Следует особо подчеркнуть слабую зависимость коэффициента теплообмена от температуры поверхности. Это находит свое отражение в малой величине показателя степени. Таким образом, при заданной форме тела и, следовательно, известном погрешность расчета теплового потока может быть вызвана лишь ошибками в расчете произведения при температуре набегающего газового потока. Поясним уровень возможного отклонения величин в зависимости от принятой схем расчета. Вероятная ошибка при высоких составляет почти ±30% Отсюда разброс расчетных значений теплового потока, приводимых раз личными авторами, составляет примерно 20%. Заметим, что и погрешность имеющихся экспериментальных данных имеет тот же порядок. Для примера приведем результаты расчетов и экспериментов из работы Фенстера, который, кстати, учитывал дополнительно ионизацию. Отличие от расчетов имеется лишь в равновесном приближении, где учитывалась зависимость ID от местной температуры в пограничном слое. Видно, что в замороженном пограничном слое расчетный тепловой поток может оказаться на 20% выше, чем в равновесном, однако экспериментальные данные заполняют все пространство между расчетными кривыми. Аэродинамический нагрев в окрестности точки торможения. Отсюда следует, что путем увеличения радиуса затупления носовой части тела можно уменьшить конвективный теплообмен в этой области. Все представленные расчеты относятся к случаю каталитической стенки, что соответствует полной рекомбинации атомов, диффундирующих к поверхности тела.
Но не все поверхности и не при всех условиях обтекания являются каталитическими по отношению к реакциям рекомбинации атомов. Наиболее важной с точки зрения переноса тепла и нагрева поверхности компонентой воздуха является кислород, поскольку его рекомбинация протекает в основном в низкотемпературной зоне около поверхности, тогда как атомы азота рекомбинируют вдали от стенки при больших температурах. Ясно, что некаталитичность в наибольшей мере проявляется в замороженном пограничном слое, когда у поверхности оказывается достаточное количество нерекомбинированных атомов. Если при этом концентрация атомов на стенке велика, то диффузия атомов из потока к стенке будет ослаблена и перенос химической энергии будет мал по сравнению с молекулярной теплопроводностью.
Механизм рекомбинации довольно сложен; она определяется концентрацией атомов, плотностью газа в пограничном слое, энтальпией заторможенного потока, температурой поверхности, геометрией модели и каталитической активностью стенки. Количество тепла, освобождающееся при рекомбинации, можно уменьшить путем подбора поверхности с малой каталитической активностью. Рассмотрим возможность уменьшения теплового потока (почти в четыре раза) за счет подавления рекомбинации на стенке в замороженном пограничном слое. Видно, что стекло и керамика, обладающие низкой каталитической активностью по отношению к кислороду, наиболее благоприятны с точки зрения предотвращения рекомбинации на стенке. Увеличение размеров аппарата и уменьшение высоты полета снижают эффект некаталитичности, поскольку при этом возрастает давление за ударной волной и пограничный слой приближается к равновесному. Распределение теплового потока по поверхности тела. Теплообмен на плоской пластине в турбулентном пограничном слое.
11 июля 2012
