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
вследствие
диссипации энергии в пограничном слое, что учитывается коэффициентом
восстановления температуры на стенке
:
.
(5.88)
Статическое давление соответствует расчету
. (5.89)
Эффективность газовой
завесы в сверхзвуковом осесимметричном сопле определяется из интегрального
соотношения энергии на теплоизолированной части стенки сопла ()
(5.90)
и имеет вид
,
(5.91)
где – 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
).
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
в (5.91).
Число
, построенное
по толщине потери энергии на адиабатической стенке, можно получить с помощью
соотношения
. (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
. При этом
число Стентона
в
уравнении энергии определяем с учетом влияния неизотермичности и сжимаемости
газа
.
(5.93)
В результате получаем
интерполяционную формулу для
определения числа Рейнольдса ,
рассчитанного по толщине потери энергии на теплоизолированной стенке сопла при течении
с завесой:
.
(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
для
теплообмена при
.
Как видно, в адиабатических условиях толщина потери энергии нарастает
значительно интенсивнее, чем в условиях теплообмена, расчет с учетом
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)
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)
, в которой значение
определяется
по локальным параметрам потока (скорости
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)
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
,
сжимаемости, градиента скорости.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.