Особенности движения сжимаемого газа

Первая особенность заключается в том, что для дозвуковых скоростей для увеличения скорости струйки газа необходимо сужать, а для уменьшения скорости – расширять. Если же скорости сверхзвуковые, то для увеличения скорости струйка должна расширяться, а для уменьшения сжиматься.

Вторая особенность движения газа заключается в разном характере распространения малых возмущений в дозвуковом и сверхзвуковом потоках (рис.5.2).

Рис.5.2 Волны малых возмущений

Представим источник малых возмущений, который условно будем считать точечным.

- Пусть этот источник помещен в точке О (рис.5.2,а). В неподвижном газе малые возмущения будут равномерно распространятся во все стороны с оной и той же скоростью в виде сферической звуковой волны.

-Если неподвижный источник малых возмущений поместить в дозвуковой поток газа ( ), то возмущения относительно газа так же будут распространяться по сферам, но центры этих сфер, как и сами сферы, будут сносится потоком в направлении движения газа (рис.5.2,б).

Сферические волны, непрерывно исходящие из возмущающего центра, будут опережать движение самого тела.

-Если тело движется со скоростью, равной скорости звука ( ), то образуемые телом волны имеют общую касательную, причем сам источник возмущения (тело) находится в общей точке касания (рис.5.2,в).

-Если тело движется со скоростью, большей скорости звука ( ), скорость возмущающего центра (тела) больше скорости распространения волн. Центр возмущения обгоняет волны, оставляя их позади себя в виде расширяющегося конуса, вершиной которого он является (рис.5.2,г).

Поскольку , то перемещающаяся сфера все время будет касаться конуса, половина угла которого может быть определена из соотношения

.

Угол называется углом возмущения, а конус, половина угла которого при вершине равна - конусом возмущения; образующие конуса называются линиями возмущения.

При этом образующие конуса являются местом, где возмущения будут наибольшими.

Таким образом, в случае движения источника малых возмущений с дозвуковой скоростью возмущения от него передаются вперед, а в случае движения со сверхзвуковой скоростью источник “не предупреждает” впереди находящийся газ, так как малые возмущения не могут распространяться перед движущемся телом, а находятся внутри конуса возмущения.

Понятие скачка уплотнения. Тело, обтекаемое потоком воздуха, является совокупностью точечных источников возмущений. В сверхзвуковом потоке слабые возмущения точечных источников — конусы возмущений – суммируются, создавая более сильное возмущение среды — ударную волну (рис.5.3).

Скорость движения ударной волны значительно больше скорости звука. Поэтому ударная волна перемещается против сверхзвукового потока. Отходя от тела, она ослабевает, и скорость её движения уменьшается. Как только скорость движения ударной волны станет равной скорости набегающего на тело сверхзвукового потока , она остановится.

Остановленная относительно потока ударная волна называется скачком уплотнения.

Рис.5.3 Физическая сущность скачка уплотнения

На скачке происходит резкое (скачкообразное) изменение всех параметров потока. Толщина скачка очень мала – приблизительно .

При прохождении через скачок уплотнения сверхзвуковой поток теряет часть своей кинетической энергии в результате пре­образования её в энергию давления и тепловую энергию. Поэтому одновременно с резким уменьшением скорости V в скачке про­исходит резкое повышение давления р, плотности и температуры Т. Процессы, происходящие в скачках, необратимы.