Профили скоростей и дальнобойность струй

Рассмотрим сначала исследования профилей скорости и дальнобойности струй в достаточно простых условиях на экспериментальной установке, показанной на рис. 9.2.

 

Рис. 9.2.

 

Рабочая часть установки состоит из модельной камеры ГРД (1) с имитатором заряда (2), диаметр которого менялся в проведенной серии экспериментов. К камере сгорания пристыковывалась камера дожигания, противоположный конец оснащался соплами с различными диаметрами критического сечения. В качестве рабочего тела использовался воздух (Т = 265…280 К; κ = 1,4) при числах Рейнольдса в канале заряда Re_к = (1,6…2,4)×10⁶ и в камере дожигания Re_кд = 4,2×10⁵…3,1×10⁶. Дополнительный воздух вдувался в начале камеры дожигания через четыре отверстия. По длине камеры дожигания в сечениях I, II и III измерялись поля полного и статического давления по сечению в следе струи вдуваемого воздуха; одновременно аналогичные измерения проводились между струями.

Исследование динамической структуры струи, втекающей вдоль оси камеры дожигания, показало, что вид профилей скоростей (рис. 9.3), представленный в безразмерных координатах , не зависит от абсолютного значения скорости истекающей струи u ₀ при постоянной геометрии камеры дожигания. Этот результат находится в соответствии с исследованиями, описанными в работах [9.1, 9.2]. Кроме того, там же показано, что профиль скорости на основном участке универсален и практически совпадает с профилем скорости на основном участке затопленной струи:

. где u ₀ – скорость истечения струи из канала

Эта зависимость справедлива до сечения, в котором пристеночный слой достигает точки, где y = y _0,5.

 

Рис. 9.3.

 

Профили скоростей при вдуве через боковые отверстия (имитация подвода дополнительного окислителя) и различных диаметрах канала (имитация подвода разгара заряда) показаны на рис. 9.4 а,б. В верхней части рис. 9.4 а приведены профили скоростей, образующиеся в следе за струей дополнительного окислителя, а в нижней части – профили в межструйной области. Обозначения к рис. 9.4 даны в таблице 9.1.

 

Рис. 9.4.

 

При очень малых скоростях вдува струя, вытекающая из бокового отверстия, начинает стелиться вдоль стенки камеры в направлении основного потока , причем зона отрицательных скоростей может сохраняться при достаточно малых диаметрах канала заряда. С увеличением скорости вдуваемой струи область пристеночных положительных скоростей в следе за струей уменьшается, затем появляется зона обратных токов, которая увеличивается с увеличением дальнобойности струи, что объясняется экранирующим влиянием основной массы струи. Дальнобойность струи определялась или по максимальной разности скоростей при наложении профилей скорости со вдувом и без вдува, или по максимальному значению скорости в сечении.

Как показывают эксперименты, зона рециркуляции (длиной l _р), образующаяся при вдуве струи из канала заряда в более широкую камеру сгорания, представляет собой область с переменной скоростью по длине и толщине этой зоны. Максимальная скорость обратного течения достигается примерно в центре зоны рециркуляции (при х = 0,5 l _р, где l _р  – длина зоны рециркуляции), а затем плавно уменьшается до нуля по обеим сторонам от середины зоны обратных токов. Наибольшее значение скорости в зоне обратных токов 0,25 u ₀, где u ₀ – скорость истечения струи из канала.

Если границы струи прямолинейны, то в этом случае длину зоны рециркуляции можно приближенно определить так:

,

где R – радиус камеры дожигания;

r – радиус канала заряда;

с – константа турбулентности, определяющая скорость нарастания толщины струи.

Если предположить, что скорость в зоне обратных токов уменьшается линейно от середины к ее границам, то, используя эмпирическую формулу для дальнобойности, предложенную в работе [9.3] с поправкой на взаимное влияние струй, можно получить приближенные формулы для определения дальнобойности боковой струи и подачи дополнительного окислителя:

                                                              

при :

;                                                            

при .

Эти зависимости справедливы, если струи развиваются в зоне обратных токов, т.е. при .

Если струя попадает в основной поток, то , и в этом случае будет справедлива формула:

 ,

где  – эмпирическая константа, зависящая от относительного шага между отверстиями, через которые вдувается дополнительный окислитель;

х _вд – расстояние от торца заряда до места вдува струй в камеру дожигания;

 – диаметр, скорость и плотность струи, втекающей из бокового отверстия в сносящий поток, соответственно;

 – объемные расходы воздуха, втекающие через вторичный и основной контуры.