Г.Г. Чёрный - Течения газа с большой сверхзвуковой скоростью (1161624), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Эта температура быстро возрастает с ростом числа М в рабочей части: при М = 1О она составляет 800 — 1100' К (в зависимости от давления). а прн М = 12 — 1100 — 1400'К. Йля уменьшения трудностей, связанных с еще большим повышением температуры при дальнейшем росте числа М. можно вместо воздуха использовать гелий, обладающий более низкой температурой конденсации. Таким путем удается достичь в аэродинамических трубах значений числа М до 20. Естественно, что в аэродинамических трубах, имеющих в рабочей части температуру, близкую к температуре конденсации воздуха (н тем более гелия), могут изучаться только такие явления, связанные с полетом тел в атмосфере при большой скорости, для которых основным определяющим параметром является число Маха (иногда и число Рейнольдса) и на которые термодинамические свойства воздуха влияют лишь в слабой степени.
При скоростях полета, превышающих скорость звука не более, чем в 7 — 8 раз, влияние отклонений свойств воздуха от свойств совершенного газа с постоянными удельными теплоемкостями невелико, и для сохранения приближенного подобия условий в аэродинамической трубе и при натурном полете в ряде случаев достаточно обеспечивать равенство чисел Маха и Рейнольдса и отсутствие конденсации воздуха в потоке. При ббльших скоростях полета сохранения этих критериев подобия уже недостаточно для моделирования натурных условий. Приведем пример, характеризующий необходимые значения давления и температуры воздуха перед соплом аэродинамической трубы, предназначенной для получения большой сверхзвуковой скорости (схематически один из возможных вариантов такой трубы изображен на рис.
В.8). Пусть требуется изучить на модели характеристики летательного аппарата, имеющего длину б м и движущегося на высоте 40 ь м со скоростью 3 нм7сек. Для того чтобы при испытании модели длиной 0,4 м (т. е. в довольно боль- 8 4) методы экспеРиментАльнОГО изучения течений ГА3А шой аэродинамической трубе) сохранить натурные значения чисел Маха и Рейнольдса и избежать конденсации воздуха, при входе в сопло воздух должен быть сжат до давления в 150 атмосфер и иметь температуру 820'.
Полное подобие явлений в трубе и в натурных условиях при этом, конечно, не будет обеспечено. Действительно, в натурных условиях при полете теда со скоростью 3 км/сек температура воздуха вблизи головной части тела будет превосходить 3000'К. При столь высокой температуре внутренние степени свободы молекул полностью возбуждены и существенную роль играет диссоциация. В трубе же при названных выше условиях температура Рнс.
В.8. Схематическое изображение аэродинамической трубы для получения потока с большой сверхзвуковой скоростью. у — компрессор. 2-баллоны высокого лавления, 2- пологреватель воалуха, , б-сопла,б- рвбо. чая часть, 6 в ажектор и выклопноп лнффуаор. вблизи поверхности обтекаемого тела будет вызывать лишь в небольшой степени возбуждение внутренних степеней свободы. Поэтому многие явления, в частности теплопередача, при исследованиях в опи-' санной аэродинамической трубе будет происходить в условиях, не соответствующих натурным. Дл обеспечения подобия тепловых явлений температура воздуха ля о еспе о перед соплом должна быть поднята до 3000 К.
Подогрев воздуха перед входом в сопло до требуемой температуры обычными средствами (путем соприкосновения воздуха с нагретыми поверхностями или даже путем сжигания топлива в потоке воздуха) становится затруднительным; очень е ь сложной становится проблема охлаждения трубы при более или менее продолжительном времени ее работы. Одним иэ возможных способов подогрева воздуха до температур порядка 3000'К и выше является использование электрического дугового рааряда (в некотор некото ых схемах можно получить при этом газовые струи с температуро т ой 10000'К и лаже вввдвнив более).
другим возможным путем является получение потоков воздуха (или других газов) с весьма высокой скоростью, но в течение очень коротких промежутков времени, порядка десятитысячных долей секунды. Такие потоки воздуха создаются в так называемых ударных и адиабатических трубах, схемы действия которых весьма разнообразны. Простейшая ударная труба представляет собой закрытый с обеих сторон канал, разделенный перегородкой (диафрагмой) на две части девке дпчме ллме дим""' (рпс.
В.9). С одной стороны диафрагмы .Пичпз7гю газ имеет высокое давление («толкаю3а5леное щий» газ), с другой стороны создается разрежение. После разрушения диафрагмы в сторону камеры низкого давления распространяется ударная волна, ! за которой следует с постоянной ско- лгевлвяа г-в ростью столб нагретого при сжатии Юаэю ддьл рпзреаения в волне газа. Чем выше отношение аале давлений по обе стороны диафрагмы, тем больше скорость газа и тем выше его температура торможения.
Таким путем без особых сложностей могут г=г 'и быть получены скорости в 5 ки/сек и более при требуемых значениях температур торможения. Однако числа Маха остаются при этом небольшими: порядка двух; для их увеличения движущийся за ударной темпелзлудг волной газ может быть расширен в сопле, соединенном с концом трубы (рис.
В.10,а). В других схемах ударных труб вход в сопло 'имеет значительно меньший диаметр, чем диаРис. В.9. Схематическое изо- метр трубы (Рис. В.10, б). После отрабражение простейшей ударной жеиия ударной волны от конца трубы трубы и течения в ней после между входом в сопло и отраженной разрыва диафрагмы. волной образуется область газа, имею- щего высокую температуру и высокое давление; из этой области газ вытекает через сопло в камеру с пониженным давлением. Такая ударная труба близка к так называемой адиабатической трубе, в которой газ перед соплом сжимается путем быстрого движения поршня. Для увеличения скорости и температуры воздушного столба в ударных трубах высокое давление и высокая температура толкающего газа могут быть получены при пропускаиии через него мощного электрического разряда или, если толкающий газ представляет собой взрывчатую смесь,— при его взрыве.
~ 4] митоды экспвримвнтлльного изучвния твчвний глзл 27 Основным недостатком ударных и адиабатических труб является чрезвычайно малая продолжительность их действия, вследствие чего возникают большие трудности при измерении параметров газового потока; кроме того, теплообмен между нагретым газом и помещенными в поток телами в этих трубах быстро меняется во времени.
Тем не менее разработаны методы, позволяющие и в этих условиях наблюдать поток и определять давление на поверхности тел и тепловые потоки между газом и поверхностью тела. Рис. В.10. Некоторые схемы ударных труб: — скачок уолотнения. — — — коитактныя разрыв. — волна разрежения. Ударные трубы применяются главным образом не для определения аэродинамических характеристик моделей, а для исследования основных физических и химических процессов, происходящих в потоке воздуха. а также других газов, при больших скоростях движения и при высоких температурах.
Так. с поиощью ударных труб исследовалась теплопроводность [67) и электропроводность [60) воздуха при высоких температурах, диссоциация и образование окиси азота [68), релаксацнонные явления при диссоциации [65) и т. д. Лругую возможность получения условий, соответствующих полету тел с очень большой скоростью. дают баллистические тиры. Использовавшиеся ранее артиллеристами главным образом для определения сопротивления снарядов и их устойчивости в полете, баллистические 28 вввдиниа тиры в последнее время получили распространение и как средство изучения явлений, происходящих при больших сверхзвуковых скоростях. В баллистическом тире могут быть получены натурные значения числа Маха и температуры при условии, что скорость полета модели равна натурной; нужные значения числа Рейнольдса можно получить, выстреливая модель в барокамеру с контролируемым давлением.
В настоящее время скорости моделей в баллистических тирах доходят до 3 — 4 км/сел, для чего пришлось создать специальные пушки, использующие для метания моделей вместо продуктов сгорания пороха сжатые легкие газы. Для увеличения относительной Рпс. В.11. Схематическое изображение баллистической установки с противотоком воздуха: Г -сопле, У-труба, а- пуапка, б-оптическая система. скорости модели и воздуха применяются комбинации аэродинами ческой трубы и баллистического тира, в которых модель выстреливается навстречу потоку (рис.
В.11). Для изучения физических процессов, происходящих в потоке при высокой температуре торможения, в баллистическом тире, как и в ударных трубах, могут быть использованы, кроме воздуха, и другие газы. Таким путем изучалось, например, влияние диссоциация и релаксационных процессов на обтекание тел 1671.
ГЛАВА 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБТЕКАНИИ ТЕЛ ИДЕАЛЬНЫМ ГАЗОМ С БОЛЬШОЙ СВЕРХЗВУКОВОЙ СКОРОСТЬЮ ф !. Постановка задачи о сверхзвуковом обтекании тела идеальным газом При сверхзвуковой скорости движения тела в идеальном газе .область влияния вызываемых телом возмущений отделена от покоящегося газа движущейся вместе с телом поверхностью, которая называется головной волной. Если головная волна имеет общую точку или общую линию с поверхностью тела, то ее называют присоединенной (рис.
1.1, а); в противном случае волна называется отсоединенной или отошедшей (рис. 1.1, б). Отсоединенная головная волна всегда представляет собой поверхность сильного разрыва— ударную волну. При прохождении ударной волны по газу его частицы внезапно начинают двигаться и скачком приобретают давление и плотность, отличные от первоначальных. Обычно присоединенная головная волна также является поверхностью сильного разрыва. Но в некоторых случаях (например, при бесконечно тонком заостренном переднем конце тела или при достаточно большом угле зтаки крыла) часть присоединенной головной волны может быть роверхностью слабого разрыва — характеристической поверхностью, скорость распространения которой по частицам (по нормали к самой себе) есть скорость звука.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
