Особенности околозвуковых течений

Околозвуковым называется течение, если в его поле имеются одновременно два вида областей: дозвуковые и сверхзвуковые.

При непрерывном увеличении числа Маха невозмущенного потока от нуля можно считать, что околозвуковой диапазон начинается там, где наибольшее из местных чисел Маха достигает единицы, и кончается там, где достигает единицы наименьшее из чисел Маха.

Для тонких тел вращения область околозвуковых скоростей определяется интервалом чисел . Для двумерных течений диапазон околозвуковых чисел Маха зависит от относительной толщины тела (рис. 9.13). То же относится и к конус-цилиндрическим телам (для них ~ ).

Некоторые общие свойства околозвуковых течений удобно рассматривать на примере обтекания простого клина (рис. 9.14). При числе в угловой точке клина впервые достигается скорость потока, равная скорости звука. При обтекании угла происходит разрежение, т. е. ускорение потока. Звуковая линия и веер волн разрежения начинаются в угловой точке.

Рис. 9.14. Обтекание клина околозвуковым потоком

При увеличении скорости потока и приближении числа к единице зона местных сверхзвуковых скоростей за угловой точкой расширяется в продольном и поперечном направлениях. Скачок уплотнения, замыкающий местную сверхзвуковую область, смещается вниз по потоку. В то же время в отрицательной «бесконечности» (в набегающем потоке) зарождается новый скачок уплотнения, который при увеличении числа приближается к вершине клина и достигает ее. Таким образом, если при местная сверхзвуковая зона располагается перед скачком уплотнения, то при она располагается за ним.

Околозвуковое обтекание клина и конуса имеет общие особенности:

1. Звуковая скорость не может быть достигнута на каком-либо плоском участке поверхности. Во всем околозвуковом диапазоне скоростей звуковая скорость достигается вблизи угловой точки тела.

2. При числе местное число Маха становится постоянным, т. е. . Это значит, что местные числа Маха на поверхности клина или конуса при остаются постоянными. Это явление называется законом стабилизации для трансзвуковых течений (например, для конуса с диапазон постоянства определяется значениями чисел Маха ).

Осесимметричный поток у конуса имеет некоторые отличия от потока около клина. Как уже говорилось, при сверхзвуковом обтекании конуса, в отличие от клина, параметры потока одинаковы только на конических поверхностях (а не во всей области между скачком и поверхностью). При обтекании конуса поток в области между скачком и конусом претерпевает дополнительное изоэнтропическое сжатие. То есть при некоторых малых сверхзвуковых числах Маха поток за скачком еще сверхзвуковой, а ближе к поверхности конуса может стать дозвуковым (рис. 9.15). Таким образом, наблюдается плавный переход от сверхзвуковых скоростей к дозвуковым. За скачком уплотнения может существовать дозвуковая зона, вклинивающаяся в область сверхзвукового течения и примыкающая к поверхности конуса. При еще меньших сверхзвуковых скоростях поток уже не является коническим.

В околозвуковом диапазоне скоростей появляется дополнительное волновое сопротивление, которое приводит к резкому возрастанию полного сопротивления тела (так называемый волновой кризис). Следует отметить, что заметное возрастание коэффициента сопротивления за счет волнового сопротивления проявляется при числах Маха .

Экспериментальные данные для тел вращения показывают следующее:

1. Коэффициент лобового сопротивления достигает своего максимума при числах Маха, несколько больших числа , в интервале .

2. Доминирующее влияние на величину оказывает форма головной части (рис. 9.16).

При числах для определения характеристик ЛА в основном используют результаты эксперимента. При числах Маха, близких к единице (область действия закона трансзвуковой стабилизации), расчет характеристик ведут по данным для с учетом их градиента. Например, по известным данным для при можно рассчитать коэффициент сопротивления для чисел Маха . Или наоборот, можно экстраполировать данные для чисел Маха, близких к единице, на число Маха .