Результаты численных расчетов влияния вдува инородных газов в набегающий поток воздуха на теплообмен в точке торможения затупленного осесимметричного тела. Видно, что тепловые потоки при вдуве водорода и паров двуокиси кремния довольно сильно отличаются. Обработка результатов расчета позволила рекомендовать следующую аппроксимационную формулу для коэффициента вдува в ламинарный пограничный слой. Как показывают расчеты и эксперименты с разрушающимися теплозащитными материалами, тепловой поток к стенке не обращается в нуль даже при высоких скоростях вдува газообразных компонент. Рассмотрим результаты расчета разрушения графита в диссоциированном потоке воздуха. Обратим внимание на два обстоятельства:
1. Учет химических реакций на поверхности, через которую газообразные продукты поступают в пограничный слой, не изменил принципиально вида зависимости теплового потока от расхода этих продуктов.
2. Начальный линейный участок зависимости сменяется на криволинейный. С ростом зависимость асимптотически стремится к нулю.
По первому из них следует сделать дополнительные пояснения. В отличие от вдува однородных, химически нейтральных газов разрушение теплозащитных материалов обычно связано не только с подачей компонент в пограничный слой, но и с отсосом на поверхности определенных составляющих набегающего потока. В рассмотренном выше варианте с графитом такой отсасываемой компонентой был кислород воздуха. При отсосе тепловой поток также изменяется, однако в отличие от вдува величина с ростом увеличивается. В остальном все отмеченные ранее эффекты, в том числе и зависимость от молекулярной массы газа, сохраняются полностью. Может сложиться такая ситуация, что увеличение теплового потока при отсосе легкого газа из набегающего потока превзойдет по величине снижение за счет вдува продуктов химической реакции, образовавшихся на поверхности. Тогда, несмотря на то что результирующий расход компонент с поверхности оказывается положительным, тепловой поток по мере приращения будет увеличиваться. Результаты расчетов горения углерода в смеси водорода и азота иллюстрируют отмеченную особенность, На поверхности графита образуется ацетилен с молекулярной массой, при этом из внешнего потока через пограничный слой отсасывается водород. Из рисунка видно, что скорость увеличения теплового потока с ростом расхода углерода постепенно замедляется. Это связано с тем, что гетерогенное горение углерода на поверхности сменяется гомогенной реакцией углерода с водородом в пограничном слое, тогда как на поверхности начинается сублимация углерода. Перенос фронта реакции в глубину пограничного слоя снижает влияние эффекта отсасывания водорода.
Рассмотренный пример указывает на важность расчета коэффициента вдува для смесей газов с учетом определенных сопутствующих факторов. Попытка описать эффект вдува смеси той же формулой, заменив в ней молекулярную массу одиночного газа MG на молекулярную массу смеси, непригодна хотя бы потому, что при этом не может быть объяснен факт увеличения теплового потока. Более правомерным представляется расчет коэффициента вдува смеси у как среднеарифметического значения коэффициентов. Для отдельных компонент, взятых с весовым множителем, равным относительным расходам этих компонент с учетом знака. Накопленный в процессе численных расчетов опыт позволил обобщить их результаты в виде некоторой универсальной зависимости теплового потока от приведенного расхода охладителя. Оказалось, что не только на участке линейного изменения, но и в области, где кривая асимптотически стремится к нулю, в зависимость теплового потока от расхода охладителя входит один и тот же параметр у. Поэтому если использовать в качестве аргумента произведение то полученная зависимость для коэффициента теплообмена оказывается единой для всех газов и может быть описана простыми аналитическими выражениями. Можно рекомендовать двухступенчатую аппроксимацию для коэффициента теплообмена.
В последние годы значительный интерес проявляется к проблемам, связанным с интенсивным вдувом, когда массовая скорость вдуваемого газа сравнима с удельным расходом газа в набегающем потоке (расходом газа набегающего потока, отнесенным к единице обтекаемой поверхности тела). Прежде всего это связано с тем, что при больших вдувах происходит практически полное оттеснение внешнего потока от стенки. При этом пограничный слой можно считать состоящим из двух частей: внутреннего слоя с почти постоянными температурой и составом газа и внешнего, в котором температура и скорость увеличиваются, достигая соответствующих значений в невозмущенном потоке. Случай больших скоростей вдува интересен в связи с проблемой входа тел в атмосферы планет со скоростью, равной второй космической или превосходящей ее, при которой радиационные тепловые потоки к телу достигают значительных величин.
11 июля 2012
