Гиперзвуковое течение

— течение газа с гиперзвуковыми скоростями. Особенности Г. Т. Начинают заметно проявляться при достаточно больших, но различных для тел разной формы (сфера, конус и т. П.) значениях Маха числа М. Поэтому и граница, отделяющая сверхзвуковое течение от Г. Т., весьма условна. Для всех Г. Т. Характерным является большое значение отношения кинетическая энергия (энергии поступательного движения частиц газа) к внутренней (тепловой) энергии газа, равное по порядку величины М2. Вследствие этого в Г. Т. Относительное изменение температуры и других термодинамических параметров много больше относительного изменения скорости, и торможение обтекающего тело потока приводит к значительным возмущениям его параметров. При гиперзвуковом обтекании тел возникают интенсивные ударные волны и большая завихренность течения (см.

Вихревое течение). Для расчёта таких течений становиться необходимым использование нелинейных уравнений движения, а также соотношений, описывающих термодинамику газа при больших температурах. Полёт летательного аппарата с гиперзвуковыми скоростями сопровождается сильным аэродинамическим нагреванием поверхности и значительными отличиями аэродинамических характеристик от аналогичных характеристик при сверхзвуковом полёте.Особенности Г. Т. Удобно разделить на газодинамические, обусловленные большими значениями чисел М, и термодинамические, проявляющиеся при больших абсолютных температурах газа (характерных для гиперзвуковых режимов полёта летательных аппаратов).Газодинамические особенности Г. Т. Связаны с относительными изменениями газодинамических переменных потока.

При обтекании тела однородным потоком газа с числом Маха в невозмущенном набегающем потоке М(∞) > > 1 мерой возрастания давления и внутренней энергии газа в возмущенной части поля течения служит при слабом влиянии вязкости параметр K1 = M(∞)sin(τ) ((τ) — характерный угол наклона поверхности тела к направлению невозмущенного потока). В случае K1 > > 1 за головной ударной волной существенно увеличивается плотность, многократно возрастают давление и температура газа. На границе возмущенного и невозмущенного потоков возникают тонкие, примыкающие к носовой части тела слои газа с относительно большой плотностью (так называемые ударные слои — см. Ньютона теория обтекания). При K1 > > 1 в общем балансе сил и энергии можно пренебречь давлением и внутренней энергией невозмущенного газа.

Независимость (точнее слабая зависимость) характеристик течения от этих параметров набегающего потока — одно из важных свойств Г. Т. Для случая совершенного газа это свойство равносильно независимости течения от значения М(∞) (закон стабилизации по числам Маха). Другая важная особенность течений с М > > 1, связанная с сильным торможением потока внутри пограничного слоя, — слабое влияние вязкости (температуры) невозмущенного газа на вязкость газа в пограничном слое. Поэтому в качестве характерного Рейнольдса числа Re, определяющего режим Г. Т., принято использовать параметр Re0 = (ρ∞)V(∞)L/(μ)0, где (ρ∞), V(∞) — плотность и скорость набегающего потока, L — характерный размер тела, (μ)0 — характерное значение вязкости в пограничном слое.

Для совершенного газа в качестве (μ)0 удобно выбирать вязкость при температуре торможения.Особые газодинамические свойства присущи случаю гиперзвукового обтекания тонких тел (см. Тонкого тела теория), установленных под малыми углами к направлению однородного набегающего потока ((τ) < < 1, M(∞) > > 1). Для таких течений углы наклона головной ударной волны к направлению вектора V(∞) всюду малы, число Маха за волной (вне пограничного слоя) велико, а скорость газа меняется (в основном приближении) лишь в направлении, перпендикулярном V(∞). Последнее равносильно тому, что в системе координат, связанной с невозмущенным потоком, смещение частиц газа происходит лишь в плоскостях, перпендикулярных направлению движения.

Течение в каждой из таких плоскостей не зависит от течения в остальных, что и составляет содержание закона плоских сечений из которого следует нестационарная аналогия. Согласно этой аналогии, обтекание тела невязким газом при (τ) < < 1 и М(∞) > > 1 сводится к нестационарной задаче расширения (сжатия) бесконечного цилиндрического поршня, находящегося в покоящемся газе. Поперечное сечение поршня в момент времени t = x/V(∞), где x — координата, отсчитываемая от вершины тела и параллельная V(∞), совпадает с поперечным сечением тела в плоскости х.Структура течения около тонкого тела существенно нарушается, если тело затуплено. Тогда на носовой части тела sin(τ) Гиперзвуковое течение 1, и возмущения потока в этой области течения относительно велики.

По этой причине вблизи поверхности тела образуется слой сильно завихренного течения с относительно большими значениями энтропии (так называемый энтропийный слой). Возмущения давления распространяются вниз по потоку на расстояния много большие размера затупления и определяются в основном не формой, а сопротивлением затупления. В рамках нестационарной аналогии действие затупления равносильно сильному взрыву (мгновенному выделению энергии) на поверхности поршня в начальный момент его движения (так называемая аналогия с сильным взрывом).При (τ) < < 1 существенными особенностями обладает и структура течения в пограничном слое. Торможение гиперзвукового, внешнего потока внутри пограничного слоя вызывает значительный рост температуры и, как следствие, сильное падение плотности газа.

В пределе, когда вне пограничного слоя М(∞→∞), весь газ протекает в «невязкой» области возмущенного потока, и внешнюю границу слоя можно считать непроницаемой поверхностью. Влияние пограничного слоя на давление аналогично при этом увеличению толщины тела на толщину пограничного слоя и может быть весьма большим. Степень возрастания давления за счёт такого влияния при M(∞) > > 1 и любых значениях τ оценивается параметром K2 = K2(K1 + 1)-2(Re01/2sin2(τ))-1. Режимы K2 < < 1, K2Гиперзвуковое течение1 и K2 > > 1 носят соответственно названия слабого, умеренного и сильного вязкого взаимодействия. При слабом влиянии разреженности газа (малых Кнудсена числах) и M(∞)(≈)1 значение Re0 > > l. Поэтому режимы сильного и умеренного вязкого взаимодействия (K2(≈)1) реализуются лишь на тонких телах ((τ) < < 1) при условии M(∞) > > 1.

Важным свойством течений с сильным или умеренным вязким взаимодействием является передачи возмущений вверх по потоку через дозвуковую часть пограничного слоя на расстояния, сравнимые с длиной тела. По этой причине изменение, например, давления в кормовой части тонкого тела может существенно перестроить всё поле течения без отрыва пограничного слоя.К термодинамическим особенностям Г. Т. Относятся несовершенство газа (переменность удельных теплоёмкостей), отклонения от термодинамического равновесия и излучение газа. В частности, для воздуха при температурах T > 1000( )К удельной теплоёмкости уже существенно зависят от температуры, а примерно при T > 2000( )К — и от давления (см. Кинетика физико-химическая).

В случае полёта в летательном аппарате в атмосфере Земли такие температуры достигаются на его лобовой поверхности соответственно при M(∞) > 4 и M(∞) > 8. Течения, в которых процессы установления в газе термодинамического равновесия не успевают за темпом изменения внешних воздействий, называются неравновесными. Предельные режимы неравновесных течений, когда указанные процессы практически не успевают развиваться вообще, называют замороженными. Замороженные течения воздуха и при больших температурах не отличаются от течений при T < 1000( )К, то есть соответствуют течению совершенного газа с показателем адиабаты (γ) = 1,4. На замороженные течения может оказать сильное влияние разреженность газа (см. Разреженных газов динамика).

Эффекты неравновесности растут с уменьшением размеров тела и с увеличением высоты полёта. При движении летательного аппарата типа сферы с характерным размером Гиперзвуковое течение1 м в атмосфере Земли область неравновесных течений для скоростей V(∞) = 3—11 км/с начинается соответственно с высот H (≈) 40—60 км, а область замороженных — определяется высотами H > 70 км. При скоростях V(∞) > 9 км/с все указанные термодинамические эффекты могут сопровождаться интенсивным излучением газа (см. Радиационный тепловой поток). Изменения термодинамических свойств газа при больших температурах могут вызывать значительные изменения аэродинамических и особенно тепловых характеристик тел.При аэродинамическом проектировании гиперзвуковых летательных аппаратов необходимо удовлетворить широкому комплексу требований не только к его аэродинамическим, но и к тепловым характеристикам.

Большое число явлений, сопровождающих полёт летательного аппарата, исключает при этом возможность полного моделирования условий натурного обтекания в аэродинамических установках. Расчётные методы исследования Г. Т. Приобретают, таким образом, исключительно важное значение..