Несимметричное взаимодействие струи с полузамкнутой цилиндрической полостью (ПЦП)

4.2.2. Несимметричное взаимодействие струи с ПЦП

            Наличие углового (наклон ракеты, а, следовательно, и среза сопла) и линейного смещений оси сопла относительно оси ПЦП значительно усложняет картину течения в области между срезом канала и срезом сопла, а также в области между срезом ПЦП и зоной разворота струи. В области между срезом ПЦП и зоной разворота струи возникают перепады давлений между диаметрально противоположными точками на внутренней поверхности полости, которые приводят к появлению поперечных нагрузок P. Интегрирования давления по внутренней поверхности ПЦП позволяют определить величину P и точку приложения ее равнодействующей.

4.2.2.1. Несимметричное взаимодействие при параллельном

 смещении осей сопла и канала

Несимметричность взаимодействия (при существенном смещении относительно оси ПЦП) при затекании струи в ПЦП приводит к изменению условий течения вдоль противоположных образующих ПЦП, поэтому условия встречи сверхзвукового разворачивающегося потока со стенками ПЦП различаются как углом наклона, так и положением относительно среза полости (рис. 4.7). В результате на противоположных образующих ПЦП от среза сопла до зоны разворота потока устанавливаются различные значения статического давления: перепад давления на противоположных образующих сначала увеличивается (в зоне с неравномерным распределением давления – от среза ПЦП до зоны разворота потока внутри полости), а затем уменьшается и на некоторой глубине (в изобарической зоне) становится настолько малым, что его можно не учитывать. Перепад давления на противоположных образующих полости существенно зависит от уровней встречи сверхзвукового потока со стенками ПЦП, т.е. от протяженности зоны с неравномерным распределением давления вдоль противоположных образующих () – рис. 4.7.

 

								Равномерное распределение давления (изобарическая зона)

 

 

Интегрирование давления по внутренней поверхности ПЦП позволяет определить величину поперечной силы, ее направление и точку приложения равнодействующей.

Из сказанного выше следует, что нерасчетность на кромке сопла становится функцией угловой координаты j (рис. 4.8). Различные значения нерасчетности на кромке сопла приводят к образованию различных углов наклона границы и висячего скачка по отношению к оси сопла. Таким образом, форма границы струи и УВК становятся несимметричными. Точка пересечения скачков теперь не совпадает с геометрической осью сопла.

В случае нерегулярного отражения вследствие несимметричности взаимодействия струи с ПЦП маховский диск становится неортогональным оси сопла и располагается относительно этой оси несимметрично (рис. 4.8). Однако УВК затекающей струи близка по форме к структуре осесимметричной струи, что свидетельствует о малости величин перепада давлений на противоположных образующих.

Рассмотрим изменение продольной Q и поперечной P сил, действующих на

ПЦП, при параллельном смещении оси сопла относительно оси ПЦП.

В некотором диапазоне смещений сопла относительно оси ПЦП продольная сила Q постоянна, что свидетельствует о затекании всей струи в ПЦП (рис. 4.9(а)). Границы этого диапазона для заданных начальных параметров струйного течения определяются только соотношениями диаметров ПЦП и струи на уровне среза полости. При дальнейшем увеличении смещения наблюдается резкое уменьшение продольной силы, вследствие того, что часть периферийных слоев струйного течения не попадает в канал, а обтекает его по наружной поверхности, поэтому количество движения газового потока, поступающего в ПЦП и создающего продольную силу Q при взаимодействии с дном ПЦП, уменьшается.

Поперечная сила P, действующая на ПЦП, при отсутствии поперечного смещения осей сопла и полости равна нулю в силу симметричного взаимодействия (давление на противоположных образующих одинаковое) – см. рис. 4.10(а). При смещении сопла в сторону образующей ПЦП сила P растет и достигает максимального значения, соответствующего такому смещению, при котором граница затекающей струи касается образующей ПЦП. Рост силы P обуславливается увеличением разности расстояний встречи сверхзвукового потока с противоположными стенками образующими ПЦП (), что приводит к увеличению на них перепада давлений. При дальнейшем увеличении смещения за счет уменьшения притока массы газов (часть струи не попадает в ПЦП), а, значит, и количества движения, статическое давление в полости понижается, в результате чего уменьшается как продольная, так и поперечная нагрузки. В тот момент, когда струя полностью выходит из канала, продольная сила практически отсутствует. Поперечная сила при этом существует и определяется условиями внешнего обтекания. Величина этой силы незначительна и составляет 1¸1,5 % от тяги сопла.

		Рис. 4.9  Распределение относительной продольной силы

 

 

4.2.2.2. Несимметричное взаимодействие при наклоне сопла

Картина взаимодействия при наклоне сопла во многом подобна наблюдаемой при параллельном смещении осей, т.е. в общем случае затекающая струя утрачивает свойства осевой симметрии. Разворот потока внутри полости при наличии угла наклона сопровождается возникновением перепада уровней встречи сверхзвукового потока со стенками канала (рис. 4.11), что приводит к неравномерному распределению давления по противоположным образующим и появлению поперечной силы P. С увеличение угла наклона величина перепада уровней возрастает, следовательно, возрастает и поперечная нагрузка.

В реальных условиях функционирования стартовых систем имеет место наличие как углового, так и линейного смещений, что значительно усложняет картину течения при взаимодействии струи с ПЦП, в частности, нарушается симметричность графиков продольной и поперечных нагрузок (рис. 4.9(б), 4.10(б)).

ЛИТЕРАТУРА

1. Афанасьев Е.В. Структурно-элементное моделирование газодинамических процессов при старте ракет. Учеб. пособ. для ВУЗов ­­– СПб., 2004.