Особенности течения сверхзвуковых потоков в узких цилиндрических каналах
5
атмосферу (давление 0,1 МПа). Схема расчетной области представ-
лена на рис. 1 (границы показаны штриховой линией).
Рис. 1.
Схема расчетной области
Расчеты выполнены с использованием равномерной декартовой
сетки с наибольшим числом ячеек: 1720 по осевой координате
x
и 200
по радиальной координате
r
(соответствующие размеры ячейки рав-
ны 0,125 и 0,05 мм). Начало координат (
x = r =
0) соответствует
входному сечению цилиндрического канала.
Первая серия расчетов проведена для вариантов газодинамиче-
ского тракта, отличающихся длиной цилиндрического канала (насад-
ка)
L
. Диаметр канала
D
принят равным 5 мм. Расчеты выполнены в
ламинарной постановке. На рис. 2 и 3 представлены поля статическо-
го давления и числа Маха для каналов различной длины (
L
= 50, 100
и 150 мм). Для всех рассчитанных вариантов характерно течение с
торможением сверхзвукового потока на входе в канал (см. рис. 2), в
результате чего на начальном участке канала формируется система
скачков уплотнения (псевдоскачок).
Структура течения потока в цилиндрическом канале различной
длины отчетливо видна на рис. 2 и 3. При длине канала
L
= 50 мм
(рис. 2,
а
и 3,
а
) на входном участке формируется сравнительно ко-
роткий псевдоскачок — зона протяженностью около 30 мм, в кото-
рой образуется несколько скачков уплотнения и происходит тормо-
жение потока до М = 1,8 (на оси); при этом статическое давление па-
дает до 0,10…0,12 МПа. Утолщенной линией на рис. 3 показана
граница М = 1, разделяющая течение в канале и в окружающем про-
странстве на зоны с дозвуковой и сверхзвуковой скоростью. Как вид-
но на рис. 3,
а
, толщина зоны дозвукового течения в насадке меняет-
ся от 0,2 мм (вблизи входного и выходного сечений насадка) до
0,9 мм (в центральной его части). По мере приближения к выходному
сечению насадка скорость потока возрастает, и, поскольку его стати-
ческое давление достаточно велико, поток истекает в атмосферу со
сверхзвуковой скоростью, формируя при этом затопленную струю
значительной длины со скачками уплотнений, интенсивность кото-
рых падает по мере удаления от среза насадка. Наибольшая скорость
струи составляет М ≈ 2. Отметим, что на расстоянии 150 мм от среза
насадка струя практически не размывается: как видно на рис. 3,
а
,
