3.2.3. Диффузоры со смешанным сжатием

В диффузоре со смешанным сжатием торможение потока осуществляется в два этапа. Вначале за счет внешнего сжатия либо в системе скачков, либо изоэнтропически поток тормозится до относительно небольшой сверхзвуковой скорости на входе, а затем торможение потока происходит за счет внутреннего сжатия в специально спрофилированной суживающейся части внутреннего канала, аналогично торможению в диффузоре с внутренним сжатием.

Поскольку требуемый угол поворота потока в скачках внешнего сжатия при этом будет меньше чем, в скачках при чисто внешнем сжатии, то внешнее сопротивление также будет меньше.

Схема течения в диффузоре со смешанным сжатием показана на рис.30.

Рис. 30. Схема течения в диффузоре со смешанным сжатием

Торможение потока во внутреннем канале диффузора со смешанным сжатием обычно происходит в системе отраженных скачков. В связи с тем, что сверхзвуковая скорость на входе во внутренний канал будет небольшой, то для внутреннего канала существуют те же ограничения по запуску, что и воздухозаборника с внутренним сжатием.

В отличие от диффузоров с внутренним сжатием, в диффузорах со смешанным сжатием вследствие небольших значений чисел М на входе для обеспечения запуска требуется относительно небольшое перерасширение горла, что не вызывает больших потерь полного давления. При перерасширенном горле поток в сечении 3 – 3 остается сверхзвуковым. В расширяющейся части канала за горлом после предварительного разгона и при наличии соответствующего противодавления поток преобразуется в дозвуковой в скачке уплотнения, близком к прямому.

По рабочим характеристикам такие диффузоры занимают промежуточное положение между диффузорами с внешним и внутренним сжатием.

Воздухозаборники смешанного сжатия конструктивно несколько проще, а характеристики их в случае незапуска ухудшаются не столь значительно, как при внутреннем сжатии, чем обеспечивается большая безопасность их применения в условиях эксплуатации. Их применение целесообразно на маломаневренных самолетах, имеющих большие расчетные числа Маха полета (М = 2,7 – 3 и более).

Сжатие во внутреннем канале этих воздухозаборников осуществляется в большом числе скачков и при малом отклонении потока от осевого направления, что позволяет получить при Числах Маха М > 2 существенный выигрыш в коэффициенте восстановления полного давления. Однако такие воздухозаборники требуют отсасывания с поверхности торможения и из области горла значительного количества воздуха (до 5-10%). На числах Маха полета, меньших 2, они начинают работать как воздухозаборники внешнего сжатия.

3.2.4. Воздухозаборники с изоэнтропическим сжатием

Теоретически увеличение числа скачков в диффузорах с внешним сжатием позволяет в пределе получить непрерывное изоэнтропическое торможение сверхзвукового потока. В этом случае при обтекании специально спрофилированного центрального тела с непрерывно изменяющейся кривизной возникают волны сжатия, в которых потери практически отсутствуют. Схема такого диффузора приведена на рис.31.

У реальных диффузоров с внешним изоэнтропическим сжатием вследствие ряда ограничений процесс сжатия обычно всё же завершается скачком уплотнения. Поэтому и у таких диффузоров суммарный коэффициент восстановления давления получается меньше единицы и немного снижается с ростом скорости полета.

У этих диффузоров на поверхности центрального тела возникают значительные отрицательные градиенты давления, поэтому они весьма чувствительны к влиянию пограничного слоя. Становятся существенными и другие ограничения, обусловленные чувствительностью таких диффузоров к влиянию угла атаки, а также большой величиной сопротивления, присущей большим выпуклым углам на центральном теле, необходимым для выпрямления потока, особенно при больших числах М.

На практике при больших числах М полета изоэнтропические диффузоры с внешним сжатием обычно применяются для предварительного торможения потока перед горлом до чисел М порядка 1,5 и выше. В этом случае внутренний канал профилируется как у диффузора с внутренним сжатием для чисел М предварительного торможения.

Проведенные исследования показали, что действительные величины суммарного коэффициента восстановления давления реальных диффузоров с внешним изоэнтропическим сжатием при больших числах М полета значительно ниже теоретических. Так, при числе М = 4 реальный суммарный коэффициент восстановления давления на 30% ниже расчетного. Это связано с тем, что в расчетах потери давления учитываются не точно, а возможно некоторая их часть не учитывается совсем.

Возможными источниками потерь давления в этих диффузорах являются:

- потери на трение;

- потери вследствие вытеснения пограничного слоя на криволинейной поверхности центрального тела;

- потери вследствие неоднородности потока на входе в дозвуковую часть диффузора;

- потери, возникающие из-за неустановившегося характера течения;

- потери на смешение, возникающие вследствие неравномерности потока в месте расположения скачка уплотнения, близкого к прямому;

- потери вследствие согласования внутреннего и внешнего потоков.

Рассмотрим несколько подробнее эти виды потерь, поскольку понимание природы потерь может помочь в улучшении конструкции диффузоров.

Потери вследствие трения. Из теории следует, что относительная величина потерь полного давления на трение возрастает примерно пропорционально квадрату числа Маха на поверхности. Однако числовые расчеты показали, что при числе Маха, равном 4, потери полного давления вследствие терния составляют всего лишь несколько процентов.

Потери давления вследствие вытеснения пограничного слоя на поверхности центрального тела. Совершенно ясно, что если поправки на пограничный слой сделаны неправильно, то поток не будет соответствовать требованиям изоэнтропичности. Конечно, если на криволинейных поверхностях происходит отрыв потока, то изоэнтропическое центральное тело практически будет работать как коническое центральное тело или тело постоянного давления с соответственно большими потерями давления. Однако проведенные эксперименты оказались не успешными, так как не было установлено – является ли оптимальным количество отсасываемого воздуха эффективной поверхности центрального тела.

Потери, возникающие из-за неоднородности потока на входе в дозвуковой участок диффузора. Изоэнтропические диффузоры с центральным телом обычно имеют большую кривизну вблизи критического сечения по сравнению с другими диффузорами, поэтому в них более трудно создать однородный поток перед входом в его дозвуковую часть при оптимальном размещении прямого скачка уплотнения (который в действительности представляет собой слож8ную систему ударных волн). Изоэнтропические центральные тела при больших числах Маха обычно применяются для того, чтобы затормозить поток перед горлом только до чисел Маха около 1,5 или выше. При этих числах Маха повышение давления в прямом скачке обычно достаточно велико для того, чтобы вызвать отрыв турбулентного пограничного слоя. Возникающие при этом возмущения дозвукового потока за скачком при большой кривизне поверхности вблизи горла легко могут привести к недостаточному восстановлению давления. На боковых воздухозаборниках при М = 2 наблюдалось уменьшение отношения давлений примерно на 20% вследствие влияния первоначального пограничного слоя, нарастающего перед входным отверстием. Вместе с тем, возможно, что возникающие в этом случае возмущения не больше тех, которые наблюдаются в окрестности горла обычных изоэнтропических воздухозаборников, рассчитанных для больших чисел Маха.

Потери вследствие неустановившегося характера течения. Максимальная величина восстановления давления обычно зависит от места расположения прямого скачка уплотнения и от того, насколько точно выдерживается величина расхода, соответствующая максимальному восстановлению давления. Если происходит колебание потока с малой переменной амплитудой, то осредненное по времени относительное восстановление давления должно соответственно уменьшаться. Было показано, что осредненное по времени максимальное восстановление давления в потоке при наличии колебаний уменьшается по сравнению с его значением в установившемся потоке примерно на половину амплитуды неустановившихся колебаний давления.

Потери на смешение, возникающие вследствие неравномерности потока в месте расположения скачка уплотнения близкого к прямому.

Такой вид возможных потерь обычно редко учитываются при расчете диффузоров.

Если в окрестности критического сечения диффузора число Маха и статическое давление изменяются, то скачок, располагающийся в окрестности этого сечения (близкий к прямому) создает сложную картину ударных волн и вызывает потери на смешение.

Для оценки этих потерь, предположим, что в одномерном канале при отсутствии трения поток в сечении 1 обладает постоянным по сечению полным давлением, в то время как статическое давление и число Маха переменны (рис.32). Этот поток приходит в сечение 2 с р авномерными по сечению значениями числа Маха, полного и статического давления. Положив = y/Y, можно записать уравнения сохранения массы и количества движения в следующем виде

Если подставить в эти уравнения распределение чисел Маха, соответствующее сечению 1, то для неизвестных р_о2/р_о1 и М₂ получатся два уравнения. В общем случае эта система имеет два решения. Если М₂ имеет сверхзвуковое значение, то величина р_о2/р_о1 представит собой потери на смешение в сверхзвуковом потоке до образования ударной волны, которая расположится далее вниз по потоку при значении числа Маха, равном М₂. Тогда полная величина потерь будет определяться произведением р_о2/р_о1 и величины отношения давлений торможения в прямом скачке. Второе решение непосредственно дает это окончательное отношение давлений при данном числе Маха за прямым скачком уплотнения. Таким образом, суммарные потери, состоящие из потерь в ударной волне и потерь на смешение, не зависят от последовательности этих процессов.

В частном случае для воздуха (k = 1,4), и когда число Маха линейно изменяется по сечению 1 от М_А до М_В, уравнения () принимают вид

(47*)

В таблице 2 приведены результаты расчетов, проведенных на основании уравнений (47*).

Таблица 2

Начальное значение числа Маха в канале		Отношение полных давлений
МА	МВ	Относительные потери на смешение	Относительные потери в прямом скачке	Полные потери	Потери в прямом скачке при среднем значении числа Маха
1,5 1,5 3,0	2,0 3,0 3,5	0,988 0,892 -	0,842 0,691 -	0,832 0,617 0,268	0,835 0,6055 0,2645

Потери на смешение и потери в прямом скачке очень близки к потерям в прямом скачке при среднем значении числа Маха. Однако эти потери всё же могут быть большими, что указывает на желательность уменьшения среднего числа Маха и градиента числа Маха перед тем, как поток пройдет через ударную волну, до возможно малого значения.

Потери вследствие согласования внутреннего и внешнего потоков. Теоретически было установлено ограничение по величине восстановления давления для диффузоров с внешним изоэнтро-пическим сжатием.

Изоэнтропическое центральное тело обычно рассчитывается так, чтобы волны Маха, идущие от криволинейного центрального тела, сходились в некоторой точке (фокусе), создавая сильную ударную волну во внешнем потоке. Линия разрыва касательной составляющей скорости, которая идет вниз по потоку от этого фокуса и на которой сопрягаются внешнее и внутреннее течения, является линией равных статических давлений и одинаковых направлений скорости в обеих областях потока.

Наибольшее возможное значение статического давления во внешнем потоке создается прямым скачком. Следовательно, максимальное увеличение статического давления при изоэнтропическом сжатии в системе волн Маха во внутреннем течении должно иметь то же самое значение. Наличие отраженной от фокуса волны разряжения не может сколь-нибудь существенно ослабить данное ограничение, потому что это расширение увеличивает угол потока на линии разрыва и способствует отсоединению или перемещению вперед сильной ударной волны.

Таблица 3

Число Маха потока	2,15	2,50	3,00	3,50	4,00
Минимальное число Маха при изоэнтропическом торможении	1,00	1,19	1,48	1,76	2,03
Относительное восстановление полного давления	1,00	0,99	0,94	0,83	0,71

В таблице 3 приведены минимальные значения чисел Маха, при которых возможно изоэнтропическое торможение и соответствующие им максимальные величины восстановления полного давления. Данные величины восстановления давлений соответствуют характеру изменения максимальных значений этих величин, полученных в экспериментах. А это указывает на то, что для существенного улучшения характеристик современных изоэнтропических диффузоров должны быть изменены сами принципы их построения.