⚛️
Дозвук и сверхзвук. Сравнение👆Неделю назад я
рассказал о
волне разрежения. И предложил
сравнить это течение с
дозвуковым обтеканием того же тела. Судя по реакции сравнение необходимо, так что не будем откладывать в долгий ящик.
✅ Для
дозвукового обтекания я намеренно выбрал
очень маленькие скорости (число Маха меньше одной тысячной). Это связано с тем, что при
увеличении скорости обтекания в дозвуковом случае в верхней части течения возникает
вихрь, мешающий восприятию. О таком случае можно будет поговорить отдельно. А сейчас -
ультрамедленное расширение. Фактически, это течение
несжимаемой жидкости, несмотря на то, что газ формально сжимаем. Однако
скорость настолько
мала, что изменения
плотности практически
не наблюдается и ту же самую картину течения можно получить используя модель
несжимаемой жидкости. Это неизменно удивляет студентов. Как же так, вроде газ, а несжимаемая жидкость.
Контринтуитивно. А все потому, что фразу "
несжимаемая жидкость" многие воспринимают буквально. А это ведь не более чем
модель, в которой предполагается
постоянной плотность текущей субстанции. А тогда и газ бывает "несжимаемым".
▶️ К сравнению. На видео
слева показано
дозвуковое обтекание,
справа сверхзвуковое. Для наглядности сравнения. Что сразу же бросается в глаза? На мой взгляд
первое принципиальное
отличие -
форма самих линий тока (траекторий газа). Если в
сверхзвуковом случае в них есть достаточно длинный
прямолинейный участок, то в
дозвуке прямолинейного движения
нет вовсе! С самого начала газ
поворачивает в сторону расширения справа. Это и есть наглядная иллюстрация того, что газ "
знает" о препятствии заранее. Что означает "знает"? Все просто. Давление
перед препятствием
НЕ РАВНО давлению
невозмущенного потока, поскольку "
сигнал" от препятствия в
дозвуковом случае идет и в
противоположную от направления течения сторону. Обратите внимание, давление
ПЕРЕД препятствием
меняется за счет наличия этого препятствия. Этот процесс и характеризуется словосочетанием "
газ знает". В
сверхзвуковом же потоке
давление перед препятствием равно давлению
невозмущенного потока. Газ летит так,
как будто препятствия нет и он о нем "
не знает". И так он летит до тех пор, пока не "
стукнется лбом" об это самое препятствие или возмущение, им созданное (ударную волну или волну разрежения).
📌 Далее.
Изолинии числа Маха, разумеется, в дозвуковом случае не имеют ничего общего с
прямыми. И к характеристикам отношения не имеют тоже. Они определяются текущим
распределением скорости, которое далеко
не однородно даже
вдали от препятствия. И изменения скорости возникают сразу же,
на входе, без какого-либо участка с однородным потоком. Препятствие "
там" определяет течение "
здесь". Конечно, чем дальше от препятствия, тем
меньше влияние, поскольку любые возмущения
затухают за счет конечной вязкости. Однако в рассмотренном случае вход расположен очень
близко по гидродинамическим меркам. Так что препятствие чувствуется сразу.
✍️ Обратите также внимание, что и
после поворота скорость меняется не так, как в сверхзвуковом случае и
линии тока далеко не просто "
огибают угол", а имеют довольно
замысловатую форму с перегибами. Это происходит от того, что в дозвуковом потоке газ "
знает" обо всех препятствиях сразу. В том числе и о том, что
справа на плоскости ему придется "
выйти" из расчетной области. А
слева, соответственно,
войти. Так что в каждой точке течения газ знает
откуда он вошел,
какое препятствие обогнул и
где вышел. В отличие от сверхзвукового случая.
🏁
Наглядные стороны отличий мы, надеюсь,
разобрали. Есть еще ряд существенных
деталей, связанных с
физикой и
моделированием таких течений, но вряд ли они заинтересуют широкий круг читателей. Впрочем, если я ошибаюсь, дайте знать в комментариях или 🤔.
#CFD #физика #моделирование