В ракетных двигателях широко используются сверхзвуковые сопла Лаваля, имеющие плавно сужающуюся дозвуковую часть, горловину и расширяющуюся область сверхзвукового течения. Сопла РДТТ для улучшения энергомассовых характеристик часто имеют форму, отличающуюся от классической. Так, встречаются сопла, утопленные в камеру сгорания, с конструкционными уступами и стыками разноуносимых материалов. В процессе работы происходит унос материала таких сопел, что приводит к потере устойчивости потока в пристенной области.

Известно весьма ограниченное число устойчивых конфигураций потока вблизи различных тел: дорожка Кармана, образующаяся за поперечно обтекаемым цилиндром, тороидальные вихри Тейлора, сотовые конвективные ячейки Бенара. Форма этих течений устойчива и не изменяется при воздействии малых возмущений потока.

В течениях продуктов сгорания в соплах РДТТ наблюдаются различные виды газодинамической устойчивости. Привычное утверждение о так называемом "турбулентном переходе" в данном случае оказывается весьма упрощенным и страдает недостатком наглядных качественных подтверждений.

В Центре Келдыша был разработан эффективный метод горячей визуализации, основанный на уносе массы сублимирующих материалов, при помощи которого удалось исследовать различные формы устойчивых пристенных течений в соплах модельных РДТТ. По виду рельефных отпечатков на внутренней поверхности сопла определялась структура течения вблизи стенки.

Экспериментально было установлено, что в закритической области, в месте стыка разноуносимых материалов, где реализуется течение с положительным градиентом давления, на поверхности с криволинейной образующей возникают устойчивые продольные вихри. Они носят название вихрей Тейлора-Гёртлера и образуют попарно винтовое течение с осью вращения вдоль образующей сопла. Измеренная величина относительной амплитуды следов вихрей коррелирует с критерием Гертлера, рассчитанного для этой области.

Периодичность вихрей весьма точно может быть описана эпициклоидой с окружностью скольжения, эквидистантной контуру сопла.

В сверхзвуковой области при М >1 и отрицательном градиенте давления вблизи стенки сопла были зафиксированы следы в виде ромбовидных узоров пересекающихся характеристик. Данный вид устойчивого течения относится к классическому сверхзвуковому течению с образованием волн Маха, а угол наклона отпечатков соответствует углу наклона характеристик, удовлетворяющих известному газодинамическому соотношению (arcsin (1/M)).

Наиболее интересной является область трансзвукового истечения из сопла. Испытания модельных моноблочных вкладышей критического сечения показали, что на начальном участке нарастания пограничного слоя поверхность стенки сопла остается абсолютно гладкой. Этот участок соответствует ламинарной области, где течение описывается известным законом Ньютона для вязких жидкостей и газов.

С увеличением скорости под воздействием внешних сил поток вблизи стенки постепенно "раскачивается" и теряет послойную устойчивость, приобретая волнообразный характер. Такой вид устойчивого течения был теоретически предсказан Толмином и рассчитан Шлихтингом. Для плоского случая и внешнего обтекания волны Толмина-Шлихтинга были получены экспериментально и их теория отражена в литературных источниках. Было получено, что волны имеют весьма регулярный гофрообразный характер с явной периодичностью и практически постоянным значением амплитуды. Количественно эти волны с хорошим приближение описываются синусоидой.

При исследовании трансзвуковых течений с затянутой горловиной, когда градиент мал, был впервые обнаружен интересный вид течения, представляющий собой послойно перемежающиеся цепочки из компактных однородных образований. Периодичность образований в осевом направлении соответствовала периодичности волн Толмина-Шлихтинга, а в окружном - вихрей Тейлора-Гёртлера. Аналогичные образования наблюдались и на цилиндрическом участке развитых вихрей Тейлора-Гёртлера, что говорит об одинаковой природе их возникновения. Появление образований связано с вторичной потерей устойчивости. В случае волн Толмина-Шлихтинга терялась устойчивость в окружном направлении, а периодическое винтовое течение Тейлора-Гёртлера нарушалось в осевом направлении. Неважно, по какому сценарию возникали эти образования, главное, что они появлялись при уменьшении до нуля градиента давления и являлись устойчивой конфигурацией для обоих случаев. Для указанных образований характерно маломасштабное винтовое послойно-чередующееся движение. Каждый дискретный объем газа представляет собой одиночный спин с вращением в противоположном направлении по отношению к двум соседним и осью, параллельной образующей сопла. Причем спины последующего ряда сдвигаются в окружном направлении на величину, равную половине их поперечного размера. При значительном увеличении длины цилиндрического участка сопла размеры спинов остаются постоянными и их интенсивность практически не изменяется.

К устойчивым течениям в реактивном сопле следует также отнести течение в области больших расширений сверхзвукового потока. Эта область наблюдается за границей области волн Маха. На исследуемом сопле отпечатков в этой области получено не было. Его поверхность оставалась гладкой, похожей на поверхность после воздействия ламинарного потока. Этот факт объясняется переходом к течению, приближающемуся по свойствам к молекулярному движению газов. И хотя строго такое движение характеризуется большим числом Кнудсена, поток уже на этой стадии теряет свойства вязких и ударных течений. В такой достаточно протяженной области происходит переход к чисто молекулярному движению, а понятия пограничного слоя и скачка уплотнения теряют смысл.

Таким образом, в результате анализа экспериментальных данных была детально воспроизведена структура пограничного слоя в сопле. Для гладкого сопла Лаваля эта структура содержит следующую цепочку устойчивых конфигураций: ламинарный участок; область волн Толмина-Шлихтинга; область компактных спинов; область волн Маха; область перехода к течениям с большими числами Кнудсена.

В местах появления положительных градиентов давления в процессе разгара сопла появляется область винтовых продольных течений Тейлора-Гёртлера.

В Центре Келдыша проводятся широкие исследования вязких градиентных течений в различных каналах, по результатам которых разработаны методы и программы расчета теплообмена и потерь удельного импульса тяги в соплах РДТТ.