7. Теоретичні моделі ефекту збільшення швидкості звуку в газовому каналі з гофрированою стінкою

Анотація: Під час експериментального дослідження динамічних характеристик пневматичного стенда для випробувань високовитратних агрегатів автоматики рідинних ракетних двигунів було виявлено ефект збільшення на 20 – 35 % швидкості звуку в потоці газу, що рухається по каналу з гофрованою стінкою (металорукаву), який є частиною дренажної системи стенда. У статті наведено результати експериментів і вирішено завдання теоретичного обґрунтування ефекту. Зазначено, що його причинами можуть бути два взаємодоповнювані фактори – зниження стисливості газу під час завихреності та коливання стінки металорукава. Розглянуто фізичну модель, що описує зміну пружності і густини газу в умовах високої завихреності потоку. Передбачається, що в пристінковому шарі каналу утворюються тороїдні вихри (вихрові кільця), які переміщаються в турбулентне ядро потоку, де зменшують свій розмір і збільшують швидкість обертання навколо кільцевої осі тора. Гвинтова форма гофра забезпечує й осьове обертання, що підвищує стійкість вихрів. Інтенсивне обертання навколо кільцевої осі створює значні відцентрові сили, в результаті залежність тиску від густини газу і швидкість звуку збільшуються. Розроблено математичну модель, що описує зв’язані поздовжньо-поперечні коливання газу і гофрованої оболонки каналу. Зазначено, що в досліджуваній системі є два взаємовпливаючі типи хвиль – поздовжні, які, в основному, переносять уздовж каналу імпульси тиску газу, і поперечні, що переносять імпульси радіальної деформації оболонки. У результаті моделювання з’ясовано, що через поперечні коливання стінки швидкості поширення поздовжніх хвиль тиску газу (що мають ту ж довжину хвилі, що і в експериментах на стенді) виявляються вище адіабатичної швидкості звуку.