Обратный уступ

Рисунок 2.1.1 – Схема течения и распределение давления на обратном уступе.

Схема обтекания обратного уступа представлена на рисунке 2.1.1. На кромке уступа сверхзвуковой поток претерпевает разворот с образованием веера волн разрежения, на которых поток теряет давление и температуру, но прибавляет существенно в числе Маха. Численное изменение газодинамических параметров описывается соотношениями для обтекания тупого угла Прандтля-Майера (см. лекции «Перспективные методики расчета средств выведения»). Претерпевшие определенный разворот сверхзвуковые линии тока устремляются вниз и, достигая поверхности, образуют систему косых скачков уплотнения, после которых течение разворачивается вдоль поверхности конструкции. Давление за косым скачком существенно выше давления не только в течении Прандтля-Майера за уступом, но и в невозмущенном потоке Р_∞. Дозвуковые линии тока из нижней части пограничного слоя, стекающие вниз за обратным уступом, не в состоянии преодолеть давление, которое создается за скачками уплотнения. Возникает разворот части потока к задней стенке уступа. Точка R на рисунке 2.1.1 является точкой растекания, или точкой, разделяющей поток на протекающий вперед и образующий возвратное вихревое течение вблизи стенки обратного уступа. Приходящая в точку растекания линия тока называется разделяющей линией тока. Она обозначена на рисунке 2.1.1 как РЛТ.

Особенностью многих отрывных течений является несовпадение точки растекания с точкой максимального давления. Как показано на рисунке 2.1.1, точка растекания смещена ближе к стенке обратного уступа, чем точка максимального давления. Это объясняется тем, что после существенного торможения потока в точке растекания начинается рост толщины нового присоединившегося пограничного слоя. На некотором расстоянии увеличение толщины пограничного слоя вызывает дополнительное сжатие потока и повышение давления в нем. Это увеличивает угол наклона ударной волны и смещает точку растекания вниз по потоку. А этот процесс уменьшает толщину пограничного слоя. В конечном итоге течение приходит в равновесие. Тепловой поток, также как и давление будет иметь максимум за точкой растекания. Чтобы определить параметры потока в точке максимального давления и теплообмена в диапазоне чисел Маха выведения ракет от 3 до 10, можно воспользоваться обобщением экспериментальных данных. В частности из экспериментов в данном диапазоне чисел Маха известно, что примерное положение точки растекания от излома образующей составляет 3-4 высоты обратного уступа. Эта оценка позволяет провести расчет параметров на поверхности за точкой растекания, как поле разворота потока на угол, тангенс которого 0.25...0.3, и прохождения его через скачок с этим же углом наклона. Поскольку в течении Прандтля-Майера сохраняется высокое полное давление Р_о∞, оно и применяется для расчета давления за косым скачком Р_ск, поэтому величина восстановленного за скачком статического давления Р_ск высока. Это повышение давления Р_ск по отношению к давлению в невозмущенном потоке Р_∞ и обеспечивает высокие тепловые потоки.

Следует отметить, что область повышенного давления и теплового потока за обратным уступом невелика, составляет не более 2-3 высот уступа. Далее параметры потока сравниваются с параметрами невозмущенного течения. Тепловые потоки в этой зоне достигают 1.2-1.8 от тепловых потоков перед обратным уступом.

Давление, как показано на рисунке 2.1.1, так и теплообмен в вихревом течении, прилегающем к уступу меньше, чем в невозмущенном потоке. Это объясняется тем, что давление на стенке уступа в вихревом течении формируется дозвуковой частью пограничного слоя. Его можно оценить как донное давление Р_од, которое может составлять от 0.9 до 0.5 от Р_∞. Отношение тепловых потоков в вихревом течении и невозмущенном течении примерно соответствует отношению давлений в степени 0.8.

Дата добавления: 2014-01-07