Структура и режимы течения в неизобарических сверхзвуковых струях, страница 6

Расчетные исследования также показали, что в большей части начального участка недорасширенной струи основная масса истекающего из сопла газа концентрируется в тонком сжатом слое вблизи границы. При этом распределение параметров вблизи границы существенно неравномерное, что объясняется образованием низкоэнтропийного слоя газа струи, прилежащего к внутренней стороне границы, и, наоборот, высокоэнтропийного слоя газа спутного потоки, прилежащего к внешней стороне границы струи. Так как в реальном течении вдоль границы образуется слой смешения, то его развитие происходит в условиях завихренного течения. При этом следует иметь в виду, что через слой смешения также может протекать значительная доля от всей струи.

Рассмотрим теперь влияние вязких эффектов на течение в неизобарической струе. Эти эффекты являются определяющими на основном участке струи. Значительна их роль и на переходном участке. Вместе с тем экспериментальные исследования показали, что неучет вязкости при описании течения на начальном участке может привести к значительным ошибкам в определении распределения параметров.

Проявление вязких эффектов на начальном участке неизобарической струи многообразно. Сюда относятся как процессы, связанные с образованием пограничного слоя на поверхностях обтекаемого внешним потоком аппарата, из которого истекает струя, так и процессы вязкости, теплопроводности и диффузии, протекающие ниже по течению от сопла в слое смешения. Эти процессы могут происходить, как при ламинарном, так и при турбулентном режимах течения.

В дополнение к перечисленным ранее критериям п, g_а, М_а, q_а, g_а, М_¥ учет вязких эффектов в неизобарической струе приводит к следующим критериям подобия:

- числу Рейнольдса, вычисленному по параметрам на срезе сопла и радиусу его кромки Rе_а = r_аW_аr_а/m_а (m_a—динамический коэффициент вязкости газа при температуре T_a);

- числу Рейнольдса, вычисленному по параметрам в невозмущенном спутном потоке Re_¥ = r_¥W_¥r_а/m_¥ (m_¥ - динамический коэффициент вязкости газа спутного потока при температуре T_¥);

- параметру спутности т = W_¥/W_max;

- энтальпийному фактору i₀ = H_¥/H_a (отношению полных энтальпий спутного потока и струи);

- числам Прандтля для газа струи и спутного потока Pr_a = m_ac_pa/l_a и Pr_¥ = m_¥c_p¥/l_¥ (с_{р -} удельная теплоемкость при p = const, l - коэффициент теплопроводности);

- числам Шмидта для газа струи и газа спутного потока Sm_a = m_a/r_aD и Sm_¥ = m_¥/r_¥D (D - коэффициент диффузии).

В зависимости от условий течения m, l и D будут соответствовать значениям коэффициентов вязкости, теплопроводности идиффузииили их турбулентным аналогам.

Наличие пограничного слоя в сопле обусловливает повышение энтропии в струйках тока, протекающих вблизи границы струи, и тем самым уменьшает поперечный градиент энтропии в этой зоне. по сравнению с этой величиной в невязком течении. Пограничный слой на наружной поверхности обтекаемого аппарата взаимодействует с истекающей из сопла струей. При истечении на режиме перерасширения (n < 1) или на режимах с небольшими недорасши-рениями (n < 10) и при острой выходной кромке сопла реализуется безотрывное взаимодействие (см. рис.45). С ростом степени нерасчетностн при некотором угле отклонения границы струи в сторону спутного потока возникает отрыв наружного пограничного слоя и реализуется течение, схематически изображенное на рис.46. При этом перед зоной отрыва, как на изломе образующей твердой стенки, образуется ударная волна, если спутный поток является сверхзвуковым. Параметры отрывной зоны (угол отрыва и линейные размеры) зависят от режима течения в пограничном слое. Например, для турбулентного течения угол отрыва значительно больше, чем для ламинарного.