Влияние пограничного слоя на теплообмен в ферменном отсеке со стенками одинаковой высоты

Участок задней стенки ферменного отсека вблизи точки натекания разделяющей линии тока является зоной повышенного теплообмена вследствие большого давления, соответствующего давлению за прямым скачком, и максимальной по выемке температуры торможения.

Как отмечалось выше, при наличии пограничного слоя конечной толщины перед точкой отрыва, относительная скорость на разделяющей линии тока возрастает по длине выемки и вблизи задней стенки достигает значения 0,4 [6].

=0,4

Для того чтобы провести осреднение температуры торможения потока, затекающего в ферменный отсек, нужно определить высоту r, на которой скорость составляет 0,4 от скорости внешнего невозмущенного потока для турбулентного и ламинарного течения и вычислить среднюю температуру на высоте пограничного слоя от 0 до высоты r. Воспользуемся соотношением из 2.3

Температура торможения при этом в соответствии с (25)

При этом средняя температура по высоте r определится в соответствии с формулой (

Процесс теплообмена внутри ферменного отсека, ниже разделяющей линии тока, будет определяться среднемассовой температурой в выемке при осреднении температуры по пограничному слою, ниже разделяющей линии тока .

Теплообмен в точке растекания на задней стенке ферменного отсека будет определяться температурой торможения на разделяющей линии тока Т_0R.

Коэффициент теплообмена на элементах конструкции внутри ферменного отсека в предположении, что вихревое течение является турбулентным и имеет звуковую скорость.

Число Рейнольдса зависит от размера конструктивного элемента X_эфф (в качестве характерного размера использовать половину ширины конструктивного элемента). Плотность r* и вязкость m* являются функциями определяющей температуры Эккерта Т_опр* средней ниже разделяющей линии тока.

В зоне натекания разделяющей линии тока на заднюю стенку ферменного отсека коэффициент теплообмена при условии турбулентной структуры течения.Число Рейнольдса зависит от размера X_эфф (в качестве характерного размера использовать величину отхода ударной волны перед препятствием. Плотность r* и вязкость m* являются функциями определяющей температуры Эккерта Т_опрR на разделяющей линии тока.

3.5. Влияние пограничного слоя на теплообмен в ферменных отсеках в компоновках с боковыми блоками -выемка с завышенной задней стенкой (h≤D/6).

В разделе 2.4 подробно описана структура течения и метод расчета давлений в ферменном отсеке с боковыми блоками двух конфигураций: прижатые и скругленные.

Максимальная температура торможения воздушного потока в ферменном отсеке с прижатыми боковыми блоками на поверхности стержней фермы вблизи боковых блоков может соответствовать температуре торможения в высоконапорной струйке Т₀*. Но внутри ферменного отсека максимальная температура не превысит температуры, определенной для отрывной зоны перед боковыми блоками Т_отр*, определяемой по формуле (34).

На рисунке 3.5.1 представлены результаты расчетов и измерений температуры в высоконапорной струйке тока и в ферменном отсеке для многоблочной компоновки со скругленными боковыми блокам и с высотой от поверхности центрального блока до точки растекания, примерно соответствующей высоте расположения точки скругления боковых блоков около 0,2 м. Расхождения в расчетных и измеренных температурах объясняются инерционностью (или массивностью) датчиков температуры среды, которые в условиях малой плотности воздушного потока при числах Маха более 4,5 больше охлаждаются через сечение электродов посредством теплопроводности, чем нагреваются воздушным потоком.

Показано, что верхним пределом температуры торможения, который может реализоваться на стрежнях фермы непосредственно в зоне действия высоконапорной струйки тока, является Т₀* по формулам (26)-(33). Для температуры среды в отсеке можно воспользоваться Т_отр* по формуле (34).

На рисунке 3.5.2 представлены различные температуры внутри отрывной зоны, образовавшейся перед препятствием на компоновке меньшей высотой участка, перпендикулярного потоку, h=0,15 м (то есть с более прижатыми боковыми блоками).

Для определения коэффициента теплообмена на стрежне в зоне действия высоконапорной струйки тока следует воспользоваться формулами из раздела 3.4 и температурой торможения в зоне действия высоконапорной струйки Т₀*, а в качестве характерного размера использовать половину ширины стержня фермы.

Для определения параметров теплообмена на любом элементе, расположенном внутри ферменного отсека следует воспользоваться формулами из раздела 3.4, температурой торможения в отсеке Т_отр*, а в качестве характерного размера использовать половину ширины конструктивного элемента.

Рис.3.5.1. Температуры в отрывной зоне внутри ферменного отсека: результаты расчетов и измерений (компоновка со скругленными боковыми блоками)

Рис. 3.5.2. Результаты расчетов и измерений температуры торможения в различных частях ферменного отсека при наличии боковых блоков (компоновка с прижатыми блоками).

Глава 4. Особенности теплообмена в зонах отрыва, расположенных перед боковыми блоками многоблочных компоновок.

Второй вариант многоблочной компоновки, когда диаметры центрального и боковых блоков близки, представляет собой пример наиболее теплонапряженной компоновки. Идея прижатия конических носков боковых блоков к центральному блоку приводит к значительному удлинению носовых обтекателей. Такая громоздкая компоновка носков боковых блоков совершенно неприемлема для схемы с первоначальным отделением боковых блоков от центрального после того, как топливо в них израсходовано.

В настоящее время, для выведения полезной нагрузки в широком весовом диапазоне проектируются ракеты тяжелого и среднего класса, первая и вторая ступень которых состоит из универсальных модулей. Рассматриваются варианты компоновки с двумя и четырьмя универсальными модулями – боковыми блоками второй ступени вокруг центрального модуля, являющегося первой ступенью. Такая компоновка обуславливает сложный характер обтекания ЛА воздушным потоком в процессе выведения. При сверхзвуковых скоростях полета картина течения носит сложный трёхмерный нестационарный характер с возникновением и интерференцией скачков уплотнения, появлением зон с отрывом и присоединением потока, течением в щелевых каналах между боковыми и центральным блоками. Теплообмен на поверхности ЛА при таком обтекании характеризуются значительными по площади областями усиленного нагрева, а так же появлением зон пиковых тепловых нагрузок, на порядки превосходящих нагрузки в невозмущенной области.

Решению задачи о расчете величин тепловых потоков к конкретным элементам конструкции предшествует построение распределения по поверхности всех необходимых параметров течения (давление, температура, скорость) в каждый момент времени по траектории полета, что возможно только при понимании общей картины сверхзвукового обтекания ЛА. Для установления особенностей структуры течения и определения параметров теплообмена широко применяются методы экспериментальной аэродинамики. Учитывая сложность ЛА многоблочной компоновки и широкий диапазон параметров набегающего потока по траектории, требуется проведение большого количества испытаний моделей в аэродинамических трубах. Подробно вопросы теплообмена ЛА с многоблочной компоновкой описаны в курсе лекции «Перспективные методики расчета средств выведения» [1]. В настоящем разделе будут рассмотрены кратко экспериментально обоснованные методы расчета параметров теплообмена в высоконапорной струе потока, а также в отрывной зоне, расположенной вверх по потоку.

Дата добавления: 2014-01-07