«Тепловая игла» как средство снижения волнового сопротивления тел в сверхзвуковом потоке

Автор: Павел Юрьевич Георгиевский

Соавторы: Левин В.А.

Организация: Научно-исследовательский институт механики МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва

Снижение волнового сопротивления тел при энерговкладе в сверхзвуковом набегающем потоке обусловлено формированием передних отрывных зон при взаимодействии высокотемпературного следа за областью энерговклада с головной ударной волной и ударным слоем перед телом [1]. Форма изобарической отрывной зоны в сверхзвуковом потоке определяется поперечным распределением локальных чисел Маха в следе, а давление внутри нее равно полному давлению в следе за прямым скачком [2]. Эффект не зависит от толщины следа, что лежит в основе концепции «тепловой иглы»: даже очень тонкого следа достаточно для формирования отрывной зоны в виде конуса с малым затуплением [3]. Однако, для энергоисточников малого размера обнаружено развитие мощных пульсаций расходного типа за счет периодического захвата высоконапорной струи отрывной зоной на этапе ее роста и последующего сброса излишков газа («парадокс тепловой иглы») (рис. 1). Динамическое уменьшение размеров области энерговклада в процессе расчета позволяет избежать развития пульсаций [3] и преодолеть «парадокс тепловой иглы». 
В [4] сформулировано правило эквивалентности, обеспечивающее формирование передних отрывных зон примерно одинаковой формы при изменении числа Маха набегающего потока. При этом коэффициент эффективности (отношение сэкономленной и вложенной мощностей) пропорционален числу Маха набегающего потока в квадрате и отношению площадей миделевых сечений тела и области энерговклада. 
При импульсно периодическом энерговкладе не формируется сплошного следа, а лишь отдельные высокотемпературные облака. Показано, что при обеспечении равенства вложенной энергии за период при стационарном и импульсно-периодическом энерговкладе обеспечивается формирование примерно одинаковых по геометрии квазистационарных отрывных зон за примерно одинаковое время. При этом пульсации давления в отрывной зоне для случая импульсно-периодического энерговклада получаются даже несколько меньшими, чем при стационарном энерговкладе.

1.    Георгиевский П.Ю., Левин В.А. Управление обтеканием различных тел с помощью локализованного подвода энергии в сверхзвуковой набегающий поток // Изв. РАН. МЖГ. 2003. 38(5): 154–167.
2.    Гувернюк С.В., Савинов К.Г. Отрывные изобарические структуры в сверхзвуковых потоках с локализованной неоднородностью // ДАН. 2007. 413(2): 188 – 192.
3.    P. Georgievsky, V. Levin, Transformations of Front Separation Regions Controlled by Upstream Energy Deposition, AIAA Paper 2007-1232. 2007. 11 p.
4.    Георгиевский П. Ю., Левин В. А. Правило эквивалентности для задачи о снижении волнового сопротивления тел в сверхзвуковом потоке при помощи тепловой иглы // XIII Всероссийский Съезд по теоретической и прикладной механике: сборник тезисов докладов в 4 томах, 21–25 августа, 2023 г. Т. 2. Механика жидкости и газа. Санкт-Петербург, 2023. С. 344–347.