Сжимаемый поток
-
Сжимаемое течение и его история
- Сжимаемое течение изучает потоки с изменениями плотности жидкости.
- Потоки считаются несжимаемыми при числе Маха меньше 0,3.
- Изучение связано с высокоскоростными самолетами, реактивными двигателями и другими областями.
-
Истоки и развитие
- Изучение началось с пуль и артиллерии в начале 19 века.
- В начале 20 века исследования переместились в аэрокосмическую промышленность.
- Людвиг Прандтль и его ученики внесли значительный вклад.
-
Основные понятия
- Сжимаемое течение основано на допущениях континуальности и отсутствия скольжения.
- В сжимаемом потоке плотность и температура газа переменны.
- Используются уравнения состояния газа и сохранения энергии.
-
Системы отсчета и одномерное течение
- Используются лагранжевы и эйлеровы системы отсчета.
- Одномерное течение подходит для каналов и сопел.
- Двумерное течение важно для внешнего обтекания тел.
-
Число Маха и волновые явления
- Число Маха определяется как отношение скорости к скорости звука.
- При дозвуковых скоростях скорость звука игнорируется.
- При сверхзвуковых скоростях возникают ударные волны и волновые углы Маха.
-
Одномерный поток и сопла Лаваля
- Одномерный поток анализируется в каналах и соплах.
- Используются допущения о длине воздуховода и устойчивости потока.
- Сопла Лаваля изменяют физику течения при переходе от дозвукового к сверхзвуковому режиму.
-
Уравнение для дозвукового и сверхзвукового потока
- Сходящийся канал увеличивает скорость дозвукового потока, расходящийся канал уменьшает скорость.
- Для сверхзвукового потока сходящийся канал уменьшает скорость, расходящийся канал увеличивает скорость.
-
Сопло де Лаваля
- Сопло де Лаваля сужается до минимальной площади, затем расширяется.
- Поток достигает 1 Маха в горловине сопла.
- Для дальнейшего увеличения скорости поток должен расширяться.
-
Максимальная скорость газа
- Максимальная скорость газа ограничена его энергетическим содержанием.
- Скорость газа зависит от удельной теплоемкости и температуры торможения.
-
Достижение сверхзвукового потока
- Для достижения 1 Маха поток должен пройти через звуковую горловину.
- Общее соотношение давлений должно быть около 2.
- После достижения 1 Маха поток перекрывается.
-
Нормальные ударные волны
- Нормальные ударные волны перпендикулярны направлению потока.
- Возникают при накоплении волн давления.
- Анализ проводится в системах отсчета стоячего и движущегося удара.
-
Наклонные ударные волны
- Наклонные ударные волны возникают под углами менее 90° к направлению потока.
- Характеризуются сильным или слабым отклонением потока.
- Полярная диаграмма ударных волн показывает различия в ударах.
-
Косое отражение удара
- Ударная волна может взаимодействовать с границей тремя способами.
- Твердая граница: поток поворачивается на угол δ, ударная волна отражается.
- Неправильное отражение: образуется отрыв ударной волны, происходит отражение Маха.
-
Вентиляторы Прандтля–Майера
- Вентиляторы Прандтля–Майера могут быть компрессионными или расширительными.
- Расширительные вентиляторы ускоряют поток, создавая расширяющийся веер волн Маха.
- Компрессионные вентиляторы создают косую ударную волну.
-
Сверхзвуковые аэродинамические трубы
- Используются для испытаний в диапазоне чисел Маха от 1,2 до 5.
- Разделяются на непрерывные и периодические.
- Продувочные трубы обеспечивают высокое число Рейнольдса, но создают шум и опасность повышения давления.
- Трубы Indraft обеспечивают постоянное давление торможения, но требуют большого вакуумного резервуара.
-
Инженерный комплекс Arnold Engineering Development Complex
- Располагает самой большой в мире сверхзвуковой аэродинамической трубой
- Для работы трубы требуется мощность, необходимая для освещения небольшого города
- Большие аэродинамические трубы становятся менее распространенными в университетах
-
Входные отверстия для сверхзвуковых самолетов
- Наклонные амортизаторы необходимы для входных отверстий сверхзвуковых самолетов на скоростях выше 2 Маха
- Воздухозаборник минимизирует потери при ударах, замедляя сверхзвуковой воздух до дозвукового перед турбореактивным двигателем
- Достигается одним или несколькими наклонными толчками и слабым нормальным толчком с числом Маха выше по течению, обычно меньшим 1,4
-
Регулирование потока воздуха
- Необходимо правильно регулировать поток воздуха в широком диапазоне скоростей от нулевой до максимальной сверхзвуковой
- Это достигается изменением положения впускных поверхностей
-
Методы достижения характеристик
- Для достижения приемлемых характеристик от взлета до скоростей выше 2 Маха требуется изменяемая геометрия
- В XB-70 использовались прямоугольные впускные отверстия с регулируемыми наклонами
- В SR-71 использовались круглые впускные отверстия с регулируемым входным конусом
-
Дополнительные темы
- Несжимаемый поток
- Законы сохранения
- Энтропия
- Уравнение состояния
- Газовая кинетика
- Коэффициент теплоемкости
- Изоэнтропийный поток в сопле
- Лагранжева и эйлерова спецификации поля течения
- Функция Прандтля–Мейера
- Термодинамика, особенно «Общепринятые термодинамические процессы» и «Законы термодинамики»
- Динамика неидеальной сжимаемой жидкости
-
Рекомендации
- Руководство НАСА для начинающих по сжимаемой аэродинамике
- Калькуляторы сжимаемого расхода Virginia Tech