Отрывные течения. Том 2 - Чжен П.
Скачать (прямая ссылка):
Так как процесс переноса в турбулентном следе при больших числах
Рейнольдса происходит в тясячи раз быстрее, чем в ламинарном следе, то
высокотемпературный турбулентный след охлаждается на несколько порядков
быстрее, чем ламинарный, оставляя более короткий видимый хвост.
Для удобства след можно разделить на определяемый процессом расширения и
определяемый процессом теплопроводности [83]. Определяемый процессом
расширения след простирается до точки, где давление уменьшается до
значения, соответствующего внешнему потоку, и охлаждение происходит в
основном вследствие расширения потока. В следе, определяемом процессом
теплопроводности, поток охлаждается в основном за счет диффузии тепла от
высокотемпературного ядра. Так как охлаждение следа происходит в основном
за счет теплопроводности, влияние вязкости несущественно.
Физико-химические процессы в следе достаточно сложны, но в двух
предельных случаях - равновесного и замороженного потоков - возможны
значительные упрощения. В термодинамически и химически равновесном потоке
газа скорости термодинамических и химических процессов гораздо больше
скоростей конвекции и диффузии, а в термодинамически и химически
замороженном потоке газа соотношение между скоростями противоположное, В
химически замороженном потоке всеми химическими эффектами можно
пренебречь вследствие быстрого и значительного расширения газа, поскольку
состав газа остается постоянным, или замороженным, при той степени
диссоциации, которая соответствует точке, где ее изменение стало
пренебрежимо малым. Динамические-изменения в газе протекают гораздо
быстрее по сравнению с химическими превращениями, следовательно последние
не могут существенно повлиять на состав газа, и смесь движется без
изменений массовых концентраций компонентов. Если термодинамические
процессы аналогичным образом связаны с динамическими изменениями в газе,
то скорости термодинамических процессов, как и химических, равны нулю и
поток становится обратимым. При больших скоростях и высотах след,
возможно, является замороженным и ламинарным, но он становится
турбулентным перед "размораживанием". На высотах более ~ 30 км
замороженный след очень быстро теряет тепловую энергию и атомы
диссоциированного газа начинают рекомбинировать. В процессе рекомбинации
выделяется энергия и ядро следа нагревается, но теплопроводность в
радиальном направлении вызывает его охлаждение. Так как в замороженном
потоке на высоте более ~ 30 км теряется больше тепла, чем выделяется в
процессе рекомбинации, то тем-
128
ГЛАВА VIII
лература в следе может достигнуть значения температуры внешнего потока.
Если динамические изменения в газе протекают гораздо медленнее по
сравнению со скоростями термодинамических и химических процессов, течение
становится термодинамически и химически равновесным. Поскольку скорости
этих процессов в пределе бесконечны, такие процессы также являются
обратимыми. На достаточно малых высотах поток газа находится в
термодинамическом равновесии, а след охлаждается за счет расширения от
высокого давления вблизи тела до давления во внешнем потоке.
При ламинарном течении в равновесном следе температура постепенно
уменьшается по потоку, но в замороженном следе температура в ближнем
следе ниже, чем равновесная температура. Далее вниз по потоку в
зависимости от размеров тела и высоты полета след может вновь нагреваться
и охлаждаться или замороженные химические компоненты могут диффундировать
без значительного нагревания. При переходе нагревания замороженного следа
не происходит.
На больших высотах большая часть газа, проходящего через почти прямой
скачок уплотнения, попадает в пограничный слой тела, и значительная доля
энергии передается телу, а остальная ее часть рассеивается в следе. Так
как в точке торможения не может быть достигнуто равновесие, концентрация
электронов во всем поле течения может не быть равновесной. Кроме того,
скорость рекомбинации мала. Таким образом, концентрация электронов в
следе больше, чем в равновесном потоке. Однако, если поток является
турбулентным, концентрация электронов может оставаться низкой.
На малых высотах толщина пограничного слоя гораздо меньше, чем расстояние
до отошедшего скачка. Большая часть энергии содержится в области
невязкого потока, поэтому влияние пограничного слоя тела на след
пренебрежимо мало. С уменьшением высоты в точке торможения достигается
равновесная ионизация, но вниз по потоку распределение плотности
электронов вдоль оси зависит от соотношения (если поток ламинарный) между
временем ионной и атомной рекомбинации и характерным газодинамическим
временем.
2. 2. ПАРАМЕТРЫ СЛЕДА ПРИ БОЛЬШИХ СКОРОСТЯХ
Фельдман [831 теоретически исследовал течение в следе за относительно
короткими телами вращения в интервале скоростей полета от 4500 до 11 ООО
м/с и высот от 30 до 75 км.
Температура, плотность и скорость равновесного воздуха в следе за сферой
получены в функции скорости полета.
