18.5. РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ОБТЕКАНИИ ТЕЛ РАЗРЕЖЕННЫМ ГАЗОМ

Если время релаксации, например время установления термодинамического равновесия между степенями свободы, соизмеримо или больше характерного газодинамического времени, течение в возмущенной области потока около тела неравновесно. В зависимости от степени неравновесности возможно замораживание энергообмена между теми или иными степенями свободы или внутри них. Эти эффекты особенно значительны в градиентных потоках низкой плотности. Типичная ситуация при обтекании тел разреженным газом в переходном режиме — замороженность ионизационных и химических процессов, а также процессов колебательной релаксации. В энергообмене участвуют вращательные и поступательные степени свободы. Диффузионные процессы в случае течения газовых смесей вносят существенчый вклад в формирование потока. Ниже рассмотрен пример с влиянием поступательной релаксации.

При сверхзвуковом обтекании затупленных тел диффузия влияет на структуру головной ударной волны и сжатого слоя перед телом. Зона с повышенным давлением (лобовая область) оказывается обогащенной тяжелыми частицами вследствие градиента давления вдоль линий тока и кривизны линий тока вблизи точки торможения. Концентрационная диффузия и термодиффузия уменьшают эффект разделения. С лобовой поверхностью затупленного тела взаимодействует поступательно неравновесный газ. Если компоненты смеси обладают одинаковыми статической температурой и поступательной скоростью в набегающем потоке, то увеличение концентрации тяжелой компоненты в зоне торможения приводит к увеличению полной энтальпии локально в этой зоне по сравнению с невозмущенной областью, и, как следствие, к увеличению коэффициента восстановления температуры (при определенных условиях — значительно больше единицы).

Рис. 18.8 иллюстрирует описанный процесс при обтекании сферы диаметром 40 мм смесью азота и водорода с начальной концентрацией По параметрам невозмущенного потока . Данные получены в экспериментах А. А. Бочкарева, В. Г. Приходько и А. К. Реброва.

В измерениях параметров потока (плотности, температуры и концентрации) использована электронно-пучковая диагностика. Линии равной концентрации характеризуют структуру ударной волны и сжатого стоя. Провал значения в переднем фронте ударной волны соответствует обогащению этой области легким газом. Повышение концентрации азота за ударной волной до значения — результат диффузионного разделения.

Существенное влияние разделения на теплообмен сказывается в диапазон чисел Рейнольдса . Наблюдаемый в экспериментах тепловой эффект бародиффузионного разделения смеси учитывается числом Стентона, если в качестве определяющей температуры использовать температуру восстановления. На рис. 18.9 показаны результаты обобщения экспериментальных данных по теплообмену в лобовой точке при обтекании сферы смесью азота и водорода.

Рис. 18.8. Поле концентраций около сферы при сверхзвуковом обтекании смесью азота и водорода

Рис. 18.9. Теплообмен в лобовой точке при обтекании сферы разреженной газовой смесью

Здесь . Кружками показаны экспериментальные данные А. А. Бочкарева, В. Г. Приходько, А. К. Реброва, штриховкой — эксперименты И. Ф. Заварзиной, сплошной кривой — расчеты Ченга.