⚛️ 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