Отрывные течения. Том 2 - Чжен П.
Скачать (прямая ссылка):
в настоящее время решение задач, связанных со следами за космическими
кораблями, ракетами и спутниками при гиперзвуковых скоростях, становится
необходимым для опознавания входящих в атмосферу тел. Вследствие большой
скорости таких тел возникает сложная проблема аэродинамического нагрева,
при этом температура в следе становится высокой. Например, при М" = 22 на
высоте 30 км энтальпия вдоль оси следа за тупым телом уменьшается до
первоначального значения во внешнем следе только па расстоянии 150
диаметров. На расстоянии 1000 диаметров за сферой энтальпия на оси следа
все еще в 10 раз больше, чем в окружающей среде. Во внешней части следа
унос вещества тела и химические реакции, такие, как диссоциация молекул
газа в атомы, ионизация и рекомбинация атомов в молекулы, влияют на связь
с аппаратом и диагностику. Когда частицы уносимого материала сталкиваются
с частицами кислорода, появляется светящийся хвост (фиг. 40,41).
Проблема гиперзвукового следа является несомненно сложной, но существуют
определенные упрощения и подобие со следом при дозвуковых скоростях.
Например, хотя классический дозвуковой след, как двумерный, так и
осесимметричный, находится в переменном во времени поле течения, а также
в области развитой завихренности, основная частота вихреобразования
пропор-
ТЕЧЕНИЕ В СЛЕДЕ
125
циональна скорости набегающего потока. Как уже упоминалось в гл. I,
гиперзвуковой и дозвуковой следы имеют не только общие характеристики
[81), но и существенные различия [6].
Как упоминалось в гл. I, при гиперзвуковых скоростях все линии тока в
следе за тупым телом, первоначально относящиеся к "внешнему следу",
поглощаются ниже но потоку турбулентным
Фиг. 41. След за тонким телом при сверхзвуковых и гиперзвуковых
скоростях.
следом. Физический процесс развития турбулентного следа, включая
поглощение внешнего потока, можно описать следующим образом: происходит
диффузия пульсаций завихренности, вызванной мельчайшими вихрями, из-за
больших градиентов скоростей,
126
ГЛАВА VIII
которыми они обладают, и турбулентный фронт, ограничивающий след,
распространяется по ширине следа. Таким образом, происходит передача
энергии турбулентного движения в область потока, где турбулентность еще
не возникла, что и возбуждает турбулентное движение газа в первоначально
неподвижной среде. С другой стороны, перетекание газа из внешней области
в турбулентное ядро, вероятно, вызывается большими вихрями, которые
разрушают границу ядра.
В ближнем следе статическое давление еще не достигает своего значения в
окружающей среде и градиент давления в радиальном, а также в осевом
направлении не равен нулю. В ближнем следе-вязкое перемешивание является
важным фактором, но в дальнем следе силы вязкости можно считать
преобладающими, а статическое давление постоянно и равно своему значению
в окружающей среде.
Гиперзвуковой след за тонким телом несколько отличается от следа за
тупыми телами. В случае тонкого тела большие градиенты в потоке,
вызванные головной ударной волной, несущественны и вязкий след
распространяется в области, где параметры потока близки к параметрам
набегающего потока. Явления перехода различны, кроме того, возможно
различны и величины турбулентных пульсаций, которые зависят от степени
затупления тела. Область ближнего следа ограничена прямыми линиями,
причем его первоначальная ширина несколько больше, чем поперечные размеры
тела из-за толстого оторвавшегося вязкого слоя, затем ширина следа
постепенно уменьшается вниз по потоку, достигая горла. В ближнем следе
оторвавшийся вязкий слой играет важную роль. За горлом ширина следа
растет пропорционально длине следа. Как упоминалось в гл. I, елед за
тонким телом является холодным в отличие от горячего следа за тупым телом
из-за отсутствия интенсивного нагрева, создаваемого возникающими ударными
волнами, и более медленного роста следа. Кроме того, след за тонким телом
охлаждается гораздо быстрее, чем за тупым телом. Эксперименты с острым
конусом и конусом со сферическим затуплением, имеющими угол при вершине
20°, в интервале чисел Маха М" от 2,66 до 4,85 показали, что донное
давление и угол наклона поверхности следа одинаковы для обоих конусов,
если одинаковы местное число Маха и число Рейнольдса, вычисленное по
толщине потери импульса пограничного слоя у основания конуса [82]. Из-за
высокой температуры в гиперзвуковом следе за тупым телом на течение в
следе влияют свойства реального газа или физико-химические процессы, как,
например, диссоциация, ионизация и рекомбинация. Время, требуемое для
завершения процессов диссоциации и ионизации (и для обратных процессов),
в сравнении со временем движения частиц газа существенно при определении
регистрируемых эффек-
ТЕЧЕНИЕ В СЛЕДЕ
127
тов гиперзвукового следа, например таких, как тепловое излучение и
отражение электромагнитных волн от следа. Для определения параметров
следа на основании экспериментов необходимо точно знать скорость полета.
