струя

где DT=T-T_а, DТ_т=Т_т-Т_а, -соответствующие значения избыточных темп-ры Т и концентрации , Рr - Прандтля число ,для осесимметричных газовых С. Pr = 0,75-0,8. Углы расширения границ слоя перемешивания С. a и q различны для полей скорости, темп-ры и концентрации. Для турбулентных С. сжимаемого газа углы a и q тем больше, чем больше отличается от 1 спутность потока m = u_a/u_c, чем меньше число М_с на срезе сопла и чем меньше отношение полной энтальпии Н_а течения внеш. газа к полной энтальпии Н_с газа С.: =Н_а/Н_с. Кроме того, толщина С. в осн. участке (как и толщина пограничного слоя в начальном), т. е. углы q и a, существенно увеличиваются при увеличении ср. значения турбулентности потока , где - ср. величина поперечной пульсации скорости, а -ср. величина скорости в С. Таким образом, течение в изоба-рич. турбулентной спутной С. в осн. определяется безразмерными числами Маха М, Прандтля Pr, спутности течения m, относит. энтальпии H^- и турбулентности течения

Схема течения в изобарической, т. н. р а с ч ё т н о й, с в е р х з в у к о в о й спутной С. такая же, как для дозвуковой (рис. 1). Скорость течения на оси изобарич. С. постоянна в пределах начального (изоэнтропического) участка течения х<=х_н, а в дальнейшем монотонно изменяется, стремясь к значению скорости в окружающем пространстве. В осн. участке затопленной С. х>х_н+х_п скорость на оси изменяется по закону для осесимметричных С. и по закону для плоских (=х/b_с - безразмерное расстояние от среза сопла). Независимо от формы поперечного сечения С. на срезе сопла, начиная с нек-рого расстояния , в осн. участке С. становится круглой.

В случае, когда давление р_с в сверхзвуковой С. на срезе сопла отличается от давления р_а в окружающей атмосфере (p_сp_а)> С. наз. н е р а с ч ё т н о й и к числу параметров, характеризующих течение в С., добавляется нерасчётность истечения п=р_с/р_а, определяющая картину ударных волн в С. и во внеш. пространстве. Примером такого течения является С., вытекающая из сопла вертикально стартующей ракеты. Для неё условие n=1 будет иметь место только в одной точке траектории. Осесимметричная нерасчётная С. (рис. 2), вышедшая из сечения а - а сопла расширяется в веере волн разрежения, к-рые отражаются от границы С. в форме волн сжатия, огибающей к-рых является "висячая" ударная волна 1. Осесимметричная волна 1 отражается вблизи оси в области 3, причём в зависимости от режима течения, определяемого нерасчётностью п и отношением чисел М_с/М_а , отражение может быть простым или "маховским", когда вблизи оси течения имеет место прямая ударная волна, за к-рой скорость газа становится дозвуковой. Отражённые ударные волны 2 пересекают внеш. границу течения, при этом возникают ударные волны 4 во внеш. сверхзвуковом потоке и отражённая волна внутри С. (на рис. 2 не показана). Начальный газодинамич. участок С. х_нг от среза сопла до сечения, в к-ром отражённая ударная волна пересекает границу С., наз. первой "бочкой". Вязкий слой перемешивания В, постепенно нарастая, достигает оси течения на расстоянии x_нв, к-рое наз. нач. участком вязкого течения. Далее следуют участки переходного х_п и осн. x_o течений, в к-рых условия течения близки к соответствующим течению в осн. участке изобарич. С. В спутном потоке, обтекающем нач. участок С., возникает ударная волна 5 и давление на внеш. поверхности первой "бочки" становится монотонно убывающим.

Рис. 2. Сверхзвуковая нерасчётная струя в сверхзвуковом спутном потоке.

В реальной нерасчётной С. (рис. 3) в результате отражения ударных волн наблюдается неск. "бочек", к-рые заполняют всю длину невязкого течения вблизи оси С. на участке x_нв, а иногда выходят за её пределы. В большинстве расчётных методик обычно рассматривают только первую "бочку", поскольку она содержит наиб. интенсивные ударные волны, а дальнейшее течение считают изобарическим. Своеобразная картина течения возникает при истечении сверхзвуковой С. большой нерасчётности в сверхзвуковой встречный поток (рис. 4 и 5). Рассматривая движение относительно сопла, из к-рого вытекает С., можно выделить 3 характерные области: область 1, в к-рой газ вытекает из сопла, с числом М_с при давлении р_с, В этой области расположена система ударных волн - УВ (рис. 4), близкая по форме к системе волн, наблюдающейся в сверхзвуковой затопленной С. большой нерасчётности п. Область 2 встречного потока, в к--ром перед головной ударной волной (ГУВ) число Маха - М_а и статич. давление-р_а. Область 3, к-рую приближённо можно рассматривать как застойную с числом М₃~0 и давлением p₃р_а- Вблизи границ течения в С. и областях внеш. пространства 2 и 3 образуется слой вязкого перемешивания В. Обтекание внеш. газом области течения в С. аналогично картине обтекания сверхзвуковым потоком затупленного тела. Течение в области точки 4 близко к течению вблизи критич. точки затупленного тела.

Рис. 3. Теневая фотография осесимметричной сверхзвуковой нерасчётной затопленной струи: 1-висячая ударная волна; 2- отражённые ударные волны; 3 - область отражения ударных волн.

Рис. .4. Схема течения в сверхзвуковой струе, вытекающей во встречный поток: 1 - область течения газа, выходящего из сопла; 2-область встречного потока; 3 - область застойного течения; 4 - "критическая" точка; В- область вязкого перемешивания.

Рис. 5. Теневая фотография сверхзвуковой струи, вытекающей во встречный поток.

Информация о распределении скорости, темп-ры, концентрации компонентов в сечениях С., расположенных на 'выбранном расстоянии от среза сопла, необходима для определения силовых и тепловых нагрузок на стартовые сооружения и элементы конструкций ракетных и самолётных комплексов, на лопатки газовых турбин и др. Та же информация необходима для расчёта излучения С. в широком диапазоне длин эл--магн. волн; Существенно также акустич. поле, возникающее в области распространения С., т. к. турбулентная С. генерирует и акустич. волны. Акустич. мощность, излучаемая С. реактивного двигателя, составляет ок. 1% от общей мощности двигателя; она пропорциональна восьмой степени скорости потока у среза сопла. Уровень шума достигает 150-165 дБ, а спектр частот охватывает более 7 октав.

Разработано большое кол-во полуэмпирич. и численных методов расчёта течения в газовых С., использующих ЭВМ и дающих возможность рассчитать турбулентные и ламинарные, дозвуковые и сверхзвуковые, в т. ч. нерасчётные, С. с учётом двухфазности, хим. реакций в слое смешения, неравновесности течения и др. Однако поставленная задача не является решённой окончательно. Даже самые совершенные расчётные методы используют для получения решения эмпирич. законы турбулентного перемешивания, скорости хим. реакций, интенсивности излучений, полученные в условиях, не позволяющих считать эти законы универсальными.

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Гидродинамика, 4 изд., М., 1988; Теория турбулентных струй, 2 изд., М., 1984; Кар-пман И. М., Истечение недорасширенной струи во встречный сверхзвуковой и дозвуковой поток, "Изв. АН СССР, МЖГ", 1977, № 1, с. 89; Сверхзвуковые неизобарические струи газа, М., 1985; Газодинамика сверхзвуковых неизобарических струй, М., 1989.

М. Я. Юделович.

   <<      Предметный указатель      >>