|
|
ОСНОВИ
АЕРОДИНАМІКИ ТА ДИНАМІКИ ПОЛЬОТУ частина І АЕРОГІДРОГАЗОДИНАМІКА Електронний посібник |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1. ТЕОРЕТИЧНІ
ОСНОВИ ДОЗВУКОВОЇ ТА НАДЗВУКОВОЇ АЕРОГІДРОГАЗОДИНАМІКИ |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Поняття про збурення газового середовища Кожна виступаюча частина поверхні твердого тіла, що
рухається в газовому середовищі з надзвуковою швидкістю, є джерелом збурень
середовища, а саме: підвищення і зниження тиску, щільності, температури та
інших параметрів газового потоку. Слабкі збурення виникають при обтіканні малих за об’ємом
тіл, шорсткої поверхні і невеликих зламів тіл поверхні, а також під дією
слабких звукових вібраторів. Слабкі збурення – це сферичні хвилі стиснення і
розрідження, які поширюються в газовому середовищі зі швидкістю звуку. Сильні
збурення в газовому середовищі поширюються у вигляді характеристик розширення
або у вигляді стрибків ущільнення. Поширення слабких збурювань в середовищі
У нерухомому середовищі від нерухомого точкового джерела
збурення хвилі поширюються у вигляді концентричних сферичних хвиль, радіуси
яких в часі збільшуються зі швидкістю звуку. Частота коливань становить 17 – 20 кГц, досягаючи
людського вуха, вони стають чутними людиною (рис. 92). Таким чином, звук – це процес поширення в пружному
середовищі слабких збурювань у вигляді концентричних
сферичних хвиль стиснення і розрідження.
З формули випливає, що швидкість звуку, який поширюється в нерухомому середовищі, переважно залежить
від її температури. Що вище температура середовища, то менше стисливість
газу. Характеристикою стисливості середовища є число Маха
Розглянемо, як зміниться картина поширення хвиль, якщо
потік буде набігати на джерело збурювань зі швидкістю, меншою швидкості звуку
(V < a). Хвилі кіл, радіуси яких збільшуються в часі,
зносяться потоком і картина поширення хвиль залежить від співвідношення між
швидкістю звуку і швидкістю газового потоку. Джерело збурювань переміщається
зі швидкістю потоку (V), а радіуси кіл сферичних
хвиль збільшуються зі швидкістю звуку (a). Так як радіуси кіл сферичних хвиль збільшуються швидше, ніж
зноситься потоком центр збурювань, то хвилі збурювань поширюються як по
потоку, так і назустріч потоку, тому хвилі збурювань охоплюють весь простір,
заповнений газом (рис. 93).
Якщо газовий потік рухається зі швидкістю, рівною швидкості
звуку (V = a), то збурення вперед проти
потоку не поширюються, а хвилі збурювань охоплюють весь простір від площини «D-Е» і назад по потоку (рис. 94).
У разі поширення слабких збурювань в надзвуковому потоці
газу, швидкість руху центру джерела збурювань більше швидкості поширення
хвиль. При цьому центр збурювань обганяє радіуси кіл сферичних хвиль,
залишаючи їх позаду себе у вигляді розширюваного конуса збурювань (рис. 95).
При V ≥ a, сфера, що переміщається, весь
час буде торкатися твірної конуса, половину кута розкриття конуса μ можна визначити із співвідношення:
Із трикутника ОАО3
виходить, що ОА = 3V, ОО3 = 3а, тому Кут
Таким чином, під
час руху джерела малих збурювань з дозвуковою швидкістю збурювання від нього
передаються як вперед, проти потоку, так і по потоку, а під час руху з
надзвуковою швидкістю хвилі збурювань від джерела вперед проти потоку не
поширюються. За швидкості потоку, що дорівнює швидкості звуку, зона
збурювань відокремлена від незбурюваної зони площиною «DE», перпендикулярною напрямку руху потоку.
Визначити число Маха і число Рейнольдса, якщо висота
польоту літака Н = 2000 м,
швидкість V = 450 км/год,
динамічний коефіцієнт в'язкості μ
= 1,2×10-5 Па⸳с, площа
прямокутного крила S = 25 м2,
розмах крила l = 15 м. Поширення сильних збурювань в
середовищі Нехай газовий потік рухається вздовж горизонтальної площини
двостороннього зовнішнього кута AOB
з надзвуковою швидкістю (рис. 96). В ході проведених досліджень в аеродинамічних трубах
встановлено, що в широкому діапазоні кутів повороту потоку (ω ≈ до 300 – 400)
течія газового потоку плавна безперервна.
Газовий потік в т.О
відхиляється від початкового положення. Злам зовнішнього кута в т.О викликає появу
сильних збурювань у вигляді радіальної характеристики ОС, яка нахилена до напрямку вектора незбурюваного потоку
на кут
Характеристика ОС
є лінією збурювання, вздовж якої газодинамічні параметри газового потоку
залишаються постійними. А на самій лінії відбувається зміна величин
газодинамічних параметрів. Після повороту потоку на кут ω рух його здійснюється уздовж другої сторони кута ОВ. При цьому швидкість потоку
збільшується і стає більшою, ніж швидкість незбурюваного потоку, так як
відбувається рух потоку в розширеному каналі М1 > M. Збурення із т.О поширюються по новій радіальній
характеристиці ОС1,
нахиленій до вектору нового напрямку швидкості VОВ під кутом
Поворот газового потоку від положення з радіальною
характеристикою ОС до
характеристики ОС1
на кут ω розглядається
як серія нескінченно малих поворотів поточних характеристик, які прямують
одна за одною від початкового до кінцевого положення, рівного куту ω.
Фізична сутність виникнення стрибків ущільнення За обтікання твердого тіла газовим потоком зі швидкістю,
більшою за швидкість звуку (
Якщо кут нахилу стрибка ( Вид стрибка
ущільнення залежить від форми обтічного тіла і числа Маха.
– перед тілом виникає від'єднаний прямий стрибок і далі по мірі
віддалення від тіла кут нахилу стрибка зменшується, а його інтенсивність
знижується; – далі від тіла стрибок ущільнення розсіюється і
перетворюється в хвилю слабких збурень. За обтікання надзвуковим потоком загостреного тіла у
вигляді конуса або клина виникає приєднаний косий стрибок ущільнення. На
реальному ЛА за надзвукового обтікання стрибки ущільнення виникають в
місцях стиковки крила, стабілізатора, вертикального кіля, підвісок та інших
виступаючих частин ЛА. За обтікання внутрішнього двостороннього кута в т.О виникає стрибок
ущільнення, де відбувається стиснення потоку з утворенням стрибка ущільнення ОС (рис. 98):
Газовий потік в т.О
відхиляється від початкового положення. Зміна зовнішнього кута в т.О викликає появу сильних
збурень у вигляді стрибка ущільнення ОС,
який нахилений до напрямку вектора незбуреного потоку на кут β.
Після повороту потоку на кут ω, рух його здійснюється уздовж другої сторони кута ОВ. При цьому швидкість потоку
зменшується і стає меншою, ніж швидкість незбуреного потоку, так як
відбувається рух надзвукового потоку в звужувальному каналі М1 < M. За збільшення швидкості течії кут нахилу стрибка ущільнення
зменшується і він наближається до поверхні обтічного тіла (↑ М → β → ω)
Кожна зміна напрямку обтічного тіла стає джерелом слабких
збурень, які, поширюючись у просторі, накладаються одне на одного і утворюють
характеристики збурення у відповідних точках (рис. 99).
За надзвукового обтікання плавного злому обтічного тіла в т. «1-0-2» виникають сильні
збурення, які поширюються вгору у вигляді характеристик збурення, при цьому
вони, накладаючись одне на одного, утворюють від'єднаний стрибок ущільнення.
Форма стрибка залежить від форми утворювальної поверхні обтічного тіла.
1) Коефіцієнт опору літака Сха,1 = 0,019. В процесі
експлуатації і ремонту обшивки фюзеляжу літака коефіцієнт опору збільшився до
Сха,2 = 0,024.
Визначити на скільки збільшилась сила опору літака в польоті на висоті Н = 6 км, якщо швидкість V = 648 км/год, площа крила S = 140 м2. 2) Коефіцієнт підйомної сили літака Сyа,1 = 1,2. В процесі експлуатації
і ремонту обшивки фюзеляжу літака коефіцієнт підйомної сили зменшився до Сyа,2 = 0,8.
Визначити у скільки разів зменшилась підйомна сила літака в польоті на висоті
Н = 5000 м, якщо швидкість V = 650 км/год, площа крила S = 140 м.
Рівняння рухомого газового потоку на стрибку ущільнення Для розгляду якісного стану параметрів газового потоку
позначимо їх: до стрибка – «без індексу», за стрибком – з індексом «1» (рис. 100).
При переході через стрибок ущільнення змінюється швидкість
не тільки за величиною, а і за напрямком. Кут повороту сторони внутрішнього
двостороннього кута позначимо (ω).
Розкладемо швидкість набігаючого потоку V
на дві складові: нормальну і дотичну (
– закону
збереження маси; – закону
збереження енергії; – закону
зміни кількості руху.
Визначити нормальні і дотичні швидкості течії перед
стрибком ущільнення і після, якщо швидкість незбуреного потоку V∞ = 350 м/с, кут
відхилення сторони внутрішнього двостороннього кута ω = 300, а кут нахилу стрибка ущільнення β = 60. Рівняння збереження маси при переході через стрибок
ущільнення При переході через стрибок ущільнення потік не
розривається. Тому згідно із законом збереження маси (рівняння нерозривності)
секундна масова витрата газу через площу стрибка (S) залишається постійною:
Так як
Рівняння зміни кількості руху на стрибку ущільнення Рух газу через стрибок ущільнення відповідає закону про
зміну кількості руху рухомої маси газу. Зміна кількості руху при переході
через стрибок по нормалі до нього в секунду дорівнює:
так як
Зміни кількості руху вздовж стрибка ущільнення не
відбувається:
Рівняння збереження енергії на стрибку ущільнення
Зміни параметрів газу на
стрибку ущільнення 1. Зміни нормальної складової швидкості
Для прямого стрибка ущільнення: Тоді формула спрощується і для прямого стрибка ущільнення
має вигляд:
Якщо швидкість газового потоку перед прямим стрибком
ущільнення більше швидкості звуку (а), то за прямим стрибком
швидкість завжди буде дозвуковою і її значення можна визначити за формулою:
2. Зміни масової щільності газового пото.ку Якщо відома нормальна складова швидкості Для визначення співвідношення масової щільності
використовуємо рівняння збереження маси газу:
Таким чином, відношення масової густини при переході через
стрибок ущільнення залежить лише від одного параметра Аналізуючи формулу, можна зробити висновок, що щільність
газу не може збільшуватися безмежно, а прагне зі збільшенням числа Маха до
деякої кінцевої межі:
Для повітря, якщо k
= 1,4, тоді,
Визначити нормальну складову швидкості течії перед стрибком
ущільнення і після, а також масову густину за стрибком ущільнення, якщо
швидкість незбуреного потоку V∞
= 400 м/с, кут відхилення сторони внутрішнього двостороннього кута ω = 50, кут
нахилу стрибка ущільнення β =
80, політ здійснюється на висоті Н = 2000 м. Зміна тиску і температури газового потоку на стрибку
ущільнення Використовуючи теорему механіки про імпульс сили:
Після проведення відповідних перетворень і підстановок
отримаємо кінцеву формулу для визначення співвідношення тисків за стрибком
ущільнення і до стрибка:
Зміна температури на стрибку ущільнення визначається,
виходячи з рівняння стану газу: перед стрибком Таким чином, можна зробити висновок, що відношення Залежність основних параметрів від
Принцип вимірювання числа Маха і швидкості надзвукового
газового потоку За швидкості польоту М
< 1, принцип вимірювання числа Маха і швидкості (М і V) заснований на вимірюванні відносних тисків: повного до
тиску незбуреного потоку – p*/p
(рис. 102):
Тоді визначення числа Маха здійснюється за формулою Релея
(для прямого стрибка):
Фізична картина обтікання затуплених тіл Особливістю надзвукового газового потоку є те, що за
криволінійною ударною хвилею є зони дозвукових швидкостей течії між обтічним
тілом і фронтом ударної хвилі (рис. 103).
За великих кутів відхилення потоку (що характерно для
затуплених тіл) утворюється відокремлена криволінійна ударна хвиля. У міру віддалення від
центральної лінії потоку стрибок ущільнення стає слабкішим, кут нахилу його
зменшується, швидкість за косим стрибком залишається надзвуковою. Зони
надзвукової і дозвукової течії розділяються поверхнею, на якій місцева
швидкість течії дорівнює швидкості звуку. Обтікання затуплених, ступінчатих циліндричних і
конічних тіл За обтікання надзвуковим потоком цилідричних частин з
затупленим переднім краєм утворюється відокремлена ударна хвиля, і між тілом
і ударною хвилею утворюються зони дозвукової, звукової і надзвукової течії
(рис. 104). Поділ цих швидкісних зон здійснюється по лініях А1-А11
і А2-А211.
У т.1 відбувається
поворот потоку і течія здійснюється в як би розширюваному каналі, що
супроводжується появою характеристик розширення, швидкість потоку на них збільшується.
Далі в т.2
(переходу тіла від циліндричної
частини до конічної) виникає поворот потоку, що супроводжується
стисканням потоку, і як наслідок, виникає конічний стрибок ущільнення,
швидкість потоку залишається надзвуковою. Далі в т.3 від конічної частини поверхня тіла
переходить в циліндричну частину, що викликає розширення потоку, що, в свою
чергу, призводить до виникнення розгалудженої картини характеристик
розширення. В т.В
місцевий надзвуковий потік стає рівним величині надзвукового незбуреного
потоку. Фізична сутність звукового
удару Під час польоту літака з надзвуковою швидкістю виникає
складна картина стрибків ущільнення і характеристик розширення, які
утворюються в різних точках фюзеляжу літака: в місцях зламу поверхні і від
нерівностей поверхні ЛА (рис. 105). Перша ударна хвиля від носової частини фюзеляжу літака поширюється
в незбуреному середовищі. Наступні ударні хвилі поширюються в умовах
підвищеного тиску і високої температури. Тому швидкість їх поширення
збільшується, стрибки наздоганяють попередні ударні хвилі і зливаються в одну
потужну головну ударну хвилю.
Зниження тиску в хвостовій частині літака викликає
зменшення масової густини і температури ↓
– висоти
і швидкості польоту; – маси,
форми і розмірів літака; – виду
виконуваного літаком
маневру. Інтенсивність хлопка більшою мірою залежить від висоти
польоту літака. Зазвичай польоти на надзвукових швидкостях польоту V > a здійснюються в
спеціальних зонах або обмежуються висотами польоту. Особливості гіперзвукової
течії газового потоку Польоти літаків при числах M > 4 умовно вважаються гіперзвуковими.
– в
одних випадках застосовувати спрощене рішення аеродинамічних задач,
пов'язаних з взаємодією ЛА з газовим потоком за великих гіперзвукових
швидкостей; – в
інших випадках значно їх ускладнити, так як метод лінеаризації
диференціальних рівнянь руху, які застосовуються при моделюванні помірних надзвукових течій, не застосовують для
гіперзвукових течій.
– за
температури Т = 25000К і
помірних тисків починається дисоціація молекул кисню; – за
температури Т = 40000К
відбувається дисоціація молекул азоту; – за
температури Т = 70000К
відбувається іонізація атомів азоту і кисню, за подальшого збільшення
температури відбувається іонізація молекул азоту. Питомі
теплоємності за таких високих температур стають не постійними величинами і не
залежать від температури. Тому в дослідженнях не використовуються питомі теплоємності, отримані за постійних об’єму і тиску. При
гіперзвукових швидкостях неминучий сильний аеродинамічний нагрів обшивки ЛА.
Тому максимальна швидкість польоту може обмежуватися не тільки з умов отримання максимальної підйомної
сили, а й з умов максимально допустимого кінетичного нагріву обшивки ЛА.
Розглядаючи
обтікання тіл під невеликим кутом атаки ( Стиснення
газового потоку проходить з утворенням стрибка ущільнення (рис. 106):
За збільшення швидкості течії кут нахилу стрибка ущільнення
зменшується і він наближається до поверхні обтічного тіла (↑ М → β → ω)
При течії з розширеннями потоку поворот і розгін надзвукового
потоку відбувається на одній характеристиці ОС ... ОС1 (рис. 107):
За збільшення числа Маха: У цьому випадку коефіцієнт тиску буде дорівнювати значенню:
Тоді можна визначити відносну зміну тиску, викликану зміною
кута нахилу поверхні обтічного тіла:
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||