Глава 5
ТЕЧЕНИЯ ГАЗА
В пространстве движущегося газа по большому счету, за исключением некоторых достаточно ограниченных областей (пограничный слой, след за телом и др.), имеет место безвихревое, или потенциальное течение. Выясним, при каком условии течение можно считать потенциальным, т. е. при каком условии в потоке будут отсутствовать вихри.
Рассмотрим какую-нибудь линию тока аА (рис. 5.1). Проведем касательную к линии тока в точке а (совпадает с направлением вектора скорости ) и внутреннюю нормаль n. Уравнение движения в проекции на нормаль n запишется следующим образом:
, (5.1)
где r = Оа – радиус кривизны линии тока; – центростремительное ускорение. Вдоль линии тока полная удельная энергия и энтропия не изменяют своей величины, т. е. и dS = 0.
Допустим, что при переходе от одной линии тока аА к другой bВ, расположенной на расстоянии от аА, полная удельная энергия и энтропия газа изменяются. То есть
. (5.2)
Исключив из уравнений (5.2) получим . Тогда и после подстановки в уравнение движения (5.1) имеем следующее:
|
|
или .
Выражение в скобках есть не что иное, как удвоенная угловая скорость . Из условия потенциальности (вращательное движение отсутствует) = 0, следовательно, .
Это равенство в общем случае выполняется, если и .
Случай выполнения этого равенства при и не представляет интереса, так как он соответствует движению с линиями тока в виде либо концентрических окружностей, либо параллельных прямых.
Таким образом, поток газа можно считать потенциальным, если полная удельная энергия и энтропия при переходе от одной линии тока к другой не изменяются.
Основное дифференциальное уравнение плоского
потенциального потока газа
Рассмотрим плоский потенциальный газовый поток (установившееся течение). Уравнение неразрывности для такого течения имеет вид , которое для плоского потока запишется как . Проведя дифференцирование в этом уравнении, получаем
. (5.3)
Выразим и через проекции скорости и . Считая движение баротропным , где , можно записать, что
и .
Заменим в этих выражениях и через уравнения Эйлера (3.6) и (3.7) с учетом малости массовых сил, т. е. ,
,
.
Тогда имеем следующее:
,
.
Полученные выражения подставим в уравнение (5.3) и приведем его к следующему виду:
. (5.4)
Учтем, что для потенциального потока , , и уравнение (5.3) примет вид
. (5.5)
Уравнение (5.5) представляет собой основное дифференциальное уравнение газовой динамики для плоского потенциального установившегося газового потока. Это нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка в частных производных относительно неизвестной функции . Однако коэффициенты при вторых производных в явном виде от координат х и y не зависят, поэтому уравнение (5.5) называют квазилинейным дифференциальным уравнением.
|
|
Для решения уравнения применяют два метода:
1) метод малых возмущений (метод линеаризации), который широко используется при исследовании обтекания тонких тел при малых углах атаки как в дозвуковом, так и в сверхзвуковом потоке и позволяет получить решение в аналитическом виде;
2) метод характеристик – численный метод, который применяется для определения поля скоростей в сверхзвуковом потоке.