Процессы взаимодействия неизобарической турбулентной струи с полузамкнутой цилиндрической полостью, страница 2

          Максимальные газодинамические нагрузки возникают в том случае, когда оси сопла и полости лежат в одной плоскости, при этом Q_max=1,6R, так как в предельном случае , т.е.  . Большое влияние на уровень нагружения ПЦП оказывает параметр n. Наиболее опасный случай соответствует полному затеканию струи в полость в пределах ее первой ударно-волновой конфигурации (УВК). Значение n при этом для широкого спектра струйных течений находится в диапазоне от 1,3 до 2,5.

Процесс взаимодействия определяется следующими элементами (рис. 4.3):

– встречно-струйным течением (обратным кольцевым потоком или обратным деформированным потоком) в зазоре «сопло – ПЦП»;

– внутренним встречно-струйным течением от зоны завершения разворота втекающей струи до среза полости (зона неравномерного распределения давления, в которой давление повышается от начального значения в районе среза ПЦП до давления в изобарической зоне);

– слабовыраженным вихревым  течением  в области, ограниченной разворотом струи и днищем канала (изобарическая зона, давление вдоль этой зоны постоянное и имеет максимальное значение).

При уменьшении n на определенных удалениях сопла от среза ПЦП (точка отражения скачков уплотнения от оси струи расположена в области верхнего среза полости) квазистационарный режим взаимодействия становится неустойчивым и появляется автоколебательный режим. Наибольшая амплитуда колебаний давления в полости наблюдается при соосном расположении сопла и полости.

Отметим, что отражение скачков уплотнения от оси струи бывает регулярное (точка отражения скачков находится на оси струи) и нерегулярное. При нерегулярном отражении появляется маховский диск, течение за которым становится дозвуковым, так как его можно считать прямым скачком (за прямым скачком течение всегда становится дозвуковым).

В режиме автоколебаний происходит периодическая перестройка УВК – рис. 4.4. Наиболее интенсивное взаимодействие струи с ПЦП происходит, когда расстояние между соплом и полостью находятся в пределах первой УВК, значительно – в пределах  второй УВК. Газодинамические  процессы, происходящие в первой УВК, являются определяющими для процессов, происходящих в последующих зонах.

 

При установившихся колебаниях происходит последовательная смена фазы сжатия (давление повышается от минимального до максимального) фазой разрежения (давление изменяется от максимального до минимального). При смене фаз маховский диск первой УВК (обычно отражение висячего скачка от оси струи нерегулярное) совершает последовательные вертикальные перемещения: от среза ПЦП к срезу сопла и обратно (на рис. 4.4 перемещения маховского диска – ) вследствие периодической смены параметров взаимодействия струи с ПЦП. Одновременно с перемещениями диска Маха струя то затекает в ПЦП (маховский диск опускается к срезу), накачивая его газом (фаза сжатия), то истекает снаружи ПЦП (маховский диск поднимается к срезу сопла) вследствие опорожнения полости накаченным на предыдущей фазе газом (фаза разрежения).

В зависимости от состояния определяющих факторов могут появляться три автоколебательных режима в системе «струя – ПЦП». Два из них являются низкочастотными, обозначаемыми как НЧ1 и НЧ2, и один высокочастотный, обозначаемый как ВЧ.

Оба низкочастотных режима характеризуются примерно одинаковым периодом колебаний. Максимальные величины давлений у дна ПЦП в том и другом режимах являются также примерно одинаковыми, если начальные параметры струи сохраняются постоянными. Различия между режимами НЧ1 и НЧ2 проявляются в значениях минимума давления в ПЦП. В режиме НЧ1 минимальное давление заметно выше атмосферного, при режиме НЧ2 оно близко к атмосферному и может оказаться при некоторых условиях ниже давления окружающей среды. Режимы НЧ1 и НЧ2 реализуются при различных положениях УВК втекающей струи относительно входного сечения канала. Все эти отличительные особенности низкочастотных режимов поясняются с помощью схем и кривых на рис. 4.4, где показаны характерные изменения давления на дне канала в период колебаний, а также положения УВК свободных струй по отношению к ПЦП. Режим НЧ1 возникает на расстояниях ПЦП более близких к соплу, чем возникает режим НЧ2. Амплитуда же колебаний при режиме НЧ2 значительно больше амплитуд колебаний в режиме НЧ1. Различия свидетельствуют о том, что давления в волнах сжатия примерно одинаковы (максимальные значения давления одинаковы) в автоколебательных процессах, а интенсивность волн разрежения существенно различна. Максимальная скорость истечения газов из цилиндрической полости в фазах разрежения для НЧ1 является всегда дозвуковой и достигает скорости звука при реализации режима НЧ2.

Режим ВЧ обнаружен экспериментально, при этом было установлено, что он является устойчивым лишь на вполне определенных фиксированных расстояниях сопла от ПЦП. При небольших изменениях этих расстояний режим ВЧ исчезает, уступая место режиму НЧ1. Максимальные давления в режиме ВЧ совпадают с максимальными давлениями в режимах НЧ1 и НЧ2. Уровень минимального давления в режимах ВЧ оказывается заметно выше минимальных давлений в режимах НЧ1. Соответствующие схемы и кривые, поясняющие режим ВЧ, приведены на рис. 4.4 (в).

Во всех трех режимах наблюдается постепенное, от одного цикла колебаний к другому, повышение температуры газа в донной области ПЦП. Увеличение тепловой энергии объясняется работой сил продольной вязкости, которые действуют во фронтах волн сжатия, совершая при движении волн работу над газом, преобразующуюся в тепло.

Отметим, что вязкость представляет собой свойство жидкости (газа) сопротивляться сдвигу ее слоев. Это свойство проявляется в том, что в жидкости при определенных условиях возникают касательные напряжения, обусловленные межмолекулярным взаимодействием молекул. Вязкость газов с ростом температуры увеличивается, так как в газах вязкость обусловлена, глав­ным образом, беспорядочным тепловым движением молекул, интенсивность ко­торого увеличивается с ростом температуры.