Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 12

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

уже не соответствует уравнению (2.6.4), полученному из то ГЛАВА 2 условия достижения равновесия потока в целом под действием сил вязкости. Профиль турбулентного течения в центральной части потока становится более плоским; вблизи стенок остаются тонкие пограничные слои, которые не утолщаются при смещении вниз по потоку, пока поддерживается турбулентное течение (рис. 2.7,10).

В этом случае пограничный слой становится тоньше вследствие уменьшения сдвиговых напряжений вблизи стенки, где ее присутствие препятствует образованию крупных вихрей (см. разд. 7.3). Между турбулентным пограничным слоем и стенкой может существовать ламинарный подслой, 1 ! ! Пнаний „~ жгет 1 ~отФФтвотт" у'ечение е пограничном епое Рис 2.7.! О.

Уменьшение толщины пограничного слон нол влиннием турбулентности. играющий роль смазочной пленки. Однако так как градиент скорости в подслое больше, чем в случае ламинарного течения, то градиент давления, необходимый для поддержания этого течения, в случае турбулентного течения также оказывается больше. Это обстоятельство имеет особо важное значение в случае труб. В изгибе канала отрыв потока менее вероятен на его внутренней стороне, так как здесь давление падает За счет действия центробежных сил, возникающих при искривлении линии тока (см. разд. 3.2). Однако отрыв часто происходит на внешней стороне изогнутого канала, где существует зона высокого давления и скорость потока падает.

Предотвратить отрыв можно, установив в месте поворота канала на прямой угол решетку профилей (рис. 2.7.11). Так поступают при проектировании аэродинамических труб замкнутого типа. При большом числе профилей в решетке крупные вихри не образуются. Рис. 2.7.1! демонстрирует также изменение относительного положения частиц, находящихся до поворота в одном поперечном сечении трубы. Видно, что после прохождения поворота они располагаются в плоскости, проведенной под углом к оси канала (см. также разд.

З.З). Значительные трудности возникли при разработке воздухозаборников турбовинтового авиадвигателя «Олимп», конструкция которого предусматривает разворот воздушного потока и подачу его в двигатель с обратной стороны. явлкния в потоках жидкости При этом на внешней стороне криволинейного канала образовывался медленный пограничный слой. Когда самолет попадал в облако, содержащее снег или снежную крупу, в зоне повышенного давления криволинейного канала накапливался лед.

Так как канал имеет кольцевое сечение, то его радиус в направлении течения уменьшается, и, двигаясь вместе с потоком, снег сильно уплотнялся. От плотной массы снега откалывались Пограничный алой Рис 2.7.11. Отрыв потока перед зоной высокого давлении на внешней стороне колена канала Отрыв (а) можно предотвратить, уетвновив в колене решетку профилеа )б). куски, которые иногда гасили пламя в камере сгорания. Если бы на участке изгиба воздуховод был образован системой двумерных колен, внешняя образующая которых была бы выполнена по дуге окружности, а сами они располагались бы радиально, то уплотненный снег уносился бы вниз по потоку непрерывно и пламя в камере сгорания не гасло.

Кроме того, температуру стенки следует поддерживать на уровне выше температуры замерзания воды, чтобы обеспечить смазку при движении льда вдоль нее. 2.8. Движение малых тел в жидкости. Число Рейнольдса Число Рейнольдса — безразмерная величина, равная отношению сил инерции (т. е. произведения массы на ускорение) к силам вязкости. Поэтому в случае медленных течений оно глхвх з 72 мало. Число Рейиольдса можно также представить как отношение членов Ы1И и тКзч, входящих в уравнение (1.3.29).

Инерция представляется плотностью, умноженной иа отношение скорости ко времени, где время есть отношение пути к скорости. Аналогичным образом сила вязкости в единице объема представляется произведением кинематической вязкости на градиент градиента скорости, где градиент — величина, обратная длине. Итак, гп:Р:и1 и где У и 1 — характерные для данного случая скорость и длина соответственно. Число Рейнольдса Ке можно рассматривать также как отношение давления, представленного величиной '5р(7з в уравнении Бернулли, к силе вязкости, отнесенной к площади и представленной произведением динамической вязкости на градиент скорости, т.

е. как рУ/1. При малых числах Рейнольдса силы инерции пренебрежимо малы. Наоборот, при больших числах Рейнольдса можно пренебречь силами вязкости, однако следует отметить, что зто обычно имеет место в результате перехода течения в турбулентное, когда определяющую роль играют силы инерции, связанные с вихревым движением жидкости (см. гл. 7).

После перехода к турбулентному режиму течения при дальнейшем увеличении Ке структура течения меняется мало, так как скорости в вихрях пропорциональны средней скорости создавшего их потока, и позтому отношение сил инерции, действующих в вихрях, к силам инерции в осредненном течении при изменении скорости не меняется. Когда числа Рейнольдса малы, течение около малой частицы определяется динамической вязкостью м и размером частицы а. Сила сопротивления частицы О при скорости движения У выражается соотношением вида В-чаи, (2.8.2) (2.8.1) бвана Ц = 41зка~й Ьр. (2.8.3) По причинам, указанным выше в разд. 2.6, зта формула может быть неверна в случае жидких сфер или газовых пузырей, так так как никакая другая комбинация р, а и У ие имеет размерности силы.

Стокс первым показал, что козффициеит пропорциональности в случае твердой сферы, совершающей медленное движение в жидкости, равен 6п. Если сфера движется под действием силы тяжести и разность плотностей сферы и жидкости равна Лр, то скорость установившегося движения определяется из соотношения 73 явления в потоках жидкости как на их поверхности возможно скольжение. Однако очень часто пузырьки газа подчиняются .этому уравнению благодаря имеющимся в жидкости примесям твердых частиц, которые мешают скольжению на поверхности пузырька. Различие между силами сопротивления при больших и малых числах Рейнольдса хорошо видно на примере парашюта и семян одуванчика.

Для парашюта характерны большие числа Рейнольдса, и он представляет собой устройство для создания интенсивного вихревого движения в следе за ним в процессе спуска в атмосфере. Вихри образуются при отрыве потока по периметру парашюта и на кромке отверстия в его середине, а силу сопротивления, создаваемую высоким давлением на его нижней поверхности, можно рассматривать как силу, необходимую для генерации вихря в следе. Работа всех воздушных тормозов, применяемых в авиации, основана на том же принципе. Их называют спойлерами'!, так как они «портят» ламинарный поток на поверхности крыла, создавая вихревое движение. Наоборот, семена одуванчика являются примером объекта, для которого число Рейнольдса мало, и течение определяется вязкостью. Крошечные пушинки имеют относительно очень большую поверхность, соприкасающуюся с воздухом, развивающим вязкое трение за счет сдвиговых напряжений на поверхности.

Вихри в следе не образутся, однако воздух, окружающий семя, увлекается вместе с ним. Так как оно как бы «тонет» в окружающем воздухе, сила сопротивления в каждый следующий момент времени прилагается к новой порции воздуха, и за семенем остается постоянно удлиняющийся след движущегося за ним воздуха, который посредством вязкости постепенно передает количество движения все увеличивающемуся объему окружающей среды, и механическая энергия в конце концов переходит в тепло. 2.9. Траектории малых частиц. Эффективность захвата Если малая частицы «вморожена> в жидкость, т. е. скорость ее установившегося движения относительно потока мала, то ее ускорение примерно равно ускорению частиц жидкости.

Поэтому мыльный пузырь не может столкнуться с домом, так как он движется строго вдоль линий тока, огибающих это препятствие. Однако он может натолкнуться на дерево, так как " От английского !о аро!! — портить — При«. перев, ГЛАВА Я в этом случае кривизна траекторий частиц воздуха больше, чем в случае обтекания дома, а поскольку пузырь тяжелее вытесняемого им воздуха, то он движется по менее изогнутой траектории, чем воздух. Для очень маленьких пузырьков скорости установившегося движения меньше, чем для больших, и поэтому они могут избежать столкновения со стволом дерева, но могут столкнуться с одной из его тонких ветвей. Частицы дыма, которые оседают со скоростями менее 1 мм/с, сталкиваются с тонкими нитями (именно поэтому вездух 3 ильтруют через ткани!), но не осаждаются на стенах зданий.

саждение копоти на зданиях в основном определяется мелкими вихрями, образующимися на их острых углах и выступах. Траектории частиц воздуха в таких вихрях имеют очень большую кривизну, которая и приводит к столкновению частиц дыма с поверхностью. Течение воздуха вдоль стены дома не приводит к столкновению увлекаемых им частиц со стеной, если скорость их установившегося движения не слишком велика. Поэтому тяжелые дождевые капли бьют в оконные стекла, а мелкие капли и особенно капельки, образующие туман,— нет. Однако капли моросящего дождя и тумана весьма эффективно улавливаются тонкими ветвями и особенно хвоей.

Так как кроны сосен, растущих достаточно высоко над уровнем моря, нередко находятся в облаках, то во время дождя под ними выпадает большее количество осадков, чем на расположенных поблизости открытых местах. В противоположность широко распространенному мнению, деревья не «притягивают воду» (не увеличивают они, как думают многие экономисты, и содержание воды в почве!) и безусловно способствуют испарению (через листву) воды, извлеченной корнями из глубоких слоев почвы. Однако в некоторых районах вклад деревьев в содержание воды в почве посредством захвата частиц, из которых состоят облака, может быть весьма значительным. Древесная растительность способствует также увеличению пористости почвы и, следовательно, удержанию воды-в ней.

Течение на наветренной стороне препятствия весьма близко к потенциальному. Траектории' частиц для этого случая показаны на рис. 2.9.1. Частицы, плотность которых меньше плотности основного потока, не сталкиваются с препятствием, поскольку их траектории искривлены сильнее, чем траектории частиц потока. Если частица имеет значительные размеры, то она может быть захвачена препятствием и тогда, когда ее центр движется по траектории, не пересекающей поверхность препятствия.

Характеристики

Список файлов книги