Chang_t2_1973ru (1014103), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Этот след можно наблюдать благодаря его значительной длине. След становится важным фактором прн изучении свободных вязких потоков, свободных вихрей и турбулентности. Характеристики течения в следе зависят от того, является ли он ламинарным или турбулентным, и сильно отличаются от характеристик окружающего потока, Так как размер и свойства течения в следе непосредственно зависят от типа движущегося тела и его траектории, то, подробно изучив поле течения в следе, можно определить параметры летящего тела. Таким образом, в настоящее нремя 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 атом температура в следе становится высокой. Например, при М = 22 на высоте 30 км энтальпия вдоль оси следа эа тупым телом уменьшается до первоначального значении во внешнем следе только на расстоянии 150 диаметров. На расстоянии 1000 диаметров за сферой энтальпия на оси следа все еще в 10 раа больше, чем в окружающей среде. Во внешней части следа унос вещества тела н химические реакции, такие, как диссоциация молекул газа в атомы, ионизация н рекомбннация атомов в молекулы, влияют па 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 двумерныи, так и осесимметричный, находится в переменном во времени поле течения, а также в области развитой завихренности, основная частота вихреобразования пропор- 125 твчвнив в слвдв циональна скорости набегающего потока. Как уже упоминалось в гл.
1, гиперввуковой и дозвуковой следы имеют не только общие характеристики 1811, но и существенные различия 161. Ф и г. 46. След еа тупым телом при сзерх»зукееых и гкперзвуковых скоростях !66 Как упоминалось в гл. 1, при гпперзвуковых скоростях все линии тока в следе за тупым телом, первоначально относящиеся к «внешнему следу», поглощаются ниже по потоку турбулентнегм «В и г. 41. След за тонким телом при сверхззукавых и гиперзеукееых скоростях.
следом. Фнаический процесс раавития турбулентного следа, включая поглощение внешнего потока, можно описать следующим обрааом: происходит диффузия пульсаций завнхренности, вмазанной мельчайшими вихрями, из-за больших градиентов скоростей, 126 глаза чыЪ которыми они обладают, и турбулентньгй фронт, ограничивающий след, распространяется по ширине следа.
Таким образом, происходит передача энергии турбулентного двизкенмя в область потока, где турбулентность еще не возникла, что и возбуждает турбулентное движение гааа в первоначально неподвижной среде. С другой стороны, перетекание газа иэ внешней области в турбулентное ядро, вероятно, выаывается 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 ваяохым фактором, но в дальнем следе силы вязкости можно считать преобладающими, а статическое давление постоянно и равно своему значению в окружающей среде.
Гнперэвукоэой след аа тонким телом несколько отличается от следа за тупыми телами. В случае тонкого тела большие градиенты в потоке, выаванные 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 затуплевия 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, достигав горла. В ближнем следе оторвавшийся вязкий слой играет важную роль. За горлом ширина следа растет пропорционально длине следа. Как упоминалось в гл. ), след за тонким телом является холодным в отличие от горячего следа за тупым телом нз-аа отсутствия интенсивного нагрева, соадаваемого возникающими ударными волнами, и более медленного роста следа.
Кроме того, след за тонким телом охлаждается гораздо быстрее, чем аа тупым телом. Эксперименты с острым конусом и конусом со сферическим аатуплением, имеюшэзми 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 вляяют свойства реального газа или физико-химические процессы, как, например, диссоциация, ионизация и рекомбинация. Время, требуемое для завершения процессов диссоциации и иояизапии (и для обратных процессов), в сравнении со временем движения частиц газа существенна при определении регистрируемых эффек- ткчкник В слкдк 127 тов гиперзвукового следа, например таких, как тепловое излучение и отражение электромагнитных волн от следа.
Для определения параметров следа ва освоваиии экспериментов необходимо точно знать скорость полета. Так как процесс перекоса в турбулевтпом следе при больших числах Рейкольдса происходит в тясячи раз быстрее, чем в ламияариом следе, то высокотемпературкый турбулеитпый след охлаждается ка несколько порядков быстрее, чем ламикарпый, оставляя болев короткий видимый хвост. Для удобства след можно разделить ка определяемый процессом расширения и определяемый процессом теплопроводвости [83], Определяемый процессом расширения след простирается до точки, где давлевие уменьшается до значеиия, соответствующего внешнему потоку, и охлаждение происходит в основном вслодствие расширения потока. В следе, определяемом процессом теплопроводности, поток охлаждается в основном за счет диффузии тепла от высокотемпературного ядра.
Так как охлажденве следа происходит в основном аа счет теплопроводиости, влияние вязкости несущественно. Физико-химические процессы в следе достаточяо сложны, но в двух предельных случаях — равновесного и аамороженпого потоков — возможны значительные упроп1екия. В термодинамически и химически равновесвом потоке газа скорости термодинамических и химических процессов гораздо болыпе скоростей копвекции и диффузии, а в термодинамически и химически аамороженпом вотоке гааз соотношение между скоростями противоположиое. В химически замороженном потоке всеми химическими эффектами можно пренебречь вследствие быстрого и значительного расширения газа, поскольку состав газа остается постоянным, или ааморожеквым, при той степеви диссоцвацви, которая соответствует точке, где ее изменение стало пренебрежимо малым. Динамические. изменения в газе протекают гораздо быстрее по сравнению с химическими превращевиями, следовательно последние пе могут существевво повлиять ва состав гааа, и смесь движется без изменений массовых концектрацвй компонентов.
Если термодикамичеокие процессы аналогичным образом связавы с динамическими измене- виями в газе, то скорости термодинамических процессов, как и химических, равны нулю и поток стаповится обратимым. Прк больших скоростях и высотах след, возможяо, является замороженным и ламвпарвым, ко ок становится турбулентным перед «размораживанием».
На высотах более — 30 км заморожеявый след очевь быстро теряет тепловую энергию и атомы диссоцвкрованного газа начинают рекомбинировать. В процессе рекомбинации выделяется энергия и ядро следа нагревается, но теплопроводкость в радиальном паправлеяяи вызывает его охлаждение. Так как в замороженпом потоке яа высоте более — 30 км теряется больше тепла, чем выделяется в процессе рекомбинации, то тем- ГЛАВА Чпз пература 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 уменыпается 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 диффукднровать беэ значительного нагревания. При переходе нагревания замороженного следа не происходит.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
