Структура и режимы течения в неизобарических сверхзвуковых струях, страница 3

В недорасширенной струе (рис.44,б) на кромке сопла А происходит расширение газа в центрированной волне разрежения 7. Начальная характеристика 6 волны разрежения является характеристикой второго семейства течения на выходе из сопла. Взаимодействуя со свободной границей струи 2 волны разрежения 7 искривляют ее и отражаются от нее в виде волн сжатия, которые, в свою очередь, накладываясь друг на друга формируют висячий скачок уплотнения 1. Висячий скачок 1 характерен только для недорасширенной струи. Образование этого скачка можно объяснить еще следующим образом. Условие постоянства давления вдоль границы 2 расширяющейся сверхзвуковой струи приводит к искривлению этой границы и образованию волн сжатия, идущих внутрь струи. Пересечение волн сжатия формирует висячий скачок уплотнения 1, имеющий бочкообразную форму.

Возникающий в струе падающий или висячий скачок уплотнения ниже по потоку взаимодействует с осью симметрии. Можно показать, что в осесимметричном течении полностью невозможно регулярное отражение скачка от оси струи. Согласно эксперименту отражение этого скачка обычно происходит с образованием центрального скачка 4 (так называемого диска Маха), переводящего набегающий сверхзвуковой поток в дозвуковой, и отраженного скачка 5. В некоторых случаях, когда в условиях невязкого газа размер центрального скачка должен быть малым, вследствие влияния вязкости отражение падающего или висячего скачка может происходить без образования центрального скачка.

На рис.44 изображены течения в перерасширенной и недорасширенной струях при наличии центрального скачка уплотнения, за которым течение становится дозвуковым. Из точки В, которую принято называть тройной точкой, выходит линия тангенциального разрыва 8, разделяющая течение за отраженным скачком 5 и центральным скачком 4. В реальном течении вдоль линии разрыва 8 образуется зона смешения. В точке С пересечения отраженного скачка 5 с границей 2 струи вновь образуется центрированная волна 7 разрежения и начинается новая «бочка».

Из экспериментов следует, что дозвуковое течение за центральным скачком ускоряется и становится сверхзвуковым.

Предельный случай недорасширенной струи - истечение в абсолютный вакуум. При этом в струе не возникают ударные волны. На кромке сопла А происходит разворот потока газа на предельно возможный при заданных М_а и g_а угол q_max. На расстояниях, значительно превышающих pазмер выходного сечения сопла, течение приобретает характер течения от точечного источника с распределенной по полярному углу интенсивностью. При этом скорость газа достигает предельного значения, равного  (Н_а - полная энтальпия), а линии тока приближаются к прямым линиям, проведенным из центра выходного сечения сопла. Поскольку течение в этом случае приобретает радиальный характер с почти постоянной скоростью W_mах, то из условия сохранения расхода вдоль каждой струйки тока следует, что плотность в этой области падает как квадрат расстояния от среза сопла. Такой темп падения плотности приводит к постепенному уменьшению числа столкновений между молекулами и ведет кнарушению химического равновесия и равновесия по внутренним степеням свободы молекул расширяющегося газа. На некотором, достаточно большом удаленииотсопла, где течение становится практически бесстолкновительным, нарушается равновесие и по поступательным степеням свободы. Здесь становятся несправедливыми уравнения сплошной среды.

Важно иметь в виду, что в области течения (см. рис.44,б) сильно недорасширенной струи, ограниченной висячим скачком уплотнения и центральным скачком, имеет место точно такое же распределение параметров, которое реализовалось бы на этом участке пространства при истечении в вакуум газа при тех же условиях на срезе сопла. Поэтому исследование истечения в вакуум входит составной частью в исследование струи с большой, но конечной степенью нерасчетности.