Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Маленькие капельки, из которых состоит облако или моросящий дождь, могут захватываться следом, образующимся за дождевой каплей, даже если они не сталкиваются с ее нижней явлвиия в потоках жидкости поверхностью. Это происходит потому, что течение в следе нестационарно и нередко может приближать капельки вплотяую к верхней поверхности капли. Коэффициент захвата тела, пронизывающего облако частиц, определяется отношением числа частиц, которые сталкиваются с телом и захватываются им, к количеству частиц внутри цилиндра, опирающегося на контур миделя тела.
Обычно коэффициент захвата газовых пузырей в воде очень мал, но если тело представляет собой проволоку диаметром Тра ентории левица частиц Рис 29Л. Траектории частиц, прибдижаюцхихси к врепнтствию. Если плотность частиц меньше плотност» основного потока, то онн обходят препятствие, если наоборот, то частицы могут с ним столинуться, особенно при больших числах Рей- нольдса.
меньше диаметра пузырька, то она может захватить некоторое их количество. Коэффициент захвата дождевой капли, движущейся в облаке, очень сильно зависит от отношения ее размеров к размерам капелек, из которых состоит облако. Если они очень малы, то коэффициент захвата тоже мал, но для капель, характерных по размерам для моросящего дождя, коэффициент захвата может быть близок к единице.
Если же значительный захват происходит и в следе за каплей, то указанная величина может быть больше единицы. Эффективность столкновения может отличаться от коэффициента захвата, так как последний зависит и от механизма захвата. В случае, когда градина, падая, пролетает сквозь облако, состоящее из переохлажденных водяных капель, они прилипают к ней, если успевают замерзнуть за время соприкосновения. Если же при соударении оии не замерзают, то могут смочить поверхность градины и также оказаться захваченными. С другой стороны, если капелек очень много, то скрытой теплоты плавления может оказаться достаточно, чтобы поднять температуру поверхности градины до ОоС, после чего вследствие нестационарности процесса может происходить ГЛАВА 2 разбрызгивание воды с ее поверхности.
Примерно тоже происходит, если диаметр дождевой капли достигает -5 мм. При этом поверхностное натяжение уже не может обеспечивать ее сферичность в присутствии аэродинамических сил, и обычно крупные капли дробятся. В первое время, когда начали опылять посевы пестицидами, порошок сбрасывали с самолета в безветренную погоду в расчете на то, что, попав в скошенный вниз поток за самолетом, а также под действием силы тяжести, они опустятся на обрабатываемый участок. Однако на растения попадали в основном более крупные частицы, которые при этом оседали главным образом на верхней стороне листьев, что не обеспечивало требуемой эффективности опыления. Позднее стали применять аэрозоли, состоящие из более мелких частиц, и обработку нми производить при поперечном ветре. Теперь частицы захватывались листвой, когда сквозь нее проходил несущий их воздушный поток.
Этот метод проще, так как не требует, чтобы погода была неприменно безветренной. Одновременно сокращается расход пестицида, поскольку ранее размеры частиц выбирались из соображений осаждения их под действием силы тяжести, и часто доза оказывалась слишком большой. Наиболее эффективным средством борьбы с летающими насекомыми является применение мелкодисперсных аэрозолей, частички которых оцедают очень медленно, но достаточно велики, чтобы быть захваченными насекомым, пролетающим сквозь облако аэрозоля (см. равд.
12.7). Форма препятствий в процессе нх роста за счет осаждения материала, несомого потоком, может меняться самым причудливым образом. Так, градина может быть сферической, но нередко ее передняя часть может приобрести и коническую форму, которая показывает, что в процессе падения она имела преимущественную ориентацию. При осаждении переохлажденных капель на проводах ледяной покров может приобретать У-образную конфигурацию. Вероятной причиной этого являются колебания провода, вызывающие периодическое перемещение 'точки'торможения по наветренной стороне провода, при котором образуются две точки преимущественного осаждения льда.
Ледяной покров на проводах нарастает неравномерно, так как небольшие выступы растут быстрее, чем другие его части. При слабом ветре обледенение проводов и веток может объясняться в первую очередь конденсацией (столкновеннем молекул), а не обычным столкновением частиц. Скорость сублимации зависит от градиента концентрации отложившегося материала; она больше на концах небольших выступов, чем на протяженных участках поверхности. Поэтому иней часто состоит из игольчатых образований, а ледяные кристаллы, опускаю- явлвния в потоках жидкости щиеся в воздухе, перенасыщенном водяным паром при температуре ниже О'С, в процессе роста приобретают форму еловых веток (рис.
2.9.2), на концах которых пограничный слой тоньше и, следовательно, градиент концентрации больше. Интересной особенностью осаждающихся ледяных кристаллов (снежинок) является их удивительная симметричность. Рис. 2зв2. дендритиые формы ледяных кристаллов, растущих н перенасыщен- ном воздухе в процессе падении. ускоренный рост выступающих частей привсщит и развороту кристалла, в результате чего впереди оказывается самый малый выступ. Этим обеспечивается симметричный рост кристаллов.
Пластиичатые кристаллы падают по Спиральной траектории, одновременно совершая вращательное движение. Как только одна из растущих веточек становится длиннее других, частица под действием сил вязкости начинает поворачиваться в набегающем потоке. В результате на наветренной стороне оказываются другие веточки, пограничный слой на них становится тоньше, а градиент концентрации увеличивается.
Рост снежинок определяется также кристаллической структурой, обусловливающей их гексагональную симметрию. 2.10. Коэффициент лобового сопротивления При больших числах Рейнольдса сила сопротивления, действующая на тело со стороны потока, скорость которого сг'. обусловлена возникновением вихрей, обладающих определенной кинетической энергией. Скорость движения жидкости в этих вихрях пропорциональна скорости набегающего потока, ча их 78 ГЛАВА 2 10 000 5 000 2 000 480 235 64 34 О, 002 0,005 0 О! 0,05 0,1 0,4 0,8 1 2 5 10 20 50 100 27 15 7 2,6 1,6 1,1 йе = ; а — радиус; 2и, — скорость падения; 2ан~с . т та=ра72а=О 15 см27с лля воздуха при 20аС~ т, =0,015 см27с для воды врй 5 ьС; 72с222а2иасяая= lзяа ч(ен ра) ра — плотность воздуха; р,— плотность воды.
сопротивления для сфер при разных числах Рейнольдса, а в табл. 2.10.2 — скорости установившегося падения (в воздухе) сфер, имеющих плотность воды. Водяные шарики дро- размеры определяются геометрическими характеристиками тела, Сила лобового сопротивления определяется выражением О = '!2СлзрУ2'72 (2.10.1) где 212 — площадь поперечного сечения тела. Число Маха определяется как М=У/с, где с — скорость звука. Когда У приближается к с, течение меняет свой характер, так как в некоторых его частях поток становится сверхзвуковым, а распределение давления коренным образом изменяется из-за появления скачков уплотнения.
Характер отрыва также меняется, а большая часть сопротивления при У)с и М)1 обусловлена возникновением ударных волн, которые распространяются в воздухе в виде конуса, подобно волнам, образующимся на поверхности воды при движении судна. При этом сопротивление пропорционально более высокой степени 17, или, иначе говоря, при М)~1 Со убывает. При малых числах Рейнольдса, т.
е. в режиме течения Стокса, сопротивление пропорционально 1! [уравнение (2.8.2) ), и, следовательно, согласно определению Со !уравнение (2.10.1)! при малых числах Рейнольдса оно должно возрастать. В табл. 2.10.1 приведены значения коэффициента лобового Таблица 3.70! КомрФнниент лобового сопротивления сферы яВления В пОтОкАх жидкости 79 Таблица 2.10.2 Установнвшансн скорость надешвн водннмх канель в воздухе Скорость нввеннк, см/с Скорость пвкенн», см/с Днаметр капли, мм Диаметр капли, мм 5,7 6,1 6,5 6,9 7,3 7,6 7,8 8,1 8,3 8,6 8,8 9,0 9,1 9,2 0,00! 0,01 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,6 4,0 4,6 5,2 5,8 0,0003 0,03 0.27 0,72 1,2 2,5 2,9 3,3 3,7 4,0 4,6 5,2 дождь Облако Начинается дроб- ление капель Мороснщиб дождь Массовое дробле- ние капель бятся, если их диаметр превышает приблизительно 5 мм.
Для большинства обычных тел, изучаемых в лабораторных условиях (кроме тех, которые имеют специальные аэродинамические формы, такие, как у лопастей виитов и крыльев самолетов), соотношение (2.10.1) справедливо во всем диапазоне скоростей, с которым обычно приходится иметь дело, причем величина Св ПРи 50~йе(10з близка к единице. Отметим, однако, что верхний предел меняется соответственно размерам тела, так как они определяют значение числа Рейнольдса при соответствующем числе Маха. Необходимо отметить, что при больших числах Рейнольдса и малых числах Маха в зависимости от степени турбулентности набегающего потока и характера поверхности тела вверх по потоку от точки отрыва может существенно меняться толщина пограничного слоя, а также и положение точки отрыва (равд. 2.7).
При смещении точки отрыва по контуру тела назад размеры следа за ним быстро уменьшаются, и поэтому при увеличении скорости (и, следовательно, числа Рейнольдса) может стать меньше не только коэффициент сопротивления, но и само сопротивление. При обтекании крупных натурных объектов может возникнуть любая из указанных ситуаций, так как и при малых скоростях ветра числа Рейнольдса могут быть очень большими. ГЛАВА з 2.11. Отрыв и необратимость Все течения вязкой жидкости необратимы, так как в них механическая работа напряжений, обусловленных вязкостью, переходит в тепло.
С другой стороны, ббльшая часть энергии, которая делает течение необратимым, генерируется в виде вихрей. Хотя энергия вихревого движения в результате действия вязкости в конце концов превращается в тепло, необратимость в первую очередь связана с механизмом образования вихрей, которые в большинстве случаев, если силы плавучести невелики, появляются при формировании отрывных течений. Два важнейших примера образования вихрей — следы и струи.
След за препятствием в потоке жидкости сначала ограничен поверхностью отрыва, которая сходит с линии отрыва на теле. В случае сферы (рис. 2.11.1) отрыв начинается вблизи задней точки торможения 5', но по мере развития течения смещается вперед и при больших числах Рейнольдса располагается вдоль линии, отстоящей от передней точки торможения 5 примерно на 80'. Перед этой линией течения вне пограничного слоя почти неотличимо от потенциального.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
