ID: 39952

Название работы: Скачки уплотнения

Категория: Лекция

Предметная область: Физика

Описание: Кинематические соотношения для косого скачка. Волновое сопротивление косого скачка. Интенсивность косого скачка. В связи с этим ударные волны называются скачками уплотнения.

Язык: Русский

Дата добавления: 2013-10-13

Размер файла: 218 KB

Работу скачали: 104 чел.

Лекция 5. Скачки уплотнения

План

5.1. Механизм образования скачков

5.2. Прямой скачок уплотнения. Параметры потока в скачке

5.3. Основное кинематическое соотношение. Уравнение ударной адиабаты

5.4. Косые скачки уплотнения.

5.5. Температуры частичного торможения

5.6. Кинематические соотношения для косого скачка. Определение параметров потока в косом скачке

5.7. Волновое сопротивление косого скачка. Интенсивность косого скачка. Угол отклонения потока в косом скачке. (*самостоятельно)

5.1. Механизм образования скачков.

При движении тела с большой скоростью впереди него образуется пространство с повышенным давлением среды, которое вызывает сопротивление движению тела.

Повышенное давление в этой области распространяется с большой скоростью во все стороны в виде волн давления. Основная особенность волн давления заключается в том, что фронт волн очень узок, и поэтому состояние газа изменяется скачком. В связи с этим ударные волны называются скачками уплотнения.

    0      H        1

Рисунок 5.1 – К вопросу о механизме образования скачков уплотнения

Рассмотрим механизм образования скачков.

Под влиянием резкого смещения поршня в трубе перед поршнем возникает и распространяется волна сжатия. За бесконечно малый промежуток времени d фронт волны переместится на расстояние dx. При этом в области H-0 за время d произошло повышение давления от Pн (давление невозмущенного потока) до P1 (давление за фронтом волны). В соответствии с повышением давления произошло и повышение плотности на величину

Повышение плотности означает, что из объема 0-H в объем Н-1 перетечет элементарное количество газа:

Из уравнения неразрывности можно определить скорость газового потока за фронтом волны:

 

или

но производная dx/d - это скорость распространения волны В; тогда

        (5.1)

За время  масса газа, заполнявшая объем Н-1  перейдет из состояния покоя в движение со скоростью . Соответствующее изменение количества движения должно быть равно импульсу силы, вызванной разностью давлений в 1 и Н.

Из уравнения количества движения

; Н=0

       (5.2)

Откуда

        (5.3)

тогда скорость потока за фронтом волны

   (5.4)

5.2.Прямой скачок уплотнения. Параметры потока в скачке.

Если фронт ударной волны составляет прямой угол с направлением движения потока, то такая волна называется прямой ударной волной или прямым скачком уплотнения.

1.  Из уравнения неразрывности

        (5.5)

1.  Из уравнения количества движения

      (5.6)

с учётом (5.6) имеем

т.е.

        (5.7)

Для энергетически изолированного потока, когда dQ=0 и i0=const из

         (5.8)

для температуры потока перед скачком имеем

         (5.9)

из уравнения состояния газа

и  , тогда

, но ,

или

аналогично

.

Вычтем P1-PH,

.

Из уравнения количества движения

,

тогда

 

или

.

Принимая во внимание, что

запишем

.        (5.10)

Отношение изменения давления к изменению плотности в скачке пропорционально этому отношению до скачка.

5.3.Основное кинематическое соотношение. Уравнение ударной адиабаты

Основное кинематическое соотношение

Критическая скорость

,

но

, тогда

.

Для скачка имеем

, тогда

,  - основное кинематическое соотношение  (5.11)

В прямом скачке уплотнения всегда сверхзвуковая скорость газового потока переходит в дозвуковую. При этом чем больше значение коэффициента скорости перед скачком (Н), тем меньше его значение после скачка (1), т.е. чем выше начальная скорость газа (Н), тем сильнее получается скачок уплотнения.

Уравнение ударной адиабаты.

Используя

,

, получим

.

Из уравнения (5.5) следует:

тогда

.

, но    , а

, тогда

, или

.

Запишем так

.

Левую часть разделим на Н, правую  часть на Р1:

;       (5.12)

При неограниченном возрастании давления в скачке (Р) увеличение плотности в скачке имеет предел

, для воздуха     (5.13)

5.4. Косой скачок уплотнения

В косом скачке уплотнения фронт ударной волны располагается наклонно к направлению потока. Возникает он тогда, когда пересекая фронт скачка, газовый поток должен изменить направление, например, при сверхзвуковом обтекании газом клиновидного тела.

=

Разложим векторы скорости до скачка  Н    и после скачка  1   на составляющие  параллельно фронту и нормально фронту ударной волны (скачка). При этом тангенциальная составляющая остаётся постоянной  t=const, а нормальная составляющая уменьшается   NH  > N1.

 

5.5.Температуры частичного торможения

В косом скачке уравнение теплосодержания для теплоизолированного потока

.

Из треугольника скоростей

, но .

Откуда

.

Выведем понятие температуры частичного торможения, понимая под ним температуру, которую будет иметь поток не при полном торможении, а лишь при погашении нормальных к фронту скачка составляющих скорости

     (5.14)

5.6.Определение параметров потока в косом скачке. Кинематические соотношения для косого скачка

Определение параметров потока в косом скачке

Если учесть уравнение состояния в виде

,

то можно показать, что косой скачек уплотнения описывается такими же уравнениями, что и прямой скачек, с той лишь разницей, что в первом случае вместо полной скорости присутствуют нормальные к фронту скачка компоненты, а вместо температуры полного торможения Т0 -  температура частичного торможения Т.

,

,

здесь - частичная критическая скорость, которая соответствует температуре частичного торможения Т.

Кинематические соотношения для косого скачка

,

а связь между полной и частичной критическими скоростями определяется уравнением:

, т.к.

и .

Переходя к коэффициентам скорости

;  или .

5.7. Волновое сопротивление косого скачка. Интенсивность косого скачка. Угол отклонения потока в косом скачке. (*)

Волновое сопротивление косого скачка 

Изменение полного и статического давлений в косом скачке определяется соответственными для прямого скачка уравнениями, если вместо H вставить величину NH:

Интенсивность косого скачка. Угол отклонения потока в косом скачке.

Если связать эти изменения с абсолютной скоростью набегающего потока, то получим следующие уравнения.

  ,  где

где

Если вывести эти зависимости в функции от числа М:

откуда видно, что при одной и той же скорости набегающего потока (MH=const) косой скачек всегда бывает слабее прямого и интенсивность его изменяется с изменением угла наклона фронта скачка к направлению набегающего потока.

Уравнение, связывающее отношение с числом М и углом наклона скачка

Зная соотношение плоскостей, можно вычислить угол ω, на который отклоняется поток в скачке:

с учетом уравнения неразрывности

  или