5.8. Прямой скачок уплотнения

Пара­метры потока газа за косым скачком уплотнения зависят от угла косого скачка β. При увеличении β давление, температура и плотность потока газа за скач­ком увеличиваются, а скорость уменьшается. Угол откло­нения потока вначале увеличивается (при β < β_М), а затем уменьшается (при β > β_М). В частном случае при β = 90° изменения параметров в скачке оказываются максимальными, а угол отклонения потока оказывается равным нулю. Такой скачок расположен под прямым углом к направлению вектора скорости невозмущенного потока и называется прямым скачком. Прямой скачок является частным случаем косого скачка, уравнения прямого скачка получаются из формул (5.6–5.9) после подстановки β = 90°

Произведение скоростей до и после прямого скачка равно квадрату критической скорости. Поэтому скорость потока за прямым скачком всегда меньше критической скорости, т.е. прямой скачок уплотнения является наиболее интенсивным скачком, вызывающим максимальное повышение давления и уменьшение скорости потока.

5.9. Виды скачков уплотнения

Рассмотрим сверхзвуковое течение потока газа вдоль стенки АВ, постепенно увеличивая угол поворота стенки δ в точке В. При малых углах δ (δ < δ_М) возмущение потока невелико и скорость потока за скачком с₂ мало отличается от скорости потока до скачка с₁. В точке В возникает плоский косой скачок уплотнения ВК (рис. 5.8).

При угле δ = δ_М скорость потока газа за скачком становится равной скорости звука (М₂ = 1). При дальнейшем увеличении угла δ (δ > δ_М) скачок отходит от точки В и искривляется. Это объясняется тем, что скорость распространения возмущений становится больше скорости потока. При удалении от стенки давление, плотность и температура газа уменьшается, поэтому скорость распространения возмущений уменьшается и скачок принимает искривленную форму. Такой скачок называется криволинейным отошедшим скачком уплотнения.

Таким образом, скачки уплотнения в сверхзвуковом потоке бывают двух видов: плоский косой скачок уплотнения (частным случаем которого является прямой скачок, расположенный под углом β = 90° к направлению потока), и криволинейный отошедший скачок.

Наиболее интенсивным скачком является прямой скачок уплотнения.

5.10. Потери в скачках уплотнения

Изменение энтропии в термодинамических процессах описывается уравнением

Для скачка уплотнения

поэтому при переходе через скачок энтропия газа уменьшается, наблюдаются потери энергии и часть кинетической энергии газа необратимо переходит в теплоту. Таким образом, в сверхзвуковом потоке газа появляется новый вид сопротивления – волновое сопротивление.

При движении твердых тел с дозвуковой скоростью наблюдается два вида сопротивления:

– сопротивление трения, возникающее от трения потока о шероховатые стенки твердого тела;

– сопротивление давления, возникающее от разности давлений на передней и задней кромках обтекаемого тела. Это сопротивление вызывается тем, что при набегании потока на переднюю кромку тела поток тормозится (давление торможения больше, чем давление в движущемся потоке), а на задней кромке тела возникают вихри, на образование которых затрачивается энергия, вследствие чего давление на задней кромке тела оказывается ниже, чем давление в движущемся потоке.

При движении твердых тел со сверхзвуковой скоростью наблюдается три вида сопротивления:

– сопротивление трения;

– сопротивление давления;

– волновое сопротивление.

Доля каждого вида сопротивления в общем сопротивлении движению тела различна и зависит от скорости потока (числа Рейнольдса). При малых дозвуковых скоростях потока наиболее существенно в общем сопротивлении сопротивление трения. По мере увеличения скорости потока увеличивается сопротивление давления (волновое сопротивление в дозвуковом потоке отсутствует). В сверхзвуковых потоках наиболее существенно в общем сопротивлении волновое сопротивление, а сопротивление трения и сопротивление давления сравнительно небольшие.