждое (вместо аналогичного пояса с размерами окна 0,0240,020м² [13] и одиночных сопел с нормальными сечениями 0,0410,025м² [11,12] ). Вставки поясов окон последовательно подключались к цилиндрической части ВК, удлиняя её, таким образом, на расстояние 0,034м, которое учитывалось. Пояса окон обеспечивали диапазон углов тангенциальности входа воздуха в ВК [12] = 10⁰ - 90⁰. Площадь суммарного проходного сечения поясов окон, отнесенная к проходному сечению цилиндрической части ВК, составляла = 0,123. Она равнялась соответствующему параметру испытанных ранее завихрителей в виде одиночных сопел [11, 12] для возможности сравнения картин течения в различных ВК, отличаясь, как видно, от = 0,352 уже испытанного варианта поясов окон [13]. Углы расположения больших сторон прямоугольного сечения окон относительно продольной оси ВК так же, как в [11,12], составляли -20⁰ 20⁰ против = 0⁰ в [13].

В соответствии с техническими возможностями аэродинамического стенда опыты проводились в диапазоне значений числа Рейнольдса,_, рассчитанных по величинам средней скорости воздуха во впускных окнах и их гидравлического диаметра, Re_c = 15000-30000 (в случае поясов окон прежнего варианта [13] Re_c =10000-27077).

Выбор одинакового значения эквивалентного (гидравлического) диаметра D_c для одиночных сопел и настоящего пояса окон с целью сопоставления результатов измерений распределения скоростей в потоках не представляется оправданным. Во-первых, структура течения, а значит, и природа аэродинамического сопротивления в полуограниченных струях для этих двух типов завихрителей существенно различны: в случае поясов окон поток в ВК и вторичные вихревые образования формируются в результате взаимодействия шести струй как с криволинейной стенкой, так и между собой в отличие от условий в камере с одиночным впускным соплом. Во-вторых, расчетные оценки показывают, что формальное выдерживание D_c = idem для сравниваемых случаев привело бы к совершенно различным форме и ориентации входных струй непосредственно после завихрителей: неравенство a>b для прямоугольных поперечных сечений струй за соплом превратилось бы в обратное b>a для пояса окон при a0,024м (по конструктивным соображениям обеспечить a>0,024м в завихрителях данной модели ВК невозможно), а диапазон варьирования осевых углов изменился бы с исследованного ранее [11-13] -20⁰ 20⁰на 70⁰ 110⁰. Таким образом, от «продольно-щелевых» (по отношению к поступательному потоку ВК) завихрителей мы перешли бы к «поперечно-щелевым», что составляет предмет отдельных исследований.

Относительная глубина тупиковой зоны камеры (между серединным сечением пояса окон и торцом ВК) варьировалась в диапазоне = = 1,8-6,39.

В данной работе проводились измерения осредненных по времени осевых и трансверсальных составляющих скорости в тупиковых областях ВК посредством Т-образного экранированного насадка скорости (ТЭНС), подключенного к спиртовому наклонному дифференциальному манометру. ТЭНС представляет собой модифицированный вариант Т-образного насадка, рекомендуемого в работах [14,15]. Конструкция ТЭНС обеспечивает нечувствительность его к скосам потока на 40⁰. При измерениях одной из составляющих скорости экран насадка, как бы выделяя в потоке соответствующую струйку, существенно снижает влияние остальных составляющих скорости на показания прибора. Естественно, отрицательное влияние экрана лишь проявляется на точности измерений осевых скоростей вблизи стенки ВК и трансверсальных скоростей вблизи её оси.

Результаты исследования

Данные измерений составляющих и скорости позволили считать картину среднего течения в тупиковой области ВК осесимметричной. На рис.1 и 2 представлены в безразмерном виде распределения величин указанных скоростей w*=/W и u*=/W в зависимости от относительных радиуса r*=r/r₀ и глубины z*=z/L тупиковой области (исключая зону пограничного слоя вдоль цилиндрической стенки). Здесь W - среднерасходная скорость в проточной части ВК; r - текущий радиус, r₀ =d₀ /2; z и L- соответственно продольная координата и расстояние от плоскости нормального по отношению к оси ВК сечения, проходящей через середину впускных окон, до глухого торца.

Анализ полей осевых скоростей (рис.1) показывает, что течению так же, как и в ВК с односторонним тангенциально-щелевым подводом газа [12], свойствен «торцевой эффект» - явление стационарного, регулярного течения к торцу и от него вращающихся и подвложенных друг в друга цилиндрических вихревых потоков. Однако кинематика тупиковых течений в камерах сравниваемых вариантов имеет существенное отличие: в настоящем случае отсутствует наиболее энергонесущий спиралеобразный, очень четко выраженный периферийный вихревой поток в сторону глухого торца [12]. Вместо него при 0,8r*1 преобладает течение от торца (кроме присопловой зоны в окрестности z*=0,13 при установке завихрителей с минимальной тангенциальностью ввода воздуха (=10⁰) независимо от числа Re_c в исследованном диапазоне изменения (см. рис. 1,д,е)).

Важно отметить расширение по радиусу зоны притока в направлении торца (z*0,85).

Поля трансверсальных скоростей (рис.2) в основном подтверждают данные стробоскопирования течения [13], но показывают наличие как минимум двух зон квазитвердотельного вращения воздуха при 0<r*0,8 в отличие от принятой в работах [16-18] одной такой зоны. Особого внимания заслуживает видимая на рис.2 г,д,е аномалия: это зоны противоположного вращения крупномасштабных вихревых структур при 0<r*<0,5, особенно вблизи торца (случай «д»). По-видимому, эта аномалия является следствием сложных сдвиговых взаимодействий между формирующимся обратным (от торца) вихревым потоком и трехмерным приторцевым пограничным слоем, а также периферийным цилиндрическим вращательно-поступательным потоком в направлении торца.

Рисунок 1 - Поля осевых скоростей в тупиковой области: а) =6,39; Rec =25554; =90 о; = 0о; б) =6,39; Rec =19940; = 90 о; = 0 о; в) =6,39; Rec =25554; =90 о; = -20 о; г) =1,98; Rec =25554; = 90 о; = +20 о; д) =6,39; Rec =25554; = 10 о; = 0 о;

е) =1,98; Rec =19940; = 10 о; =+20 о; - z*=0,13; -z*=0,54; - z*=0,85