На практике приходится изучать теплообмен тел различной геометрии, выбирать оптимальную форму поверхности при обтекании тела гиперзвуковым потоком газа, а также находить распределение теплового потока по поверхности. Соответствующий анализ проводится путем решения той же системы уравнений сохранения массы, количества движения, энергии, неразрывности каждой компоненты и уравнения состояния. Расчет распределения тепловых потоков по поверхности тела произвольной геометрии является более сложной задачей, чем анализ теплообмена в окрестности точки торможения. Существует несколько путей решения подобных задач: интегральные методы, метод разложения в ряды, метод «локального подобия» и численные методы. В случае обтекания сферы равновесно диссоциированным гиперзвуковым потоком воздуха и при отсутствии излучения имеется простая зависимость, хорошо описывающая распределение теплового потока.
В окрестности точки торможения максимум энтальпии приходится на внешнюю границу пограничного слоя. На боковой поверхности тела поток над пограничным слоем холоднее, чем в его внутренних слоях, где температура газа повышается за счет диссипации энергии движения и выделения тепла. Максимум температуры должен быть на теплоизолированной поверхности самого тела. Тем самым появляется необходимость введения так называемой энтальпии восстановления. При числе, отличном от единицы, энтальпия восстановления не соответствует энтальпии адиабатически заторможенного потока. Чем выше число объема газа, тем ближе энтальпия восстановления, поскольку отвод тепла и конвективное охлаждение стенки газом уменьшаются при увеличении вязкости (больше толщина пограничного слоя) и теплоемкости (медленнее падает температура газа), а также при уменьшении теплопроводности газа. Анализ показывает, что за определяющую энтальпию при расчете теплообмена на боковых поверхностях должна браться не энтальпия торможения, а энтальпия восстановления. В некоторых случаях тепловой поток в стенку равен нулю.
Из этих соотношений следует, что на нагрев поверхности затрачивается не вся кинетическая энергия направленного движения газового Необходимо отметить, что у полусферы максимум нагрева наблюдается в точке торможения лишь при ламинарном пограничном слое. Если происходит переход к турбулентному течению, то максимальная интенсивность конвективного теплового потока имеет место в «звуковой» точке, т. е. в точке касания звуковой линией контура тела. Последнее обстоятельство связано с максимумом массовой скорости газового потока в звуковой точке. Переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный происходит при критическом значении числа Рейнольдса.
11 июля 2012