Пространственные гиперзвуковые течения вязкого газа - Башкин В.А.
ISBN 5-02-015563-2
Скачать (прямая ссылка):
Указанный выше подход сохраняет свою силу при до-, транс- и умеренных сверхзвуковых скоростях полета. С увеличением сверхзвуковой скорости полета, с одной стороны, уменьшается область возмущенного течения около обтекаемого тела, а с другой стороны, возрастает толщина пограничного слоя, образующегося на поверхности тела. Из-за чего при больших сверхзвуковых скоростях полета вязко-невязкое взаимодействие становится эффектом порядка единицы и, следовательно, классическая постановка задачи становится некорректной. Поэтому для исследования поля возмущенного течения и аэродинамических характеристик тел при больших сверхзвуковых скоростях была разработана специальная теория гиперзвуковых течений.
При изучении гиперзвуковых течений обычно выделяют два типа явлений: газодинамические и термодинамические. Газодинамические явления связаны с особенностями структуры поля течения и закономерностями теплообмена, обусловленными гиперзвуковыми скоростями движения, в рамках модели совершенного газа. Термодинамические явления связаны с высокими температурами, наблюдаемыми в поле возмущенного течения и обусловливающими проявление эффектов реального газа (зависимость теплофизических свойств движу-
12
ВВЕДЕНИЕ
щейся среды от температуры и давления, протекание термохимических реакций и т. д.). Эти два типа явлений обычно проявляются совместно, но в определенной степени их можно изучать раздельно.
Газодинамические явления играют особо важную роль для тонких заостренных тел при малых углах атаки в силу следующих причин. Во-первых, учет вязко-невязкого взаимодействия качественно меняет структуру поля течения. Так, например, для конических тел при отсутствии взаимодействия развитие пограничного слоя происходит при нулевом градиенте давления в продольном направлении. При наличии взаимодействия появляется продольный градиент давления, т. е. имеем качественное изменение структуры поля течения, а отсюда и сильное влияние вязко-невязкого взаимодействия на аэродинамические характеристики тела. Во-вторых, в основной части поля возмущенного течения имеет место относительно низкий уровень температуры, поэтому эффекты реального газа оказывают сравнительно слабое влияние на поле течения и аэродинамические характеристики тела.
Термодинамические явления существенны при обтекании сильно затупленных тел (R/L = 0(1), где R — радиус затупления, L — характерный размер тела), для которых учет вязко-невязкого взаимодействия не меняет с качественной стороны структуру поля течения и в основной части поля возмущенного течения наблюдается высокий уровень температуры. При исследовании аэродинамических характеристик таких тел необходимо учитывать эффекты реального газа, которые, в частности, оказывают заметное влияние на размеры поля возмущенного течения.
Развитие авиационно-космической летательной техники содействовало интенсивной разработке теории гиперзвуковых течений и применению ее для расчета аэродинамических характеристик отдельных элементов гиперзвуковых JIA и оценки температурного режима обтекаемых поверхностей. Наряду с теоретическими проводились также обширные экспериментальные исследования закономерностей гиперзвуковых течений на моделях в аэродинамических трубах и натурном полете, которые в целом подтвердили результаты гиперзвуковой теории. Результаты этих изысканий были обобщены в ряде монографий (см., например, [Хейз У. Д. и Пробстин Р. Ф., 1962; Дорренс У. X., 1966; Лунев В. В., 1975] и др.), в которых преимущественно рассматривались плоские и осесимметричные течения.
К настоящему времени благодаря успехам в развитии ЭВМ и вычислительной аэродинамики накоплен достаточно обширный материал в области пространственных гиперзвуковых течений. Целью настоящей монографии является обобщение и систематизация расчетных и экспериментальных данных по особенностям структуры поля течения и закономерностям теплообмена при обтекании треугольных крыльев гиперзвуковым потоком совершенного газа, т. е. основное внимание уделяется изучению чисто газодинамических явлений.
ГЛАВА 1
ОБТЕКАНИЕ ЗАОСТРЕННЫХ КОНИЧЕСКИХ ТЕЛ
В силу практического интереса исследование обтекания конических тел сверхзвуковым потоком совершенного газа в рамках классической постановки задачи проводилось интенсивно многими учеными и получен обширный расчетный и экспериментальный материал. Обобщение этого материала было проведено Башкиным В. А. (1984). Кратко остановимся на особенностях структуры поля течения около треугольных крыльев в сверхзвуковом потоке совершенного газа.
§1.1. Обтекание треугольных крыльев невязким потоком
Семейство острых эллиптических конусов, геометрия которых определяется двумя параметрами (коэффициентом эллиптичности или отношением полуосей эллипса поперечного сечения конуса 6 = alb и углом полураствора 0К в плоскости большой оси), представляет собой семейство треугольных крыльев конечной толщины (рис. 1.1). Оно как частный случай включает в себя острый круговой конус (6 = 1) и
плоскую треугольную пластину (6 = <»). Поскольку эти тела представляют практический интерес и используются в качестве отдельных элементов летательного аппарата, то обтекание их сверхзвуковым потоком идеального совершенного газа хорошо изучено как теоретически, так и экспериментально.
