2.13.3. Фізична суть стрибків ущільнення

Тіло, обтічне потоком повітря, є сукупністю безлічі точкових джерел збурень. У надзвуковому потоці слабкі збурення точкових джерел — конуси збурень — підсумовуються, створюючи більш сильне збурення середовища — ударну хвилю.

Швидкість руху ударної хвилі значно більше швидкості звуку. Тому ударна хвиля переміщається проти надзвукового потоку. Відходячи від тіла, вона слабшає, і швидкість її руху зменшується. Як тільки швидкість руху ударної хвилі V_хв стане рівній швидкості надзвукового потоку V₁, що набігає на тіло, то ударна хвиля зупиниться (V_хв = V₁). Така зупинена щодо потоку ударна хвиля і називається стрибком ущільнення (рис. 2.48). Отже, стрибок ущільнення є межею збурень, викликаних тілом. Стрибок ущільнення можна розглядати як деяку поверхню розриву, на якій відбувається різка (стрибкоподібна) зміна всіх параметрів потоку.

Рис. 2.48. Фізична сутність стрибка.

Товщиною стрибка вважається відстань між двома перетинами потоку, при проходженні якій потік змінює свої параметри. Товщина стрибка дуже мала, вона дорівнює приблизно подвоєній довжині вільного пробігу молекул: δ = 10 ^{- 5} ÷ 10 ^{- 6} см. Тому можна вважати, що зміна параметрів потоку відбувається миттєво.

При проходженні через стрибок ущільнення надзвуковий потік втрачає частину своєї кінетичної енергії в результаті перетворення її в енергію тиску і теплову енергію. Тому одночасно з різким зменшенням швидкості V у стрибку відбувається таке ж різке підвищення тиску р, густини і температури Т. Процеси, що відбуваються в стрибках ущільнення, необоротні, оскільки частина теплової енергії розсіюється.

2.13.4. Хвильовий опір

При проходженні через стрибок ущільнення частина кінетичної енергії надзвукового потоку необоротно втрачається, переходячи в тепло. Причиною цих втрат є так званий хвильовий опір. По своїй природі хвильовий опір є опором тиску. Утворення стрибків ущільнення в надзвуковому потоці викликає перерозподіл тисків за профілем крила.

За головним стрибком ущільнення тиск різко збільшується, і на передній частині профілю створюється підвищений тиск, який через збільшення швидкості обтікання опуклих поверхонь профілю убуває. В місці найбільшої товщини профілю тиск стає рівним 0, а на задній частині профілю вже створюється підсмоктування (розрідження), що зростає до задньої кромки профілю (рис. 2.49). Проекції векторів тиску цих сил на напрям потоку утворюють додаткову складову аеродинамічної сили, що називається хвильовим опором Х_х. Хвильовий опір спрямований по потоку (проти руху крила). Величина хвильового опору Х_х визначається втратами кінетичної енергії потоку, які при даному числі М потоку залежать від форми стрибка.

Рис. 2.49. Хвильовий опір.

2.13.5. Форма стрибка ущільнення

Форма стрибка ущільнення залежить від форми обтічного тіла і числа М надзвукового потоку. За формою стрибок ущільнення може бути прямій або косий.

Прямий стрибок ущільнення – це стрибок, поверхня якого складає з напрямом набігаючого потоку прямий кут β = 90° (рис. 2.50). За прямим стрибком ущільнення напрям швидкості потоку не змінюється. Гальмування потоку в прямому стрибку ущільнення настільки значно, що швидкість за ним стає дозвуковою. Значить, прямий стрибок ущільнення є межею між надзвуковою і дозвуковою частиною потоку, причому прямий стрибок знаходиться на деякій відстані від обтічного тіла.

Рис. 2.50. Прямий стрибок ущільнення.

Косий стрибок ущільнення - це стрибок, поверхня якого нахилена до набігаючого потоку, тобто кут β < 90° (рис. 2.51).

Рис. 2.51. Косий стрибок ущільнення.

У косому стрибку втрати кінетичної енергії потоку значно менше, ніж у прямому стрибку, і залежать від кута нахилу стрибка. При проходженні потоку через косий стрибок зменшується тільки нормальна складова швидкості V_n , а дотична складова швидкості V_τ зберігає своє значення. Це викликає зміну напряму руху потоку. Напрям руху потоку збігається з напрямом поверхні обтічного тіла. Швидкість потоку після косого стрибка може залишитися надзвуковою.

Прямі стрибки ущільнення спостерігаються при обтіканні носової частини тупих тіл, косі стрибки – при обтіканні гостроносих тіл.

При порівняно невеликій надзвуковій швидкості потоку перед тілом з тупою передньою кромкою на деякій відстані від нього утворюється прямий від’єднанний стрибок ущільнення 1 (рис. 2.52). Втрати кінетичної енергії потоку в такому стрибку ущільнення максимальні. Тому прямі від’єднанні стрибки створюють дуже великий хвильовий опір. Зі збільшенням швидкості надзвукового потоку прямий стрибок ущільнення наближається до передньої кромки тіла і починає „складатися”, зменшуючи кут нахилу.

Рис. 2.52. Форми головного стрибка ущільнення.

Хвильовий опір, що створюється косими стрибками, значно менше, ніж у прямих стрибків. Утворюються косі стрибки ущільнення в потоці з великою надзвуковою швидкістю при обтіканні тіл з гострою передньою кромкою 2 (рис. 2.52). Для зменшення хвильового опору надзвукових літаків передбачають „дроблення” прямих стрибків, тобто заміну їх системою косих стрибків. Для цього робляться гострими передні кромки крила, оперення, встановлюються висувні конуси і профільовані клини на вході в двигуни (рис. 2.53), а також профільовані голки перед фюзеляжем.

Рис. 2.53. „Дроблення” прямого стрибка.

По розташуванню щодо обтічного тіла стрибки ущільнення діляться на головні 1, хвостові 2 і місцеві 3 (рис. 2.54).

Рис. 2.54. Розташування стрибків ущільнення.

Головні стрибки ущільнення виникають при V > a через гальмування потоку перед тілом. Хвостові стрибки ущільнення виникають від зіткнення двох непаралельних потоків. Місцеві стрибки ущільнення замикають місцеві надзвукові зони, що виникають при дозвукових швидкостях польоту.

На рис. 2.55 наведені тіньові фотографії спектрів обтікання тіл у надзвуковій аеродинамічній трубі. Ці знімки підтверджують рис. 2.52.

Рис. 2.55. Тіньові фотографії спектрів обтікання тіл у надзвуковій аеродинамічній трубі.