Структура и режимы течения в неизобарических сверхзвуковых струях

14. ТЕЧЕНИЕ СТРУЙ

14.1. Структура и режимы течения в неизобарических сверхзвуковых струях

Свободные газовые струи можно разделить на две большие группы: дозвуковые и сверхзвуковые газовые струи. В дозвуковых струях во всех точках течения скорость газа меньше местной скорости звука. В сверхзвуковых струях имеются области, где скорость течения газа превышает местную скорость звука. Последние могут быть изобарическими и неизобарическими. Для изобарических струй характерно постоянство давления во всем поле течения, в неизобарических струях давление может существенно изменяться как по длине струи, так и поперек течения. Неизобарические струи образуются при истечении газа из сопла на нерасчетном режиме, т. е. когда давление срезе сопла р_а на срезе сопла отличается от давления р_¥ в окружающей газовой среде. При этом возможно как недорасширение потока в сопле (р_а > р_¥), так и его перерасширение (р_а < р_¥).

Изобарические сверхзвуковые струи являются идеализацией, так как на самом деле они не существуют в практике. Для получения полностью изобарической струи необходимо бесконечно длинное профилированное сопло. На выходе из конечного сопла газ имеет небольшую, но конечную радиальную скорость, релаксация которой во внешней атмосфере приводит к появления слабых скачков, т.е. к неизобаричности. В реальных машинах и устройствах сопла достаточно короткие и работают в широком диапазоне внешних давлений. Поэтому неизобарические струи являются наиболее широким классом сверхзвуковых струйных течений.

Газовая среда, в которую происходит истечение, может находиться в покое относительно сопла или двигаться относительно со скоростью W_¥. В связи с этим отличают случаи истечения в затопленное пространство, спутный и встречный потоки. Далее рассматриваются только первые два вида течения.

Нерасчетность истечения характеризуется степенью нерасчетности n = р_a/р_¥. При n < 1 струя называется перерасширенной, а при n > 1 - недорасширенной.

Если в изобарической струе основным процессом является вязкое перемешивание, а радиальная компонента скорости на срезе сопла с нулевым углом на выходе практически равна нулю, то в недорасширенной струе из-за нерасчетности истечения сразу за срезом сопла газ приобретает заметную скорость в радиальном направлении, что приводит к сложному течению с областями расширения и сжатия, а также с ударными волнами сложной конфигурации. На рис.43 приведена теневая фотография слабо недорасширенной струи холодного воздуха. Ниже показана упрощенная схема сверхзвуковой неизобарической (недорасширенной) струи, истекающей в затопленное пространство из сопла 1. При этом радиальная компонента скорости газа вблизи границы струи оказывается существенно переменной по длине струи и может несколько раз менять свое направление, пока под воздействием диссипативных эффектов не станет пренебрежимо малой. Такая особенность приводит к тому, что на некотором расстоянии от среза сопла граница струи может образовывать последовательность характерных бочкообразных приближенно подобных структур 2, хорошо видных на фотоснимке, очертания которых постепенно размываются под воздействием эффектов вязкости, теплопроводности и диффузии, протекающих в нарастающем вдоль границы струи слое смешения 3, а также под воздействием волновых потерь на скачках уплотнения. В слое смешения струи 3 скорость потока изменяется от максимальной величины на внутренней границе слоя смешения до нуля на внешней. Область вблизи оси потока ограниченная внутренней границей слоя смешения 5 называется потенциальным ядром

струи. Внутри него силами вязкости можно пренебречь и считать течение в нем течением идеального газа. Между внутренней и внешней границей слоя смешения проходи так называемая звуковая линия 4 (пунктир на рис. 1), которая разграничивает течение газа в струе со сверхзвуковой и дозвуковой скоростью. Волновые структуры в струе существуют только в пределах звуковой линии 4.

Наблюдаемое число ударно-волновых структур и их геометрия существенно зависит от условий течения и в общем случае оказывается тем меньшим, чем более существенно проявляются диссипативные процессы. Так, при очень больших степенях нерасчетности истечения (n > 100) зачастую наблюдается лишь одна «бочка». Бочкообразная форма границы неизобарической струи обусловливает возникновение ударных волн сходной конфигурации, а отражение последнихот оси симметрии потока может приводить к образованию маховских конфигураций с прямыми замыкающими ударными волнами.

В целях удобства и наглядности описания картины течения в неизобарической струе последняя условно разделяется на начальный, переходный и основной участки (см. рис. 44.).