автомодельное течение

АВТОМОДЕЛЬНОЕ ТЕЧЕНИЕ - течение жидкости (газа), к-рое остаётся механически подобным самому себе при изменении одного или неск. параметров, определяющих это течение. В механически подобных явлениях наряду с пропорциональностью геом. размеров соблюдается пропорциональность механич. величин - скоростей, давлений, сил и т. д. (см. Подобия теория).

А. т.- частный случай течения жидкости (газа), когда общая задача гидроаэромеханики сводится к системе безразмерных обыкновенных дифференц. ур-ний и граничных условий, зависящих от одной надлежащим образом выбранной безразмерной независимой переменной. Благодаря этому задача расчёта течения упрощается, и удаётся получить её численное, а в ряде случаев и аналитич. решение.

Так, при обтекании бесконечного конуса сверхзвуковым равномерным потоком идеального газа (рис. 1) нельзя выделить характерный линейный размер, поэтому при растяжении или сжатии картины течения относительно вершины конуса О в произвольное число раз картина не изменяется, т. е. остаётся подобной самой себе.

Рис. 1. Обтекание бесконечного конуса равномерным сверхзвуковым потоком идеального газа; OS - коническая ударная волна, аа - линия тока.

Все безразмерные характеристики течения - относит. скорости, давления и т. д. зависят от одной независимой геом. переменной - полярного угла . Обтекание конуса описывается системой из двух ур-ний -с граничными условиями на поверхности конуса и на присоединённой конич. ударной волне:

Здесь , - составляющие относит. скорости в полярной системе координат - отношение уд. теплоёмкостей.

А. т. в ламинарном пограничном слое существуют лишь при нек-рых спец. законах изменения скорости U вне пограничного слоя, в частности при постоянной скорости U=const (пограничный слой на продольно обтекаемой бесконечной плоской пластине). Т. к. в рассматриваемом течении нет к--л. характерной длины, то профили скорости в автомодельном пограничном слое в разл. поперечных сечениях x=const подобны друг другу и в безразмерных переменных представляются универсальной ф-цией , где у - расстояние по нормали к пластине, - толщина пограничного слоя.

Безразмерная ф-ция тока в автомодельном пограничном слое удовлетворяет обыкновенному дифференц. ур-нию с граничными условиями f=0, f '= 0 при и f '= 1 при . Здесь - нек-рые постоянные, a h - безразмерная автомодельная переменная, пропорциональная . Аналогичные А. т. возможны и в пограничном слое, возникающем при свободной (естественной) конвекции.

Рис. 2. Схема свободной турбулентной струи: О - полюс, I - сопло, m - т - сечение среза сопла, п - п - конец начального участка, KL - граница струи, - сходственные точки на профилях скорости.

А. т. возникает и в осн. участке турбулентной свободной струи (рис. 2), вытекающей из плоского или круглого сопла в неподвижную среду, т. к. в сходственных точках любых двух поперечных сечений безразмерные величины скорости (темп-ры, концентрации) одинаковы.

Для нестационарных А. т. состояние течения в нек-рый момент времени t, характеризуемое распределением давлений, скоростей, темп-р в пространстве, механически подобно состоянию течения при любом др. значении t. Такие течения образуются, напр., в случае сильного взрыва, а также при распространении в горючей смеси фронта пламени или детонации. В случае сферич. симметрии взрыв (поджигание смеси) происходит в точке, в случае цилиндрич. симметрии - вдоль прямой, а в случае плоских волн - вдоль плоскости. Если в момент t=0 мгновенно выделяется конечная энергия Е₀ а нач. плотность газовой среды равна , то введение безразмерной автомодельной переменной (где r - расстояние от места взрыва, -для сферич. волн, - для цилиндрических и -для плоских) позволяет свести задачу определения безразмерных давлений, скоростей, темп-р за взрывной (ударной) волной к решению системы обыкновенных дифференц. ур-ний с автомодельными граничными условиями на ударной волне.

В широком смысле под автомодельностью течения иногда понимают независимость безразмерных параметров, характеризующих течение, от подобия критериев. Так, коэфф. лобового аародинамич. сопротивления Сx (см. Аэродинамические коэффициенты)можно считать автомодельным по Маха числу М или Рейнольдса числу Re, если в нек-ром диапазоне их изменения Сх от них не зависит. Автомодельность коэфф. Сх по М и Re существует для большинства тел, обтекаемых газом, при больших М (М>8)или достаточно больших Re (Re>10⁷).

Лит.: Седов Л. И., Методы подобия и размерности в механике, 9 изд., М., 1981; Xейз У--Д., Пробстин Р--Ф., Теория гиперзвуковых течений, пер. с англ., М., 1962; Шлихтинг Г., Теория пограничного слоя, М., 1974.

С. Л. Вишневецкий.

   <<      Предметный указатель      >>