Рис. 5. Обтекание клина

Сверхзвуковым потоком газа

Более точно число M определяется по углу наклона ударной волны на клине или конусе, вершина которого помещается в исследуемую точку потока, а ось совмещается с направлением вектора скорости. Если угол при вершине  не превышает некоторого предельного значения, то обтекание характеризуется возникновением перед телом прямолинейного присоединенного скачка уплотнения, наклоненного под углом  к вектору скорости V (рис. 5). В этом случае для определения числа M используют известную зависимость между числом M, углом наклона ударной волны  и углом раскрытия конуса или клина . Для клина эта зависимость выражается уравнением

. (1.11)

График зависимости (1.11) представлен на рис. 2 прил.

Рис. 6. Визуализация скачка уплотнения: а- схема метода;

б – теневое изображение скачка уплотнения; (1 – граница скачка уплотнения, 2 – сверхзвуковой поток, 3 – зона пониженной освещенности, 4 – зона повышенной освещенности)

При помощи оптических методов исследования можно сфотографировать поток около клина и получить теневой снимок, на котором будет изображена линия скачка уплотнения. Оптические методы не дают возможности увидеть линии Маха, вместо них наблюдают ударные волны очень малой, но конечной интенсивности, образуемые, например, царапинами на твердой стенке или острой кромке. Вычисленное по углу слабых возмущений значение числа Маха несколько меньше его действительной величины, так как скорость распространения наблюдаемых слабых волн несколько превышает скорость звука и их огибающая будет наклонена к направлению скорости под углом несколько большим, чем .

Для наблюдения скачков уплотнения применяется теневой метод. На рис. 6 схематично показано теневое изображение скачка уплотнения и поясняются физические основы метода. Рабочая часть АДТ просвечивается параллельным световым пучком. Если плотность среды постоянна, то световые лучи, пройдя рабочую часть, равномерно освещают экран. Скачок уплотнения вносит оптическую неоднородность в поле течения. Это связано с тем, что плотность изменяется вдоль оси АДТ. Световые лучи отклоняются от первоначального направления, вызывая неравномерную освещенность E экрана. Причем в пределах скачка уплотнения освещенность существенно ниже, чем за скачком. Изображение скачка уплотнения представляет собой темную полосу со стороны набегающего потока, ограниченную яркой каймой, освещенность которой постепенно уменьшается.

Основным недостатком теневого метода является то, что хотя изменение освещенности экрана зависит от плотности среды, получить количественные данные о распределении плотности оказывается весьма трудно. Причина этого состоит в том, что световые лучи от различных точек потока, преломившись, могут попасть на одно и то же место экрана. Поэтому на практике для визуального определения плотности и давления в потоке газа применяют шлирен-метод или интерферометрический метод.

Шлирен-метод состоит в измерении смещения светового луча, проходящего через оптически неоднородную среду. В случае плоского потока это смещение пропорционально градиенту плотности.

Интерферометрический метод основан на разделении монохроматического луча света на два когерентных луча (опорный и рабочий), которые после прохождения заданного пути вновь соединяются и дают интерференционные эффекты. При прохождении световых пучков через среду с постоянной плотностью интерференционные полосы будут параллельны друг другу. Если на пути одного из пучков света окажется среда с другим коэффициентом преломления, то произойдет сдвиг полос; если при этом имеются градиенты плотности, то полосы к тому же и деформируются. По сдвигу и деформации полос определяют плотность газа.

Основными преимуществами оптических методов являются безынерционность и отсутствие необходимости вводить в поток возмущающие его механические приспособления.