2.1 Обратный уступ.

Рисунок 2.1.1 – Схема течения и распределение давления на обратном уступе.

Схема обтекания обратного уступа представлена на рисунке 2.1.1. На кромке уступа сверхзвуковой поток претерпевает разворот с образованием веера волн разрежения, на которых поток теряет давление и температуру, но прибавляет существенно в числе Маха. Численное изменение газодинамических параметров описывается соотношениями для обтекания тупого угла Прандтля-Майера (см. лекции «Перспективные методики расчета средств выведения»). Претерпевшие определенный разворот сверхзвуковые линии тока устремляются вниз и, достигая поверхности, образуют систему косых скачков уплотнения , после которых течение разворачивается вдоль поверхности конструкции. Давление за косым скачком существенно выше давления не только в течении Прандтля-Майера за уступом, но и в невозмущенном потоке Р_∞. Дозвуковые линии тока из нижней части пограничного слоя, стекающие вниз за обратным уступом, не в состоянии преодолеть давление, которое создается за скачками уплотнения. Возникает разворот части потока к задней стенке уступа. Точка R на рисунке 2.1.1 является точкой растекания, или точкой, разделяющей поток на протекающий вперед и образующий возвратное вихревое течение вблизи стенки обратного уступа. Приходящая в точку растекания линия тока называется разделяющей линией тока. Она обозначена на рисунке 2.1.1 как РЛТ.

Особенностью многих отрывных течений является несовпадение точки растекания с точкой максимального давления. Как показано на рисунке 2.1.1, точка растекания смещена ближе к стенке обратного уступа, чем точка максимального давления. Это объясняется тем, что после существенного торможения потока в точке растекания начинается рост толщины нового присоединившегося пограничного слоя. На некотором расстоянии увеличение толщины пограничного слоя вызывает дополнительное сжатие потока и повышение давления в нем. Это увеличивает угол наклона ударной волны и смещает точку растекания вниз по потоку. А этот процесс уменьшает толщину пограничного слоя. В конечном итоге течение приходит в равновесие. Тепловой поток, также как и давление будет иметь максимум за точкой растекания. Чтобы определить параметры потока в точке максимального давления и теплообмена в диапазоне чисел Маха выведения ракет от 3 до 10, можно воспользоваться обобщением экспериментальных данных. В частности из экспериментов в данном диапазоне чисел Маха известно, что примерное положение точки растекания от излома образующей составляет 3-4 высоты обратного уступа. Эта оценка позволяет провести расчет параметров на поверхности за точкой растекания, как поле разворота потока на угол, тангенс которого 0.25...0.3, и прохождения его через скачок с этим же углом наклона. Поскольку в течении Прандтля-Майера сохраняется высокое полное давление Р_о∞, оно и применяется для расчета давления за косым скачком Р_ск, поэтому величина восстановленного за скачком статического давления Р_ск высока. Это повышение давления Р_ск по отношению к давлению в невозмущенном потоке Р_∞ и обеспечивает высокие тепловые потоки.

Следует отметить, что область повышенного давления и теплового потока за обратным уступом невелика, составляет не более 2-3 высот уступа. Далее параметры потока сравниваются с параметрами невозмущенного течения. Тепловые потоки в этой зоне достигают 1.2-1.8 от тепловых потоков перед обратным уступом.

Давление, как показано на рисунке 2.1.1, так и теплообмен в вихревом течении, прилегающем к уступу меньше, чем в невозмущенном потоке. Это объясняется тем, что давление на стенке уступа в вихревом течении формируется дозвуковой частью пограничного слоя. Его можно оценить как донное давление Р_од, которое может составлять от 0.9 до 0.5 от Р_∞. Отношение тепловых потоков в вихревом течении и невозмущенном течении примерно соответствует отношению давлений в степени 0.8.