Рассмотрим заградительное охлаждение осесимметричных сопел Лаваля с адиабатическими стенками (рис. 5.15). В отличие от течения в плоском канале в сопле на эффективность завесы воздействуют сильный отрицательный градиент давления, сжимаемость потока (число Маха), скачки уплотнения на нерасчетных режимах течения.

Рис. 5.15. Распределение статического давления и равновесной
температуры стенки по длине сверхзвукового сопла:
1 – течение со скачками уплотнения; 2 – без скачков
Показано, что щелевой вдув воздуха в дозвуковую часть сопла не влияет на коэффициент восстановления температуры на стенке и на распределение статического давления, которые хорошо описываются теорией для одномерного изоэнтропического течения.
Равновесная температура
стенки  отличается
от температуры торможения потока
 отличается
от температуры торможения потока  вследствие
диссипации энергии в пограничном слое, что учитывается коэффициентом
восстановления температуры на стенке
 вследствие
диссипации энергии в пограничном слое, что учитывается коэффициентом
восстановления температуры на стенке  :
:
                .                
(5.88)
.                
(5.88)
Статическое давление соответствует расчету
       .         (5.89)
.         (5.89)
Эффективность газовой
завесы в сверхзвуковом осесимметричном сопле определяется из интегрального
соотношения энергии на теплоизолированной части стенки сопла ( )
)
                     (5.90)
                    (5.90)
и имеет вид
                           ,                           
(5.91)
,                           
(5.91)
где  – равновесная
температура стенки при течении без завесы.
– равновесная
температура стенки при течении без завесы.
Характерное изменение
эффективности завесы по длине сопла показано на рис. 5.16. Отчетливо
просматривается различный характер изменения  в до- и
сверхзвуковой областях. Замедление падения эффективности в сверхзвуковой части
объясняется влиянием сжимаемости потока, которое усиливается с ростом числа
Маха по длине сопла ( на выходе
 в до- и
сверхзвуковой областях. Замедление падения эффективности в сверхзвуковой части
объясняется влиянием сжимаемости потока, которое усиливается с ростом числа
Маха по длине сопла ( на выходе  ).
).
Опыты показали, что увеличение градиента скорости снижает эффективность завесы (рис. 5.17)
Получим соотношение для расчета эффективности газовой завесы в сверхзвуковом осесимметричном сопле.
В адиабатических условиях ( ) профиль
температуры 
в пограничном слое отличается от профиля температуры в условиях теплообмена.
Это приводит к изменению толщины потери энергии и соответственно числа
) профиль
температуры 
в пограничном слое отличается от профиля температуры в условиях теплообмена.
Это приводит к изменению толщины потери энергии и соответственно числа  в (5.91).
Число
 в (5.91).
Число  , построенное
по толщине потери энергии на адиабатической стенке, можно получить с помощью
соотношения
, построенное
по толщине потери энергии на адиабатической стенке, можно получить с помощью
соотношения
                            
 .                                (5.92)
.                                (5.92)

Рис. 5.16. Изменение эффективности завесы в дозвуковой
и сверхзвуковой областях сопла при разных параметрах вдува m

Рис. 5.17. Влияние градиента скорости на эффективность
завесы в соплах. Полууглы сужения равны 0°, 30°, 60°
Число  находим из
решения уравнения энергии для 
случая, когда существует теплообмен на стенке при условии
 находим из
решения уравнения энергии для 
случая, когда существует теплообмен на стенке при условии  . При этом
число Стентона
. При этом
число Стентона  в
уравнении энергии определяем с учетом влияния неизотермичности и сжимаемости
газа
 в
уравнении энергии определяем с учетом влияния неизотермичности и сжимаемости
газа
          .          
(5.93)
.          
(5.93)
В результате получаем
интерполяционную формулу для 
определения   числа  Рейнольдса   , 
рассчитанного  по толщине потери энергии на теплоизолированной стенке сопла при течении 
с завесой:
, 
рассчитанного  по толщине потери энергии на теплоизолированной стенке сопла при течении 
с завесой:

 .                     
(5.94)
.                     
(5.94)
На рис. 5.18 показано изменение толщины
потери энергии при наличии газовой завесы. Опыты сопоставляем с расчетом (5.94)
при  , что
соответствует условиям завесы на адиабатической стенке. Здесь же приводим расчет при
, что
соответствует условиям завесы на адиабатической стенке. Здесь же приводим расчет при  для
теплообмена при
 для
теплообмена при  .
Как видно, в адиабатических условиях толщина потери энергии нарастает
значительно интенсивнее, чем в условиях теплообмена, расчет с учетом
.
Как видно, в адиабатических условиях толщина потери энергии нарастает
значительно интенсивнее, чем в условиях теплообмена, расчет с учетом  удовлетворительно
описывает эксперимент.
 удовлетворительно
описывает эксперимент.

Рис. 5.18. Толщина потери энергии на адиабатической
стенке сопла с завесой
Окончательное выражение для эффективности завесы на теплоизолированной стенке при осесимметричном течении в сопле получаем из соотношений (5.91) и (5.94):

 .                    
(5.95)
.                    
(5.95)
Опыты с разными углами сужения в осесимметричных и плоском соплах удовлетворительно согласуются с (5.95). Это показано на рис. 5.19.

Рис. 5.19. Обобщение опытов в соплах Лаваля
Следует заметить, что использование для расчета эффективности газовой завесы в соплах Лаваля зависимости для пластины
 ,
,           ,          
(5.96)
,          
(5.96)
 , в которой значение
, в которой значение  определяется
по локальным параметрам потока (скорости
 определяется
по локальным параметрам потока (скорости  и плотности
 и плотности  газа в
рассматриваемом сечении сопла), не позволяет получить удовлетворительного обобщения
опытных данных. Наблюдается сильное расхождение (до 400 %) опытных данных с
расчетом (рис. 5.20)
 газа в
рассматриваемом сечении сопла), не позволяет получить удовлетворительного обобщения
опытных данных. Наблюдается сильное расхождение (до 400 %) опытных данных с
расчетом (рис. 5.20)

Рис. 5.20. Обработка опытов с использованием локальных значений
плотности и скорости
Таким образом, в градиентных
потоках эффективность завесы определяется не только начальными или текущими
значениями параметров потока, но и всей предысторией. Эту предысторию можно
учесть, если использовать интегральные соотношения пограничного слоя. Формула
(5.95) учитывает совместное влияние на  параметра
 параметра  ,
сжимаемости, градиента скорости.
,
сжимаемости, градиента скорости.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.