з: sc и
^^^к
<
о
о.
таться постоянной и соответствующая темп-pa торможения газа может быть определена из выражения
При пол╦те со скоростью звука повышение темп-ры воздуха у тела составляет до 50 К: при входе в атмосферу Земли с норной коемич. скоростью (7,0 км/с) Тп составляет уже ок. 8000 К, а со второй (11,2 км/с) ≈ ок. 11000 К. Передача тепла ия областей с повышенной тсмн-рой и приводит к Л. н. движущегося тела. Существуют две формы А. п. -~ копвективпый нагрев п радиационный.
К о н в е к т и в н ы н нагрей происходит вследствие передачи теплоты теплопроводностью из «горячей» части пограничного слоя к поверхности тела. Количественно конвективный тепловой поток f/K описывается соотношением, представляющим собой: моди-фицир, закон Ньютона Для теплообмена
п ≈ ге / Т _ Т 1
ук ≈ <j, \\ j. e j. ^,/,
где Те ≈ равновесная томп-ра (предельная темп-ра, до к-рой могла бы нагреться поверхность тела, если бы не было отвода энергии), а ≈ коэф. коннективного теплообмена, индексом w отмечаются параметры на поверхности. Tff близка к темп-ре торможения и может быть определена из выражения
1
где г ≈ ко.чфф. восстановления темп-ры (для ламинар-
ного пограничного слоя rzz У Рг, для турбулентного ≈
з / ≈ г д; 1/ /V), T! и М1≈ -тсмн-ра и Маха число на внеш.
границе пограничного слоя, k ≈ cpjcv ≈ отношение уд. тенло╦мкостей газа при пост, давлении н объеме, Рг ≈
число Прандтля.
Величина а зависит от скорости к высоты пол╦та, формы и размеров тела, а также от нек-рых др. факторов. Подобия теория позволяет представить законы теплообмена в виде соотношений между основными безразмерными критериями ≈ Нуссельта числом Nu= = aL/Jl. Рейнолъдса числом Лр = р1?/,/|Л, Лрандтля числом Рг=\\Мр/К и температурным фактором T'^,= Tw/Tei учитывающим переменность теплофиз. свойств гаяа попер╦к пограничного слоя. Здесь риг ≈ плотность п скорость газа, \i и А, ≈ коафф. вязкости и теплонронод-ности, L ≈ характерный размер тела. Наиб, влияние на конвективный А. н. оказывает число Рейпольдса, В простейшем случае продольного обтекания плоской пластины закон конвективного теплообмена для ламинарного пограничного слоя имеет вид
где р* и (J, вычисляются при темп-рс
а для турбулентного пограничного слоя
1 ; г
if - 1 ≥ 2
о.п
На носовой части тела с затупленном сферич. формы ламинарный теплообмен описывается соотношением:
>,В
0.4
166
где ре и и.,, вычисляются при темп-рс Т1,,. Эти ф-лы могут быть обобщены и па случай расч╦та теплообмена при безотрывном обтекании тел более сложной формы с произвольным распределением давления. При турбулентном течении в пограничном слое происходит интенсификация конвективного Л. н., связанная с тем, что, помимо молекулярной теплопроводности, существ, роль в переносе энергии нагретого газа к поверхности тела начинают играть турбулентные пульсации.
При теоретич. расч╦те А. н. аппарата, летящего в плотных слоях атмосферы, течение около тела можно
разбить на две области ≈ невязкую и вязкую (пограничный слой). Из расч╦та течения невязкого газа во внеш. области Определяется распределение давления по поверхности те .ч а. Течение в вязкой области при известном распределении давления, вдоль тела может быть найдено путем численного интегрирования у р. ния пограничного слоя или для расч╦та Л. н, могут быть исгго.чъзованы разл. приближ╦нные методы.
А. н. играет существ, роль и при свер,г. тукоаом течении гаяа в каналах, в первую очередь в соилах ракетных двигателе»!. В пограничном слое на стенках сопла томц-pu газа может быть близком к темп-ре в камере сгорания ракетного двигателя (до 4<ЯЮ К). При итом действуют те же механизмы переноса ;шерпш к стенке, что и в пограничном слое на летящем теле, в результате чего и возникает А. н. стенок сопла ракетных двигателей.
Для получения данных по А. н., особенно для тел сложной формы, в т. ч, тел, обтекаемых с образованием отрывных областей, проводят экслерим. исследования на маломасштабных, геометрически подобных моделях в аэродинамических трубах с воспроизведением определяющих безразмерных параметров (чисел Л/, Не и температурного фактора).
С повышением скорости пол╦та темгг-ра газа за удар-нон полной и в пограничном слое возрастает, в результате чего происходит диссоциация и ионизации молекул набегающего газа. Образующиеся при этом атомы, ионы н электроны диффундируют в более холодную область ≈ к поверхности тела. Там происходит обратная хим. реакция ≈ рекомбинация, идущая с выделением тепла. Это дает дополнит, вклад в конвектпвный А. н. В случае диссоциации и ионизации удобно перейти от темп-р к энтальпиям:
н
ГДС 5%е ≈ $£-1-\\-≥\\,'12'- равновесная энтальпия,
ь*1 - мптальппя и скорость газа на внеш. границе по-
граничного* слоя, а i7(w≈ энтальпия набегающего газа
при темп-ре поверхности. В нтом случае для определения а могут быть использованы те же крнтич. соотношения, что и при относительно невысоких скоростях пол╦та.
При пол╦те на больших высотах па конвективный нагрев может оказать влияние неравномссиость фпзи-ко-хим. превращении. Это явление становится существенным. когда характерные кремена диссоциации, ионизации п др. хим. реакции становятся равными (по порядку величины) времени пребывания частиц газа в области с повышенной темп-рои жхшзн тела. Влияние физнко-хим, неравновесностп иа А. н. проявляется в том, что продукты диссоциации н ионизации, образовавшиеся за ударной волной и в высокотемпературной части пограничного слоя, не успевают рркомби-нировать к пристеночноп, относительно холодной части пограничного слоя, теплота реакции рекомбинации не выделяется и А. н. уменьшается, В этом случае важную ро.чь приобретают каталитич. свойства материала поверхности тела. Применяя материалы или покрытия с нинкой каталнтпч. активностью JJG отношению к реакциям рекомбинации (напр,, двуокись кремния), можно заметно снизить величину конвективпого Л. н.
Если через проницаемую поверхность тела происходит подача {«вдув») газообразного охладителя внутрь пограничного слоя, то интенсивность коннективного А. н. снижается. Это происходит гл, обр. в результате дополнит, затрат тепла на нагрев вдуваемых в пограничный слой газов. Эффект снижения конвективного теплового потока при вдуве инородных газов тем сильнее, чем меньше их молекулярный вес, поскольку при этом возрастает уд, теплоемкость вдуваемого газа. При ламинарном режиме течения в пограничном слое эффект вдува проявляется сильнее, чем при турбулентном. При умеренных уд. расходах вдуваемого газа снижение кон-
")
}
