Г.Г. Чёрный - Течения газа с большой сверхзвуковой скоростью (1161624), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Отступления от термодинамического равновесия могут заметно влиять на структуру скачков уплотнения, на распространение слабых возмущений и другие явления, происходящие в потоке воздуха ~62 — 64]. Характерное время, необходимое для наступления термодинамического равновесия, — так называемое время релаксации, †различ для различных процессов. Так, для установления равновесного значения энергии поступательного движения молекулы достаточно в среднем одного столкновения молекул, для энергии вращательного движения — от !О до 100 столкновений, для энергии колебательных движений атомов внутри молекулы в случае кислорода — 500 000 столкновений.
В некоторых случаях времена релаксации могут быть оценены теоретическим путем, однако главное значение при определении влияния релаксации на течения газа при большой сверхзвуковой скорости имеют экспериментальные методы. На рисунке В.б приведена для иллюстрации [65! область значений высот и скоростей полета, в которой могут проявляться заметным образом релаксационные явления, связанные с диссоциацией. В расчетах, на основе которых построен рис. В.6, принято, что обтекаемое тело имеет затупленную головную часть и воздух 6 З) свойствл воздгхл пги высокой твмпвглтгвв 21 вблизи критической точки после прохождения им ударной волны находится в термодинамическом равновесии.
В заштрихованной области течение можно считать равновесным, так как время релаксации здесь в 1О раз меньше времени прохождения частицей вдоль поверхности тела расстояния в 0.3 м (естественно, что влияние времени релаксации тем меньше, чем больше обтекаемое тело; при длине вдоль 70 б0 бр ила 20 Г0 2 л б б Сквмсл», нн/сан Рис. В.6.
Условия полета, в которых могут быть заметиыми реааксационные явления, связанные с диссоциапией. поверхности тела, равной 3 м, граница заштрихованной области сместится кверху. как указано иа рисунке). Слева от пунктирных линий степень диссоциации воздуха в критической точке соответственно меньше 0.01 и 0,04. так что в этой области релаксациоиные явления, связанные с диссоциацией, если и происходят, не могут оказывать существенного влияния на течение. На этом же рисунке В.б нанесены типичные траектории входящих в плотные слои атмосферы с различной скоростью дальних баллистических ракет (кривые l), планирующего летательного аппарата ВВЕДЕНИЕ $01 401 0 (кривая П) и спутника Земли (кривая П1).
Как видно, при возвращении спутника Земли обтекание его может не быть термодинамически равновесным. Помимо расчетов обтекания тел потоком с большой сверхзвуковой скоростью, возможность отклонения от термодинамического равновесия нужно учитывать также при проектировании сопел аэродинамических труб, предназначенных для получения больших сверхзвуковых скоростей. Для целей аэродинамических исследований воздух в невозмущенном испытываемой моделью потоке в рабочей части трубы должен находиться в 100 равновесном состоянии. Как уже указывалось, при очень высокой температуре в газ воздухе присутствуют свобод- Й 10 ные электроны и воздух становится хорошим проводником Ь электричества.
На рисунке В.у приведены определенные экспериментальным путем [601 значения коэффициента электропроводности воздуха прн выч соки х температурах и давлениях в диапазоне от 1 до 10 мм ртутного столба (по горизонАаблзял л|ннпз оз тальной осн отложены числа омиплса Маха перед прямым скачком. за которым достигается соот- 10 ео з0 ветствующая температура). Хо- рошая электропроводность возРис. В.7. Злектропровоаность воздуха духа вблизи тела, движущегося при высокой температуре. с большой сверхзвуковой ско- ростью, открывает возможность использования электрических и магнитных полей для воздействия на поток (66~; она же может вызвать затруднения в решении проблемы радиосвязи с летательным аппаратом.
Отметим в заключение. что нагревание воздуха при сжатии его перед головной частью движущегося с большой сверхзвуковой скоростью тела может вызывать мощные потоки лучистой энергии, частично передающейся поверхности тела, и в значительной степени рассеивающейся в окружающих слоях воздуха. Эти эффекты также должны учитываться при изучении течений с большой сверхзвуковой скоростью. Таким образом, при большой сверхзвуковой скорости движение тел происходит в совершенно иной среде.
чем тот воздух, с которым имеют дело исследователи и инженеры при решении задач о полете с умеренной сверхзвуковой скоростью. $4) МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА 23 ф 4. Методы экспериментального изучения течений газа при очень больших скоростях В настоящем параграфе дается краткое описание способов моделирования в лабораторных условиях явлений, возникающих при движении тел в воздухе с большой сверхзвуковой скоростью; методы проведения аэродинамических исследований при полете самолетов и ракет не рассматриваются. Не затрагиваются также вопросы измерения различных физических величин при больших сверхзвуковых скоростях потока и при сопутствующих им высоких температурах.
В аэродинамике и баллистике всегда имели большое значение экспериментальные исследования моделей создаваемых самолетов, ракет, снарядов и их элементов, и, наряду с этим, исследования общего характера, проводившиеся с целью установления основных свойств течений газа и проверки выводов теории. Для таких исследований применялись аэродинамические трубы, в которых неподвижная модель помещается в искусственно создаваемый поток воздуха, и баллистические тиры, в которых модель тем или иным способом ускоряется, а затем свободно движется в покоящейся газовой среде.
До тех пор, пока исследования относились к проблемам полета с небольшой сверхзвуковой скоростью и температура воздуха вблизи обтекаемого тела была невысокой, правила моделирования при решении основных задач аэродинамики установившихся течений требовали сохранения только чисел Маха и Ргйнольдса, соответствующих натурным условиям (необходимое равенство значений отношения темплоемкостей обеспечивалось автоматически при испытании моделей в воздухе). Переход к большим сверхзвуковым скоростям значительно усложняет проблему моделирования, главным образом в связи с тем, что учет изменения свойств воздуха при высокой температуре вводит в рассмотрение вместо отношения теплоемкостей ряд новых критериев подобия, а также потому, что при большой сверхзвуковой скорости важное значение приобретают явления теплопередачи и становится необходимым обеспечение подобия и этих явлений.
Большое число критериев подобия при большой сверхзвуковой скорости делает невозможным осуществление полного подобия явлений в натуре и в лабораторных условиях. Однако. как и в обычной аэродинамике, при изучении определенного класса явлений не все определяющие течение величины в равной степени влияют на эти явления. По этой причине приобретает значение частичное моделирование натурных условий, т. е. сохранение равенства в натуре и в лабораторных условиях лишь некоторых критериев подобия, наиболее существенных для изучения рассматриваемых явлений.
Для частичного воспроизведения натурных условий при обтекании тел с большой сверхзвуковой скоростью могут быть использованы аэродинамические трубы, работающие по обычной схеме, баллистические тиры, а также 24 ВВЕДЕНИЕ некоторые специальные экспериментальные установки, не применяющиеся в обычной аэродинамике. Увеличение числа Маха в рабочей части аэродинамической трубы связано с ростом необходимого отношения давлений воздуха при входе в сопло и в рабочей части.
Этот рост обусловливает две отличительные особенности аэродинамических труб больших сверхзвуковых скоростей. Во-первых, так как размер аэродинамической трубы, как правило, позволяет испытывать лишь модели, во много раз меньшие натурного объекта, то для того, чтобы числа Рейнольдса в рабочей части не были слишком низкими, воздух при входе в сопло должен быть сильно сжат, обычно до давления 50 — 150 атмосфер. Во-вторых, так как расширение воздуха в сопле близко к адиабатическому, то прн больших отношениях давлений температура воздуха при движении его в сопле резко падает; поэтому для предотвращения конденсации воздуха он должен быть нагрет перед входом в сопла до высокой температуры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
