2.2. Работа воздухозаборника при дозвуковой скорости полета

Характер работы воздухозаборника зависит от того, как соотносится скорость полета со скоростью потока во входном отверстии. Здесь возможны три случая, представленные на рис.15.

Н а рис. 15 «а» представлен случай, когда скорость набегающего потока V_н больше скорости потока во входном отверстии V_е. В этом случае линии тока входной струи образуют расширяющуюся воронку, при этом торможение потока происходит ещё до входа и заканчивается в нём.

Если скорость набегающего потока точно равна скорости потока во входном сечении, то поток входит в воздухозаборник без изменения формы и его торможение осуществляется полностью в воздухозаборнике. Это случай представлен на рис. 15 «б».

При скорости набегающего потока меньше скорости во входном сечении воздухозаборника, линии тока входной струи образуют сходящуюся воронку, поток при этом разгоняется, и торможение его осуществляется внутри воздухозаборника, уже при скорости большей, чем скорость набегающего потока. Этот случай представлен на рис. 15 «в».

Поскольку расход воздуха однозначно связан его скоростью, то очевидно, что в первом случае расход воздуха во входном сечении будет меньше, чем в подходящей к нему струйке; во втором случае расходы во входном сечении и подходящей струйке равны; в третьем случае расход во входном сечении будет больше расхода в подходящей струйке.

И зменяя размеры воздухозаборника, мы можем получить любой из трех вышеприведенных режимов течения, так как при постоянном расходе воздуха геометрия потока перед двигателем зависит лишь от величины входного отверстия воздухозаборника.

Д ля рабочего процесса двигателя выгодно, когда поток тормозится ещё перед воздухозаборником, поскольку в этом случае торможение происходит без каких-либо потерь, и сопротивление самого воздухозаборника будет снижаться вследствие снижения скорости потока на входе.

Однако следует учиты-вать, что кроме внутренних потерь необходимо учитывать лобовое сопротивление воздухозаборника. При растекании струи пред носком воздухозаборника, особенно если струя подходит под большим углом атаки, на внешней поверхности могут образовываться области срыва потока, что показано на рис.15.

С целью удовлетворения этих противоречивых требований, обычно отыскиваются некие оптимальные условия работы воздухозаборника. По опытным данным, для дозвукового воздухозаборника оптимальное значение скорости входящего во входное отверстие потока, исходя из максимального использования внешнего торможения, лежит вблизи режима

.

Исходя из компоновочных соображений, или из условий внешнего обтекания

2.3. Дозвуковой оптимальный воздухозаборник

Для преобразования кинетической энергии поступающего в воздухозаборник потока в давление с малыми потерями применяют диффузоры с криволинейными образующими. Это особенно важно для воздухозаборников с малой длиной входного устройства.

Наиболее простыми диффузорами с криволинейными образующими будут диффузоры с постоянным градиентом давления по длине диффузора и постоянным градиентом скорости потока по длине диффузора.

Потери в диффузоре будут минимальными, если, определить градиент давления , который не производит отрыва потока от стенок, а затем поддерживать его постоянным по длине диффузора. Чтобы спрофилировать такой диффузор нужно знать площадь сечения диффузора на входе F₁, площадь сечения диффузора на выходе F₂ и длину диффузора l.

Для получения соотношения, позволяющего определить изменение площади сечения диффузора по длине диффузора в этом случае, воспользуемся уравнением Бернулли, составленным для сечений Х – Х и 2 – 2 рисунка 15.

Имеем

. (42)

Разделим левую и правую часть выражения (42) на х и преобразуем, учитывая, что расход постоянен, заменяя отношение скоростей отношением площадей, имеем

. (43)

Уравнение (43) должно быть справедливо и для х = l.

Тогда имеем

. (44)

Из условия

левые части выражений (43) и (44) равны, поэтому равны и правые. В силу этого получим

. (45 )

Другим случаем оптимизации диффузора будет случай, когда по длине диффузора можно установить соответствующий градиент скорости потока и поддерживать его постоянным.

В случае выполнения условия

,

можно записать

Преобразуем полученное выражением, заменяя отношение скоростей отношением площадей

.

Получим из этого выражения соотношение для определения изменения площади сечения по длине диффузора

. (46)

На рис.15 представлены профили диффузоров с постоянным градиентом давления и постоянным градиентом скорости по длине диффузора.

Теоретически и экспериментально было установлено, что можно создать так называемый предотрывной диффузор, имеющий на начальном участке колоколообразную форму.

Форма стенки такого диффузора подбирается исходя из того, чтобы в каждой её точке состояние пограничного слоя было близким к отрывному (напряжение трения  = 0).

Расчет профиля проводится из условия сохранения массы и импульса при постоянном давлении в каждом поперечном сечении.

Выражение для профиля скорости имеет вид

,

где δ – толщина пограничного слоя; y – расстояние от оси диффузора до стенки; v_δ – скорость потока на границе пограничного слоя.

Для скорости v_δ толщина вытеснения δ^*= 0,333 δ, а толщина потери импульса δ^**= 0,167 δ.

С хема такого безотрывного диффузора показана на рис.18.

Колоколообразная форма диффузора будет на начальном участке, как показано на рис.18, там, где пограничный слой (δ – толщина пограничного слоя) не заполняет всё сечение канала.

Для расчета начального участка плоского предотрывного диффузора вводится безразмерное расстояние от начального сечения

,

где k – коэффициент, принимаемый для плоского диффузора значение k = 0,225; h_o – поперечное расстояние в начальном сечении; x – текущая координата.

Тогда скорость в ядре в долях от начальной скорости будет

,

где

,

ширина поперечного сечения

.

На основном участке предотрывного диффузора осуществляется течение со стабилизированным профилем скорости, поскольку здесь пограничный слой здесь заполняет всё поперечное сечение. Угол раскрытия канала на основном участке остается постоянным

α = 2 arctg k²,

для плоского диффузора при k = 0,225, α ≈ 6^о.

Для осесимметричного диффузора k = 0,325, и α ≈ 4^о.

Предотрывные диффузоры имеют значительно меньшую длину, чем безотрывные диффузоры с прямолинейной образующей.

И.Е. Идельчиком были проведены эксперименты по определению коэффициентов сопротивления у 5 различных диффузоров, имеющих следующие контуры – прямая, дуга окружности, контур соответствующий постоянному градиенту давления по длине диффузора, контуру соответствующему постоянному градиенту скорости и контуру, построенному по зависимости

>0, (47)

где - коэффициент давления, определяемый зависимостью

.

Наименьшее значение коэффициента сопротивления = 0,24 имели диффузоры с образующей соответствующей постоянному градиенту давления и постоянному градиенту скорости по длине образующей. Для диффузора, выполненного по зависимости (47) = 0,26, для диффузора с образующими выполненными по дуге окружности = 0,27, для диффузора с прямыми стенками = 0,32.

Таким образом, диффузоры с постоянными градиентами давления или скорости по длине имеют коэффициент сопротивления на 25% ниже, чем диффузоры с прямыми стенками.