Взаимодействие со скачками уплотнений

Особенно большие продольные положительные градиенты давления возникают в области взаимодействия скачков уплотнения с пограничным слоем. Рассмотрим это явление более подробно.

           В сверхзвуковом потоке пограничный слой обладает той особенностью, что он имеет две зоны — дозвуковую, примыкающую к стенке, и сверхзвуковую, переходящую во внешний поток. Такие явления, как образование скачков, слабых волн возмущения, могут происходить только в сверхзвуковой зоне. Поэтому, если в потоке идеального газа прямой скачок начинается у самой стенки (рис. 126 слева), то в пограничном слое его начало расположено на линии w=а, отстоящей от обтекаемой поверхности на некотором расстоянии (рис. 126 справа). Скорость перед скачком в сверхзвуковой зоне пограничного слоя меняется от w=w₀>а до w=а, поэтому повышение давления в разных элементах скачка различно. В результате этого за скачком создаются поперечные градиенты давления. В связи с тем, что скачок не доходит до стенки, а между ними остается дозвуковой слой, повышенное давление, господствующее за скачком, может проникать через этот слой против течения в область, расположенную перед скачком. В результате этого уже перед скачком появляется большой положительный продольный градиент давления, который служит причиной интенсивного увеличения толщины пограничного слоя, а в некоторых случаях и возникновения отрыва.

Резкое увеличение толщины пограничного слоя перед скачком может вносить и качественные искажения в картину течения. Так, например, при обтекании внутреннего тупого угла скачок не выходит из точки А, как в случае идеального газа, а смещается несколько вперед, причем в сверхзвуковой зоне пограничного слоя его фронт искривляется (рис. 127 вверху). Причину смещения скачка легко понять, если построить толщину вытеснения δ *. Приняв эту линию за контур обтекаемого тела, можно заметить, что впереди точки А получается обтекание сильно вогнутой стенки, где должна получиться серия характеристик сжатия, переходящих в скачок [22].

           Профиль скорости в пограничном слое может оказывать влияние на форму скачка уплотнения. Это влияние наблюдается, например, при обтекании профиля крыла потоком с большой дозвуковой скоростью. Когда число М₀ набегающего потока (меньшее единицы) достигает некоторого критического значения М₀ = М_{0 кр}, то на поверхности профиля появляется местная сверхзвуковая зона, так как при обтекании его носовой части, особенно в области спинки, происходит нарастание скорости. При обтекании хвостовой части профиля скорость должна вновь уменьшиться и стать дозвуковой. Торможение сверхзвукового потока происходит в скачках уплотнения. В случае ламинарного пограничного слоя образуется система скачков, состоящая из нескольких косых и замыкающего прямого. Ее называют лямбдаобразным скачком. Если же пограничный слой турбулентный, то косые скачки не возникают, а замыкающий криволинейный скачок имеет форму весьма близкую к прямому (рис. 128).

           Отражение косого скачка от твердой стенки, на которой образовался пограничный слой, также имеет некоторые особенности. Падающий скачок АБВ, взаимодействуя с пограничным слоем, вызывает местное увеличение его толщины (рис. 129). В результате в зоне ГДЖ, где линии тока искривляются так же, как и при обтекания вогнутой стенки, возникают слабые волны сжатия, переходящие в косой скачок ЖБЕ. Это — первый отраженный скачок. За падающим скачком искривление линий тока в пограничном слое происходит так, как при обтекании выпуклой стенки. Это сопровождается появлением линий разрежения в зоне КВИЛ. Затем при выравнивании потока вновь образуются линии сжатия в зоне МПН, переходящие во второй отраженный косой скачок ПС.

           Таким образом, в отличие от случая идеального газа, где падающий на стенку скачок порождает один отраженный, при взаимодействии с пограничным слоем падающий скачок порождает два отраженных, отделенных друг от друга волной разрежения.

           Поскольку в волне разрежения скорость повышается, то второй отраженный скачок получается достаточно интенсивным. Поэтому изображенная на рис. 129 конфигурация скачков обладает большими потерями, чем система «падающий — отраженный скачок».

КРАТКИЙ КУРС ПС