Сверхзвуковые течения

Течение газа называется сверхзвуковым, если в рассматриваемой области скорость газа больше местной скорости звука.

Сверхзвуковые течения могут возникать при движении снарядов, ракет, самолетов, в турбинах, аэродинамических трубах и т.д. Сверхзвуковое течение существенно отличается от звукового и имеет свои характерные особенности. Движущееся тело создает в окружающей среде возмущения. Малые возмущения распространяются во все стороны со скоростью звука и передают в среду информацию о движении тела. Если тело движется с дозвуковой скоростью, то возмущения уходят от него вверх по потоку, поток перестраивается и плавно обтекает тело. Когда скорость тела приближается к звуковой, возмущения не успевают уходить далеко от тела и скапливаются перед телом. При сверхзвуковом движении тела параметры потока перед телом изменяются скачком, образуется ударная волна.

Для анализа течения удобно обратить движение, считать тело неподвижным, а поток набегающим на тело. Именно по такой схеме проводятся эксперименты в аэродинамических трубах для исследования особенностей обтекания тел при движении в атмосфере.

Важной характеристикой потока является число Маха, равное отношению скорости потока к местной скорости звука

.

Рассмотрим картину распространения возмущений в движущейся среде при разных числах Маха на примере обтекания потоком неподвижного точечного источника звука. На Рис. 3.5.1 окружностями изображены для двух моментов времени звуковые фронты в случаях дозвукового (M<1), звукового (M=1) и сверхзвукового (M>1) течений.

Рис. 3.5.1

При дозвуковом течении возмущения распространяются вверх и вниз по потоку, вниз – быстрее на . При звуковом течении – только вниз. При сверхзвуковом течении – тоже только вниз, причем в области, ограниченной конусом Маха.

При сверхзвуковом обтекании тела конечных размеров перед телом формируется ударная волна. Если ударная волна касается обтекаемого тела, то она называется присоединенной, в противном случае – отошедшей. Присоединенная волна образуется при обтекании заостренного тела (клина), отошедшая – при обтекании затупленного тела (сферы).

За ударной волной скорость газа становится меньше местной скорости звука, плотность и температура газа возрастают. При гиперзвуковом обтекании, когда скорость потока много больше скорости звука, температура газа может стать очень высокой.