АЛЬБОМ ТЕЧЕНИЙ ЖИДКОСТИ И ГАЗА

10. Ударные волны

225. Прямая ударная волна при М=1,5.

Картина, состоящая из пар слабых косых ударных волн (N-образные волны фотографий 265 и 269), создается полосками клейкой ленты на нижней и верхней стенках сверхзвукового сопла. Эти волны заканчиваются на почти прямой и нормальной потоку ударной волне, причем видно, что вниз по потоку от этой волны течение становится дозвуковым. Фото U. S. Air Force, c любезного разрешения Arnold Engineering Development Center

226. Нестационарное формирование прямой ударной волны.

Классическое описание усиления крутизны течения непрерывного сжатия до возникновения ударной волны визуализируется здесь с помощью интерферометрии в ударной трубе. Из-за того что взрывное разрушение диафрагмы приводит к возникновению начальной волны неправильной формы, в ударной трубе подвешивается листок из пластика, по которому ударяет первичная волна. Обладая конечной массой, листок плавно ускоряется, и образуется непрерывная волна. Три снимка, сделанные последовательно на все больших расстояниях от листка (находящегося слева, вне поля зрения), демонстрируют усиление крутизны профилей плотности. На последнем снимке этот профиль представляется разрывным; штриховая линия нанесена для того, чтобы показать величину сдвига полос. [Griffith, Bleakney, 1954]

227. Стационарное формирование косой ударной волны.

Вогнутая цилиндрическая поверхность в сверхзвуковой аэродинамической трубе при числе Маха, равном 1,96, создает сходящийся веер волн сжатия, визуализация которых осуществляется шлирен-методом, причем кромка ножа параллельна невозмущенному потоку. Эти волны фокусируются примерно так же, как центрированная волна сжатия, образуя в результате сильную косую ударную волну, поворачивающую поток на 22,5º. Обтекаемая поверхность продолжается вверх по потоку в форме плоской пластинки с нулевым углом атаки, так что слабая ударная волна, идущая от слегка затупленной передней кромки, не искажает картины. Поверхность сделана шероховатой для турбулизации пограничного слоя и предотвращения его отрыва. [Johannesen, 1952]

228. Присоединенные косые ударные волны при обтекании клина сверхзвуковым потоком.

Поток воздуха в сверхзвуковой аэродинамической трубе при М=1,96 отклоняется заостренным клином с полным углом при вершине в 10º и с нижней гранью, параллельной потоку. Фотография, сделанная шлирен-методом при горизонтальной кромке ножа, демонстрирует ударные волны с отношением давлений, равным 1,7 вверху и 1,02 внизу. На нижней поверхности виден ламинарный пограничный слой. [Bardsley, Mair, 1951], любезно предоставлено N. Johannesen

229. Гидравлическая аналогия обтекания клина сверхзвуковым потоком.

Однородный слой воды глубиной 5 мм течет со сверхкритической скоростью по горизонтальной плоскости и отклоняется заостренным клином с углом при вершине 10º и с нижней гранью, параллельной потоку. Гравитационные волны моделируют косые волны, показанные на предыдущем снимке, однако общая картина оказывается несколько усложненной из-за капиллярных волн в области вверх по потоку от клина. Фото Е. J. Klein [Merzkirch, 1974]

230. Критическое и сверхкритическое обтекание прямой решетки профилей.

В канале между симметричными профилями в аэродинамической трубе происходит запирание. На снимке слева слабая нормальная ударная волна возвращает поток практически к тому же числу Маха, равному 0,65 и соответствующему дозвуковому запиранию, которое имеет место перед решеткой. На снимке справа течение за звуковой горловиной сопла становится сверхзвуковым и достигает за решеткой максимального числа Маха, равного 1,4, о чем свидетельствуют маховские бриллиантообразные структуры, образующиеся за задними кромками. При визуализации шлирен-методом кромка ножа горизонтальна. [Ackeret, Rott, 1949]

231. Симметричные ударные волны при обтекании клина.

Ударная труба используется здесь как нестационарная аэродинамическая труба. Интерферограмма демонстрирует картину обтекания воздухом при М=1,45 комбинации клин – пластинка с полууглом раствора клина 10º. Стационарное течение устанавливается спустя 100 мкс после того, как набегающая ударная волна проходит через вершину клина. [Bleakney, Weimer, Fletcher, 1949]

232. Непрерывная структура ударной волны в углекислом газе.

Приводимая интерферограмма демонстрирует слабую плоскую ударную волну, распространяющуюся вправо в углекислом газе, при течении в ударной трубе с числом Маха, примерно равным 1,04. Непрерывные интерференционные полосы выявляют вполне размазанную структуру, возникновение которой обусловлено относительно медленной релаксацией колебательной энергии молекул. Толщина ударной волны составляет примерно 8 мм. Фото Walker Bleakney

233. Релаксационное расширение фронта ударной волны при обтекании клина.

Интерферограмма демонстрирует установившееся течение окиси азота в ударной трубе при числе Маха 1,67. Верхняя грань клина наклонена под углом 2º к направлению потока. Ударная волна уширяется по мере того, как колебательная энергия, замороженная на кромке, релаксирует, создавая вполне размазанную структуру. [Homby, Johannesen, 1975]

234. Отошедшая головная ударная волна при обтекании толстого клина.

Интерферограмма в полосах бесконечной ширины показывает линии постоянной плотности при обтекании клина A c полууглом раствора клина 45º воздушным потоком F при числе Маха 2,5. Присоединенной ударной волны, которая могла бы нужным образом повернуть поток, не существует, и поэтому ударная волна S отходит от клина и создает зону дозвукового течения, простирающуюся до угловой точки C. Здесь веер расширения Прандтля - Майера поворачивает поток, сопрягая его со сверхзвуковой зоной за угловой точкой. [Glass, 1974]

235. Регулярное отражение ударной волны от клина.

Теневые фотографии показывают плоскую вертикальную ударную волну, идущую слева и набегающую на клин с полууглом раствора 60º. Угол раствора клина и интенсивность ударной волны таковы, что отражение является регулярным. Углы наклона падающей и отраженной ударных волн к грани клина не равны между собой, так как явление в целом нелинейно. Поскольку влиянием вязкости можно пренебречь, характерной длины не существует и течение оказывается автомодельным: видно, что вся волновая картина линейно расширяется со временем, начиная с момента контакта волны с передней кромкой. [Schardin, 1965], любезно предоставлено Н. Oertel, Sr.

236. Маховское отражение ударной волны от клина.

Теневые фотографии показывают плоскую вертикальную ударную волну, набегающую на клин с полууглом раствора 25º. Регулярное отражение, показанное на предыдущей серии снимков, при меньших углах раствора клина заменяется показанной здесь картиной маховского отражения. Третья ударная волна - маховская ножка - идет нормально к поверхности и в тройной точке пересекается с падающей и отраженной ударными волнами. Кривая, идущая от этой точки вниз налево и плавно выходящая на поверхность, представляет собой линию скольжения, на которой энтропия претерпевает разрыв, так как по различным сторонам от этой линии воздух испытал воздействие различных ударных волн. Время между двумя последовательными снимками равно 6•10^-5 с. [Schardin, 1965], любезно предоставлено Н. Oertel, Sr.

237. Обыкновенное маховское отражение от клина.

На интерферограмме в полосах бесконечной ширины видны линии постоянной плотности за плоской ударной волной, набегающей симметрично на клин с полууглом раствора 22,5º. Ясно видны разрывы плотности при переходе через каждую из линий скольжения. [Griffith, Bleakney, 1954]

238. Нерегулярное маховское отражение от клина.

Как показывает теневая фотография, если падающая ударная волна достаточно сильна (в данном случае она движется со скоростью 2400 м/с), обыкновенное маховское отражение заменяется так называемым нерегулярным маховским отражением. Здесь маховская ножка первоначального маховского отражения только что дошла до основания клина. Однако характерная особенность новой картины состоит в том, что отраженная ударная волна над клином состоит из прямолинейной и криволинейной частей, причем от точки их соединения отходит еще одна ударная волна, перпендикулярная линии скольжения, идущей от первоначальной тройной точки. Вблизи поверхности клина линия скольжения завивается под воздействием пограничного слоя. [Prasse, 1971], любезно предоставлено Н.-О. Amann

239. Дифракция ударной волны на кромке.

На этих двух последовательных теневых фотографиях видно, как в ударной трубе зарождаются вихри, показанные на фото 82 и 83. Относительно слабая плоская ударная волна проходит над вертикально расположенной кромкой, порождая линию скольжения, сворачивающуюся в спираль. На линии скольжения возникает серия лямбдообразных ударных волн. На втором снимке отраженная ударная волна пересекается вихревой пеленой, которая создает на волне изломы, причем неустойчивость течения в пелене становится очевидной. Можно проследить также слабую ударную волну, идущую от лямбдообразных скачков через вихрь до пересечения под прямым углом с основной отраженной волной. Эта волна представляет собой часть отраженной ударной волны, снесенную левой частью вихря. Фото Russell E. Duff, Otto Laporte's Laboratory at the University of Michigan, 1948-1949 гг.

240. Дифракция ударной волны внутри прямоугольного ящика.

Ударная волна в азоте дифрагирует при прохождении через окно на одном конце прямоугольного ящика и отражается от другого его конца. На теневой фотографии видна замечательная картина ударных волн, линий скольжения и вихрей, причем картина вполне определенная и воспроизводимая. Три следа, видные справа и напоминающие витые веревки, представляют собой линии скольжения, возникшие, когда дифрагированная ударная волна колебалась по форме, проходя через ящик. Эти линии скольжения подвергались возмущениям под действием ударных волн, проходящих через них под углами, близкими к прямым. Ясно видны также несколько элементов отрывного погранслойного течения. Фото Russell E. Duff, Laporte's Laboratory

241. Дифракция ударной волны на конечном клине.

Первая из приводимой здесь серии последовательных теневых фотографий демонстрирует обыкновенное маховское отражение плоской ударной волны, как на фото 236 и 237. После того как ударная волна проходит через основание клина, происходит отрыв потока и зарождаются вихревые слои, которые сворачиваются так, как показано на фото 81. Дальнейшее взаимодействие клина с ударной волной приводит к возникновению все усложняющейся картины из ударных волн, линий скольжения и вихрей. Последний кадр, сделанный с большим увеличением, демонстрирует замечательную по сложности картину симметричного обтекания, соответствующую моменту между четвертым и пятым снимками основной серии фотографий. Фото Н. Schardin [Oertel, 1966]

242. Дифракция слабой ударной волны, спускающейся по ступеньке.

На теневых фотографиях видна плоская ударная волна с числом Маха 1,3 в ударной трубе. Картина, состоящая из вертикально падающей ударной волны, искривленной дифрагированной волны, а также круговой волны разрежения, увеличивает свои размеры линейно со временем. Вязкий отрыв на углу порождает закручивающуюся вихревую пелену. [Schardin, 1965], любезно предоставлено Н. Oertel, Sr.

243. Дифракция более сильной ударной волны, спускающейся по ступеньке.

При числе Маха падающей ударной волны, увеличенном до 2,4, размер картины по-прежнему продолжает линейно расти со временем, однако сама по себе эта картина становится более сложной, чем на предыдущей серии снимков. Поток в окрестности угла сверхзвуковой, так что никакие возмущения не могут распространяться вверх по потоку. [Schardin, 1965], любезно предоставлено Н. Oertel, Sr.

244. Фокусировка ударной волны.

Плоская ударная волна с числом Маха 1,3, пришедшая справа, отразилась от параболического цилиндра, видного у левого края окошка на двух верхних теневых снимках. Структура, показанная на первом снимке, состоит из центральной круговой дуги отраженной ударной волны, которая посредством почти горизонтальных волн разрежения соединяется с ударными волнами, дифрагировавшими от углов параболического отражателя. На втором снимке волны разрежения уже пересеклись друг с другом и образовали тройные ударные пересечения посредством маховского отражения. На остальных снимках отражатель сдвинут на один радиус окошка влево. Почти плоская маховская ножка выдвигается из области высокоэнтропийного воздуха в фокальном пятне. На последнем снимке прохождение ударных волн уже закончилось, а течения около линий скольжения, возникших при маховском отражении, становятся турбулентными, расходятся в стороны и сворачиваются вследствие взаимодействия друг с другом. [Sturtevant, Kulkarny, 1976]

245. Множественные ударные волны на профиле с ламинарным пограничным слоем.

Область местного сверхзвукового течения обычно заканчивается ударными волнами, на форму которых оказывает влияние пограничный слой. Если этот слой ламинарен, то сначала появляется последовательность так называемых лямбдообразных ударных волн. На этой шлирен-фотографии, выполненной при вертикальной кромке ножа, видна картина обтекания двояковыпуклого профиля 12%-ной толщины при числе Маха невозмущенного потока, равном 0,8. Фото Н. W. Liepmann

246. Одиночная лямбдообразная ударная волна на профиле с ламинарным пограничным слоем.

При увеличении числа Маха множественные ударные волны, показанные на предыдущем снимке, сливаются в одну волну. Здесь видно (кромка ножа горизонтальна), что при М=0,9 ламинарный пограничный слой оторвался от поверхности двояковыпуклого профиля перед ударной волной и стал турбулентным. Фото Н. W. Liepmann

247. Ударные волны над ламинарным пограничным слоем при возрастающих числах Маха.

Видно, что при возрастании местного числа Маха, значения которого приводятся под каждой парой шлирен-фотографий, лямбдообразные ударные волны сливаются между собой. Здесь ламинарный пограничный слой формируется на искривленной пластинке, которая создает растущую ограниченную область сверхзвукового течения, погруженную в дозвуковой поток. Тем самым имитируется сверхкритическое обтекание профиля. Символы на снимках слева указывают, что кромка ножа вертикальна для верхнего ряда, а для нижнего горизонтальна. [Ackeret, Feldmann, Rott, 1946]

248. Ударная волна на профиле с турбулентным пограничным слоем.

Когда пограничный слой турбулентен, появляется одиночная ударная волна. При этом структура течения более близка к невязкой модели, чем при ламинарном пограничном слое. На снимке число Маха свободного потока равно 0,84, а кромка ножа вертикальна, что позволяет четко показать ударную волну. Фото Н. W. Liepmann

249. Ударные волны над ламинарным пограничным слоем, переходящим в турбулентный.

Местное число Маха на искривленной пластинке остается почти неизменным и равным 1,2 или 1,3, тогда как число Рейнольдса удваивается, изменяясь от 1 320 000 слева до 2 640 000 справа. По мере того как ламинарный пограничный слой перед ударной волной становится турбулентным, наклонная ножка лямбдообразной ударной волны постепенно исчезает. [Ackeret, Feldmann, Rott, 1946]

250. Ударная волна при трансзвуковом обтекании выступа.

На интерферограмме в полосах бесконечной ширины демонстрируется трансзвуковое течение над образованным дугой окружности 7%-ным выступом на стенке трубы. Местная область сверхзвукового течения заканчивается ударной волной, которая взаимодействует с турбулентным пограничным слоем так же, как на двух предыдущих снимках. [Delery, Chattot, Le Balleur, 1975]

251. Ударная волна, взаимодействующая с турбулентным пограничным слоем в канале.

На голографических интерферограммах в полосах бесконечной ширины показано трансзвуковое обтекание длинного выступа с задней частью в форме дуги окружности. На верхнем снимке профиль садится на слабую прямую ударную волну с максимальным числом Маха в области вверх по потоку, равным 1,1. Ha нижнем снимке от задней кромки отходит лямбдообразная ударная волна. [Delery, Surget, Lacharme, 1977]