5.1. Задачи, решаемые при газодинамических испытаниях , и методический подход к их решению.

При исследовании газодинамических процессов путем математического или физического моделирования решаются главным образом две задачи: 1) Определение силовых нагрузок, связанных с распределением сил аэродинамического давления и трения вдоль внешней поверхности КА и акустическим воздействием. 2) Определение газодинамических характеристик обтекания, которые являются необходимой информацией для расчета плотности конвективных и радиационных тепловых потоков к поверхности КА

Возможны два подхода к исследованию воздействия потока газа на испытуемый объект:

- Исследуемый объект располагается неподвижно в экспериментальной установке, а обтекаемому его поверхность газу сообщается определенная относительная скорость.

- Исследуемому объекту сообщается определенная скорость относительно неподвижной газовой среды.

Первый подход реализуется в аэродинамических трубах, в которых создается газовый поток с требуемыми параметрами, обтекающий исследуемое тело.

Второй подход реализуется с применением баллистических установок или ракетных трасс.

Как в первом, так и во втором случае испытания проводятся на маломасштабных моделях изделий, что объясняется ограниченностью энергетических возможностей испытательных центров. В связи с этим моделирование условий обтекания испытываемых объектов, обработка и интерпретация результатов испытаний на моделях основывается на теории подобия физических явлений . Физическое подобие газодинамических процессов предполагает наличие геометрического, кинематического и динамического подобия. Геометрическое подобие предполагает пропорциональность сходственных линейных размеров для модели и натуры. Кинематическое подобие предполагает , что кинематические характеристики сходственных частиц подобных потоков, обтекающих геометрически подобные тела , пропорциональны, т.е. в пропорциональные отрезки времени частицы проходят подобные пути, а скорости и ускорения в сходственных точках пропорциональны и ориентация этих векторов в пространстве одинакова. Динамическое подобие предполагает, что силы, действующие в сходственных точках, пропорциональны по величине и одинаково ориентированы.

Подобие называется полным , если во всем пространстве, окружающем модель и натуру , соблюдается подобие картин обтекания в целом. Если это условие не соблюдается, то подобие называется неполным или частичным.

Если записать уравнения Навье-Стокса в безразмерном виде то для двух гидродинамически подобных течений эти уравнения окажутся совершенно идентичными. Безразмерные уравнения Навье-Стокса в качестве коэффициентов (параметров ) содержат следующие безразмерные комплексы, состоящие из размерных параметров: , , , , где - соответственно характерный размер, скорость, давление, плотность, динамический коэффициент вязкости, ускорение земного тяготения, характерное время. Подстрочный индекс относится к параметрам невозмущенного потока газа . Первый безразмерный комплекс называют в газовой динамике числом Струхаля (Sh) , второй - числом Фруда (Fr) , третье – числом Эйлера (Eu) , четвертое – числом Рейнольдса (Re ).

Очевидно , что для геометрически и кинематически подобных течений безразмерные уравнения движения будут одинаковыми в том случае, если каждый из этих комплексов имеет одно и то же значение для натурного объекта и модели и если в сходственных точках этих потоков относительные значения плотности и вязкости одинаковы ( ). Отмеченные безразмерные комплексы являются, таким образом, критериями динамического подобия для геометрически и кинематически подобных систем.

В сжимаемой среде критерий Эйлера ( Eu) можно представить с помощью известного выражения для скорости звука в виде Eu= ; это значит, что в случае газовых течений появляются два дополнительных критерия подобия :

Число Пуассона и число Маха , значения которых при подобии течений около модели и натуры должны быть одинаковыми , .