Структура и режимы течения в неизобарических сверхзвуковых струях, страница 7

При дальнейшем увеличении степени нерасчетности длина отрывной зоны возрастает и оказывается равной длине аппарата (при ламинарном течении это практически реализуется всегда), и затем начинает увеличиваться угол отрывной зоны. При этом последний всегда меньше, чем угол наклона границы струи вблизи выходной кромки сопла, так что достижение предельного угла отклонения внешнего потока в коническом скачке уплотнения здесь наступает при больших значениях п, чем при невязком обтекании. Для некоторых достаточно больших значений степени нерасчетности (n ~ 10⁵, ..., 10⁶) перед отрывной зоной, имеющей угол отрыва, больший предельного, в спутном потоке образуется отошедшая ударная волна (см. рис.46). Обтекание поверхности аппарата дозвуковым потоком за отошедшей ударной волной происходит также с отрывом пограничного слоя на корпусе аппарата.

Если выходная кромка сопла не является острой, то в области кормового среза аппарата реализуется отрывное течение как в спутном потоке, так и в истекающей струе. В кормовой области аппарата при этом образуется застойная область с вихревыми течениями.

Во всех случаях проявление описанных вязких диссипативных Процессов приводит к тому, что вблизи выходной кромки сопла слой смешения уже имеет некоторую начальную толщину d₀ и его центральная часть характеризуется повышенной энтропией и дефектом скорости. Влияние начального профиля скорости, имеющей этот дефект, сказывается до тех пор, пока масса газа, подмешавшегося ниже по течению, не превысит массы газа, участвовавшего в установлении начального профиля. При степенях нерасчетности n > 10, как показывают результаты экспериментов, влияние начального профиля слабо сказывается на распределении параметров на большей части начального участка.

Развитие слоя смешения вдоль границы, разделяющего струйный и спутный потоки, оказывает значительное влияние на распределение параметров в сильно недорасширенной струе. Поскольку при n > 10 через слой смешения примерно в середине, начального участка протекает значительная доля всего истекающего газа, то процессы вязкой диссипации, охватывающие эту долю газа, оказывают влияние и на параметры в соседних со слоем смешения невязких зонах. При этом происходит и изменение положения ударных волн - их оттеснение. Возникает эффект вязкого взаимодействия, сходный по своей природе с явлением вязкого взаимодействия, имеющим место при обтекании пластины вязким гиперзвуковым потоком.

Это обнаруженное в экспериментальных и теоретических исследованиях явление было изучено как для ламинарного, так и турбулентного течения. Оказалось, что характер вязкого взаимодействия при турбулентном и ламинарном течениях в слое смешения имеет различные закономерности изменения.

Для описания характера и параметров течения в слое смешения, а также явления вязкого взаимодействия удобно ввести число Рейнольдса Re_L, вычисленное по средним параметрам в слое смешения (например, на линии, где значение скорости равно полусумме скоростей струи и внешнего потока) и характерному размеру L начального участка. Значение Re_L связано с введенными ранее числами Re_a и Re_¥, а также зависит от п, М_а и М_¥ и других параметров. Например, для случая истечения струи в затопленное пространство, как будет показано далее, Re_L ~ Rе_a/. Более сложная связь имеет место для истечения струи в спутный поток.

Число Re_L в отличие от Re_a и Re_¥ отражает локальные условия течения в слое смешения и поэтому позволяет классифицировать течение но видам.

При турбулентном течении распределение параметров внутри него и эффект вязкого взаимодействия определяются параметром спутности т и энтальпийным фактором i₀ и не зависят от числа Рейнольдса. Таким образом, автомодельность распределения пара­метров в сходственных сечениях (х/Х) начального участка струи имеет место при фиксированных значениях гиперзвукового параметра подобия К и параметров т и i₀. Интенсивность вязкого взаимодействия струи со спутным потоком сильно зависит от параметра спутности т. При значениях m близких к единице, толщина турбулентного слоя смешения мала и вязкое взаимодействие струи со спутным потоком проявляется слабо. При этом геометрическая структура струи и распределение параметров в потоке, за исключением зоны тонкого слоя смешения, близки к рассчитанным по теории невязкой жидкости. При отклонении т от единицы как в сторону больших, так и в сторону меньших значений увеличивается темп нарастания толщины слоя смешения и одновременно повышается интенсивность вязкого взаимодействия струи со спутным потоком, приводящего, в частности, к оттеснению висячего скачка к оси пото­ка. Распределение параметров при этом существенно отличаетсяот рассчитанного по модели невязкой жидкости.