Структура и режимы течения в неизобарических сверхзвуковых струях, страница 8

При ламинарном течении (Re_L< 10³) влияние параметров i₀ и т более слабое. Рост толщины слоя смешения, распределение пара­метров и вязкое, взаимодействие струи со спутным потоком в основном определяются числом Рейнольдса, вычисленным по характерным параметрам в слое смешения и характерной длине начального участка струи. Экспериментально и теоретически установлено, что при больших числах Re_L и ламинарном течении толщина слоя смешения на начальном участке мала, вязкое взаимодействие струи со спутным потоком проявляется слабо и газодинамическая структура. струн близка к рассчитываемой без учета вязкости. Уменьшение числа Re_L приводит к утолщению слоя смешения, перераспределению параметров в сжатом слое смешения, оттеснению висячего скачка. Автомодельность распределения параметров в сходственных сечениях (х/Х) начального участка струи имеет место при фиксированных значениях гиперзвукового параметра подобия и числа Re_L.

В экспериментах было обнаружено явление перехода режима течения в слое смешения начального участка струи от ламинарного к турбулентному. Анализ этих результатов позволил наметить границы, разделяющие эти режимы. Так, для затопленной струи переход ламинарного режима течения на начальном участке к турбулентному происходит в диапазоне Re_L от 10³ до 10⁴. Переход в слое смешения высотной струи, истекающей в сверхзвуковой спутный поток, помимо Re_L определяется также параметром спутности m, и характером взаимодействия истекающей струи со спутным потоком в окрестности летательного аппарата. Течение в слое смешения становится ламинарным на. всей длине начального участка на высотах 90...100 км, когда Re_L = 10⁴…10⁵, параметр спутности m ~ 1, а обтекание струи спутным стоком переходит от режима с отрывом пограничного слоя на корпусе аппарата к режиму с образованием отошедшей ударной волны.

Результаты специально проведенного цикла экспериментальных исследований позволили также установить физическую картину и закономерности перехода ламинарного течения к режимам, при которых проявляются эффекты разреженности. Такой переход наблюдается при Re_L < 10². В этом случае из-за утолщения слоя смешения и ударных волн происходит смыкание и перекрытие их зон, так что сжатый слой струи становится полностью вязким. Дальнейшее уменьшение Re_х приводит к проникновению газа затопленного пространства или спутного потока в зону изоэнтропического ядра струи. При Re_х < 10 струя приобретает существенно диффузную структуру. При этом, поскольку Re_L ~ Re_a/, то его уменьшение может происходить как из-за уменьшения Re_a, так и из-за увеличения n. В соответствии с этим имеют место два различных режима истечения. Если уменьшение Re_L происходит из-за уменьшения Re_a, то предельным является так называемый эффузионный режим истечения, характеристики которого зависят от эффектов разреженности в сопле. Если же число Re_a остается достаточно большим (например, Re_a > 10³) и течение в сопле обладает свойствами сплошной среды, то при неограниченном увеличении степени нерасчетности п предельным режимом является истечение струи в абсолютный вакуум.

Уменьшение уровня давления в недорасширенной струе приводит также к проявлению эффектов неравновесности протекания различных физико-химических процессов, таких как процессы горения, конденсации, релаксации колебательных, вращательных и поступательных степеней свободы молекул. Учет этих явлений вместе с учетом явлений, обусловленных эффектами вязкости в недорасширенных струях, представляет чрезвычайно трудную задачу. Анализ релаксационных явлений до настоящего времени в основном ограничивался режимом истечения струи в абсолютный вакуум, что для сильно недорасширенной струи соответствует зоне ее изоэнтропического ядра, ограниченной висячим и центральным, скачками уплотнения. В расчетных схемах движения мелкодисперсных конденсированных частиц в неизобарических струях в настоящее время часто используется приближение, согласно которому обратное влияние частиц на параметры газовой фазы несущественно. При этом движение частиц определяется по заранее рассчитанному полю параметров газовой фазы. Такое приближение достаточно надежно для сильно недорасширенных струй при расстояниях от сопла, примерно на порядок превышающих его радиус.