Р. Скорер - Аэрогидродинамика окружающей среды (1115254), страница 60

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

Текст из файла (страница 60)

Частицы, обладающие скоростью падения относительно жидкости, в которой они г/о пй аг то йп ор з г Рнс. 8.4.5. Последовательные положения первоначально горизонтального слоя жидкости над развивающимся терм иком (Вудворд, ! 959) . Рис. 8.4.6. Границы зон, вне которых частицы с данной скоростью падения будут достигать основания термика. Гранина термина ноиааана заштрихованной полосой. Сиоростн падения о несенм ~ сиоростн подъема головной части термина (Вудворд, 1959Ь взвешены, могут совершить несколько оборотов вокруг ядра термика, прежде чем они выпадут из него.

На рис, 8.4,6 представлены кривые, рассчитанные Вудвортом по результатам экспериментов, показывающие зоны, из которых частицы с определенной скоростью падения не будут выпадать из термика. Частицы, падая относительно восходящего потока, в конце концов выпадают из термика, когда скорость этого потока убывает, Во время падения сквозь восходящее течение частицы перемещаются ближе к оси. Таким образом, все они воз- ЧАСТИЧНО ТУРБУЛЕНТНЫЕ ТЕЧЕНИЯ вращаются на исходный уровень вблизи виртуального входа в термик, даже если перед этим частицы, циркулируя внутри него, были распределены в зоне со значительно большими горнзонтальными размерами. 8.5.

Полеты в термиках На заре планеризма пилоты возлагали большие надежды на использование термиков для набора высоты. Вначале термики представляли себе в виде поднимающейся воздушной массы, более или менее сферической формы, которую отождествляли с пузырями, всплывающими в окружающей среде. Если пилоту-планеристу удавалось попасть в термик вблизи его вершины, то он мог набирать высоту до тех пор, пока не достигал нижней границы термика, после чего использование данного термика уже невозможно.

Поскольку любое твердое тело, движущееся в воздушной среде, оставляет турбулентный след, считалось, что и за термиками возникают такие следы. Поэтому если бы планерист в конце спуска сквозь термик ощущал турбулентность окружающего воздуха, то это служило бы экспериментальным подтверждением указанной гипотезы и согласовывалось бы с аналогией между движением термика и пузырька воздуха в воде.

Эта аналогия предполагает наличие всплывающей фронтальной зоны, имеющей форму линзы, за которой находится вихревое кольцо с образующимися иногда плавными восходящими токами. Позади пузыря образуется вихревой след, в котором вертикальные скорости постепенно убывают с удалением от оси термика, Эта аналогия с пузырьком воздуха была усовершенствована заключением о том, что перемешивание (ясно заметное на вершинах кучевых облаков) будет размывать всплывающие пузыри, так как теплый воздух может смешиваться с окружающей средой.

По этой причине они будут уменьшаться в размерах и постепенно исчезать, Данная тема будет развита в гл, 11, посвященной облакам. Такой размытый термик имел бы вихревой кольцеобразный след с турбулентной зоной под ним, Опыт показывает, что при первом вхождении в термик обнаружение с помощью специальных маневров его центральной части с наибольшей скоростью восходящего потока не составляет большого труда. Турбулентность ощущалась лишь тогда, когда было трудно выйти в центр термика и отыскать восходящий поток с наибольшей скоростью. Некоторые планеристы считали, что зона восходящего потока в термике вытянута в вертикальном направлении подобно сосиске, но это частное представление не пользовалось широкой глхвх а поддержкой, поскольку никому нс удавалось определить экспериментально всплывающую массу, которая могла бы сохранить подобную форму: всегда нижняя часть «догоняла» верхнюю, и, таким образом, форма восходящего потока становилась близкой к шарообразной.

Вопрос о том, может ли тсрмик превращаться в свободную струю теплого воздуха (равд. 8.10), будет рассмотрен в гл. 9. Когда были произведены лабораторные опыты с термиками, то, наконец, стало ясно, что турбулентная зона образустся только в верхней части термика, а позади него вовсе нет никакого следа. Примерно в это же время общепринятое представление о тсрмике, как об образовании, имеющем сильный восходящий поток у вершины и турбулентный след с постепенно ослабсвающим восходящим потоком снизу, было поставлено под сомнение в связи со следующим.

На чемпионатах по планерному спорту менее опытные планеристы приобрели привычку следить за полетом чемпионов и начинали круговые маневры под ними, когда те находили восходящий поток и планировали в пем. Чемпионы скоро убеждались, что утратили преимущество перед новичками по высоте, окружены ими и и не имеют возможности оторваться. Это объяснялось, по-видимому, тем, что в то время, как чемпионы входили в турбулентную зону, новички оказывались в области более сильного восходящего потока, хотя псрвоначально они находились ниже, даже вообще под термиком. Тогда было выдвинуто предположение, что термики имеют тсндснцию образовываться сериями и подниматься один за другим, так что новички, находясь ниже, попадали на вершниу следующего термика той же серии.

А так как термик, вообще говоря, связан с подъемом теплой массы воздуха, то было сделано второе предположение о том, что измерения температуры могут обнаружить вертикальные потоки, поскольку вертикальные скорости должны хорошо коррелировать с разностью температур между слоями. После этого некоторые планеристы, установив на концах крыльев чувствительные термометры, по разности температур пытались найти восходящие потоки, направляя планеры к более теплым воздушным массам. Но их ждало разочарование, ибо существенной разницы в скорости восходящих потоков онн не могли обнаружить, хотя продолжали верить, что сильный восходящий поток и повышенная температура связаны друг с другом. На самом деле в термине~ наиболее интенсивно поднимающаяся воздушная масса имеет температуру, даже намного болсс низкую, чем окружающий воздух, так как среда, в которой находятся термики, в той или иной степени устойчиво стратифицировапа (см.

разд. 9.4). Следовательно, самой низкой темпера- ЧАСТИЧНО ТУРБУЛЕНТНЫЕ ТЕЧЕНИЯ турой будут обладать те воздушные массы, которые поднялись на наибольшую высоту как перед фронтом термика, так и за счет прокачки сквозь его центр, Весь опыт, накопленный планеристами, за исключением тех, кто летал иа небольших высотах, свидетельствует о правильности той модели термика, которая была получена из лабораторных экспериментов. В связи с этим теперь весьма забавными выглядят объяснения планеристов по поводу причин прекращения подъема в термике: они-то были убеждены, что сделали все возможное, чтобы продержаться в термике как можно дольше, но...

вываливались через его «дно», тогда как на самом деле они поднялись сквозь термик и достигли его верхней турбулизованной зоны. Капитан Н. Гудхарт (1958) установил очень важный факт, что в зоне, где проявляется действие воздушных потоков, вовлекаемых в термик (и где горизонтальная скорость одинакова по величине со скоростью восходящего потока), аппараты, планирующие с углом крена 45', эффективно используют для парения как горизонтальный, так и вертикальный потоки. Соответственно верхнюю турбулентную часть термика, в которой происходит растекание воздушных масс от оси, плансрист должен рассматривать, как зону нисходящих токов, опустившись в которых, он достаточно легко вновь обнаружит осевую восходящую струю, так как под термпком воздушные массы со всех сторон втягиваются в него.

Очевидно, находясь в верхней половине термика, отыскать осевой восходящий поток значительно труднее, несмотря па то, что его скорость такая же, как и внизу. Поэтому планеристу легче обнаружить термик, если он подлетает к нему сяизу. Выполняя при этом виражи в восходящем потоке, пилот чувствует, что подъем усиливается за счет влияния втягивающихся в термик потоков. И наоборот, выполняя вираж в верхней части термика, пилот чувствует ослабление подъема из-за растекания воздушных масс, Скорость восходящего потока па оси термика, используемого планеристами, примерно в 2,2 раза выше скорости подъема самого термика.

Когда пилот почувствовал, что воздушный поток, в котором он парит, стал турбулентным, самое время поискать другой термик, так как теперь планер сможет продолжать подъем лишь со скоростью, составляющей менее половины скорости на оси. В то же время планер, парящий под тем же термиком, в состоянии использовать его с большим успехом.

Ознакомившись с картиной ноля скоростей в термикс, следует четко представить себе, что планер в верхней, турбулентной части термика может лишь кратковременно использовать осевое восходящее течение, хотя его скорость почти в два раза превосходит скорость подъема верхней кромки термика, так как ГЛАВА 8 оно быстро затухает по мере приближения к вершине. На рис. 8.3.1 указаны средние значения скорости восходящего потока с учетом его флюктуаций.

Если бы все термики укладывались в рамки данной модели, опи были бы очень небольшими, но весьма интенсивными вблизи земли и обладали бы скоростью, уменьшающейся обратно пропорционально высоте подъема. Однако различные отклонения от модели наблюдаются как вблизи земли, где зарождаются термики, так и на больших высотах, где они зачастую перекрываются, так как сильно увеличиваются в размерах. Эти вопросы обсуждаются ниже в разд.

9.3. Использование термиков птицами и насекомыми обсуждается в разд. 12.2 — 12.4 и 12.6. 8.6. Клубы газа Клуб представляет собой турбулентную массу газа, инжектированную в прежде не возмущенную среду. Вихревое кольцо— не клуб, поскольку оно не турбулентно. Предполагая, что существует единственная конфигурация клуба и что суммарный импульс остается постоянным, получим следующие соотношения между его скоростью перемещения Га, размером )Г и пройденным расстоянием г: шт/Г' = сопя! = и,тала, (8.6.1) (8.6.2) Из этого следует (8.6.3) ю ~~о 8 (8.6,4) аА = 4свойаи Г.

8 8 (8.6.5) Индекс 0 обозначает величины, отнесенные к определенному моменту времени, т)Г8 — объем, а и — константа (по крайней мере, для каждого клуба), характеризующая угол расширения. Результаты изложенных выше рассуждений представлены здесь в сжатой форме, поскольку нам уже известны следствия соответствующих предположений относительно свойств термиков. Имеются также соображения размерности, неявно скрытые ЧАСТИЧНО ТУРБУЛЕ)ГП)ЫЕ ТЕЧЕНИЯ ззз в уравнении 16.6.1), которое включает предположение о несущественности влияния вязкости. Циркуляция пропорциональна произведению шЯ, которое, следовательно, пропорционально г '. Поэтому циркуляция, а значит, и число Рсйнольдса, уменьшаются обратно пропорционально 1)".

Это в свою о1)ередь означает, что вскоре после рассматриваемого момента силы вязкости станут весьма существенными, а течение в основном ламинарным. Существуют две другие важныс особенности клубов, о которых нужно упомянуть. Ричарде (1966) измерял распределение скоростей внутри и вне клубов, полученных в лабораторных условиях в воде, и нашел, что оно такое же, как и в термиках, в пределах той точности измерений, которая возможна и имеет смысл в данной ситуации.

Даже внешне клуб очень похож на термик: па его фронте, как и у термика, существует область смен)ения. В наиболее типичных случаях значения параметров составляют т = 3 и и = 4, но изменяются в пределах от 1,7 до 6,3, что весьма похоже па случай термиков. Картина движения, следовательно, не очень существенно зависит от того, каким образом это движение реализуется, поскольку для термика эта картина выглядит так же, как и для клуба, невзирая на то, что термик меньше замедляется, так как плавучесть постоянно дает приращение импульсу.

Характеристики

Список файлов книги