Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 14

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

Текст из файла (страница 14)

За ней образуются нестационарные вихри, которые, срываясь с тела, растут и уносятся потоком. Двумерное течение за цилиндром обычно имеет вид вихревой дорожки (рис. 2.11.2), часто называемой дорожкой Кармана, в которой вихри имеют противоположные направления вращения и сбегают попеременно то с одной, то с другой стороны цилиндра.

За сферой течение имеет более хаотический характер, но иногда приобретает характер вихря со спиральным ядром. В установившемся течении за цилиндром практически любого сечения проявляется тенденция к образованию вихревой дорожки, Следовательно, такое течение имеет периодический характер, и в этом, в частности, причина колебаний проводов на ветру. Частота колебаний о, часто называемая числом Струхаля, связана со скоростью потока У и диаметром препятствия Ы соотношением .=Зи)д, (2.! !.1) где 5 — число Струхаля, равное для круговых цилиндров примерно 0,2. Многие эксперименты, выполненные в аэродинамических трубах при больших числах Рейнольдса, дают результаты, характерные для данной трубы. Это связано с тем, что каждой трубе присущи свои собственные уровни турбулентности и частоты вращения вентиляторов, которые влияют на поведение испытываемых объектов в условиях отрывного обтекания.

Рис. 2 ) (.1. Обтыгание сферы с развитием отрыва. В момент начала движения (или при очаиь малым числвк РеАиольдса) саед за с(шроА отсутствует (а). Однако месколыю ьпновеинА спустя проискодит отрыв пппжа вблизи задней точки торможении (б», н точки отрыва начинает смещатьса вперед, пока при болыпнк скоростяк ме удалится ог задней точки торможении цримериа иа ЮО' (е) При етом в следе рвзвнваетсн турбулентность Прн высокой степени турбулеитиост» набегающего патака или прн шероковатой поверхности сбшры, вызывающей турбулнзацию пограничного слои, точка отрыва может опять сместиться «азад Рис. 2.11.2.

След за круговым цилиндром, визуализироваиный частицами, плавающими иа поверхности воды Частицами служили мелкие пузырьки пены. образующиеся при введении небольшого количества стирального'яорошка Йасос, абеспечивающнА циркуляцию воды, был отрегулирован так, что засасывал некоторое количество возщпга. ГЛАВА й Рис. 2Л ВЗ. Вихревая дорожка, образующаяся за о-иом яи-Майеи при запад- ном ветре.

На острове дее горы — высотой ЗЗ77 м при ширине основания 10 км и высотой 769 м при ширине основания 40 км,— ориентированные в юго-западном «вправлении. Структура течении визуализирована облаками. назодяшнмнся иа высоте гебе — 2700 м, нише устойчиваго слоя, который обеспечивает почтя полную двумериость течения, когда вершины гор выступают иад облачным покровом. Циклонические викри обладают большей нитенсивносгью. Раотография сделана со спутника МОАА4 и публнкуетсв с разрешения руковод- ства факультета злектрогезиикн университета даиди.) В первую очередь это относится к лабораторным моделям со специально сглаженной поверхностью,таким„как сферы и круговые цилиндры. Обычные окружающие нас объекты, как правило, имеют шероховатые поверхности и неровности и обдуваются ветрами со значительным уровнем турбулентности (достигающим, например, 0,2, что означает, что флюктуацнонная составляющая скорости составляет около 7/б скорости ветра).

Некоторые авторы включают в определение числа Струхаля (2.11.1) множитель 274, а другие определяют его как величину, обратную приведенной здесь. Остров Ян-Майен (рис. 2.11.3) имеет число Струхаля 0,2, хотя число Рейнольдса для него — 1О'О и он имеет неправильную форму. На практике наиболее важную роль в определении характера отрыва играют острые кромки. Это кромки. На которых могут начинаться свободные линии тока. Образующиеся при этом вихревые пелены свертываются в вихри, с которых начинается формирование вихревой дорожки. Хотя теоретически такие вихревые пелены рассматриваются как два параллельных ряда вихрей, расположенных в шахматном порядке. на самом деле, смещаясь вниз по потоку, вихри растут, и только после того, как с препятствия сойдет 1О или более вихрей, расстояние вз ЯВЛЕНИЯ В ПОТОКАХ ЖИДКОСТИ между ними становится почти постоянным. К особому виду острых кромок относится спиральный выступ, который часто делают на каминных трубах.

Благодаря ему вихри по высоте трубы срываются неодновременно, и поэтому не возникает периодически меняющаяся сила, которая иначе заставляла бы трубу вибрировать как единое целое. Типичными острыми кромками, с которых срывается поток, являются угол здания, конек крыши, вершина скалы или стена на холме. Тем же свойством обладают и кромки транспортных средств.

Они обеспечивают турбулентный режим течения за препятствием и величину его коэффициента лобового сопротив- Рис. 2.ЫЛ. Отрыв потока при обтекании стены на ее наветренной кромке. Дым из источника, расположенного за стеной, лостигает границы отрывной зоны, а затем либо циркулирует в фиксирован ном вихре за стеной, либо периолиеески уносится со срываю- ыимися вихрями, ления порядка единицы. Следы и линни отрыва часто становятся видны, когда в них попадает дым (рис. 2.11.4). Струи образуются при истечении жидкости из трубы или отверстия в стенке. На высоконапорной стороне отверстия течение жидкости очень хорошо описывается классической теорией, в рамках которой ч=дгаб гр и (Увяз=О (рнс. 2.11.5).

Со стороны низкого давления характер течения совсем иной — здесь оно превращается в турбулентную струю (см. также гл. 8). Нередко приходится сталкиваться с наивным объяснением механизма эжекции, свойственного турбулентным струям. Во многих школьных учебниках утверждается, что окружающая струю жидкость вовлекается в нее потому, что согласно уравнению Бернулли большей скорости соответствует меньшее давление. Это утверждение ошибочно, так как для создания струи давление по другую сторону стенки, через которую она истекает, должно быть намного выше, чем в той части пространства, куда она истекает. Когда благодаря неустойчивости на границе струи к ней примешивается и уносится вниз по поТоку окружающая ее жидкость, количество движения в единице объема убывает, а там, откуда была отобрана жидкость, давление падает.

Если бы можно было создать ламинарную струю ГЛАВА 2 с постоянной скоростью, то давление на ее границе равнялось бы давлению в окружающей жидкости, однако уравнение Бернулли в этом случае все равно было бы неприменимо. Причина э того то постоянная Бернулли АтН, определяемая выражением (1.7.9), для жидкости внутри и вне струи имеет разные значения, так как на границе струи образуется вихревой слой. л н Поэтому, когда течение становится нестационарным н у бентным, уравнением Бернулли пользоваться нельзя. тур у- Если бы реальные течения были обратимыми, это было бы крайне неудобно для живых существ, так как за исключением Рис.

2.! !.5. Истечение струи через отверстие в стеике. Вблизи стока или ва каеетреикод сторове препятствия течекве обычно почтв потеицвальвое. В то же время течеиие в струе, кстекаюшея из отверстия в представляющее севов след аа препятствием с протоком, является з рбулеиткым в иеобратимым. десь проискодит смешение с окружаюпсея жидкостью в ее ажекцвв, случаев, когда они двигаются или когда дует ветер, они при каждом вдохе вдыхали бы тот же воздух, который только что выдохнули. Это было бы так неудобно во время сна! К счастью, при выдохе образуется струя, а вдыхаемый воздух поступает со всех сторон, как в случае стока. Жизнь целиком и полностью зависит от процессов, протекающих в жидкостях организмов живых существ, н была бы невозможна, если бы доминировали обратимые процессы.

В струе поток количества движения один и тот же на любом расстоянии от ее начала. Поэтому произведение аи11УЯ, где ав представляет площадь поперечного сечения струи, а %' — осевая составляющая скорости (пропорциональная объемному расходу и «плотности количества движенияв), имеет постоянную величину. Если )Ут убывает, то а должно соответствен у еличи аться, и в результате объемный расход, который в в но м ж пропорционален ая%; также возрастет.

Это означает, что с я о ет замедляться только за счет увеличения объемного рас- о труя хода жидкости, которую она несет, и, следовательно, имеет 85 ЯВЛЕНИЯ В ПОТОКАХ ЖИДКОСТИ место эжекция, обусловленная неустойчивостью вихревой пелены. Пониженное давление создается не за счет высокой скорости струи, а лишь за счет ее смешения с окружающей жидкостью. Поэтому водяная струя может понижать давление, эжектируя воздух, и это свойство используется в вакуумных насосах, подключаемых к вакуумируемым объемам в физических и химических лабораториях.

2.12. Критерии подобия При изучении огромного разнообразия течений жидкостей удобно рассматривать их как относящиеся к тому или иному диапазону значений критериев подобия. Так, рассматривая переход от ламинарного течения, для которого силы инерции пренебрежимо малы (режим Стокса) и малы числа Рейнольдса, к течениям, характеризующимся большими числами Рейнольдса, когда можно пренебречь вязкостью, а поток является безвихревым перед препятствием и становится полностью турбулентным за ннм, можно предположить, что существуют и другие важные безразмерные величины. Так, например, часто считают, что число Маха в естественных потоках У/с всюду мало, поэтому эффектами сжимаемости можно пренебречь.

Другие важнейшие критерии, с которыми мы будем сталкиваться в наших исследованиях, связаны с плавучестью. Число Фруда представляет собой отношение сил плавучести (или сил тяжести) к силам инерции, т. е. отношение гравитационной потенциальной энергии к кинетической энергии. При изучении эффектов плавучести в последующих главах это число будет иметь порядок единицы; в противном случае оно будет полагаться равным нулю.

Характеристики

Список файлов книги