Л.Г. Лойцянский - Механика жидкости и газа (2003) (1123865), страница 141
Текст из файла (страница 141)
шара от рейнольдсова числа, то можно заметить резкое уменьшение с„в области Ре порядка (1 — 3) 10'. Такое явление получило наименование кризиса йг йг„, сопротивления. Соответствующее йу йа 47 йг йг д4 да де 47 ему критическое число Рейнольд. — — са Ре„„ определенное как значе. 'Б л' нне Ре при с.=0,3, оказалось Рис. 224 сильно зависящим от тех пара. метров, которые влияют на пере. ход ламинарного пограничного слоя в турбулентный, в частности от интенсивности турбулентности. Чем менее турбулентен поток в трубе, тем выше величина Рев, до. стигаемая при измерениях сопротивления шара в этой трубе.
Так, кри. вая ч'(Рече - 270 000) соответствует опытам в аэродинамической трубе с интенсивностью турбулентности 0,5%, кривая ! (Ре„, - 125 000) — потоку с интенсивностью турбулентности 2,5о7в; остальные кривые соответствуют трубам с промежуточными значениями степени турбулентности.
Чтобы понять причину отмеченного явления резкого уменьшения сопротивления шара, обратимся к рассмотрению кривых распределения давлений по его поверхности (рис. 225). Из этих кривых следует, что уменьшение сопротивления шара связано с коренной перестройкой всего окружающего потока. Наблюдаемое вблизи Ре=Реча резкое возрастание максимального разрежения, смещение ~вниз по потоку линий минимума давления М и линий отрыва пограничного слоя 5 говорит об улучшении обтекания шара.
Это объясняет уменьшение коэффициента сопротивления, так как при лучшем охвате поверхности шара потоком распределение давлений как бы приближается к тому идеальному (иа рис. 225 показанному штрихами), при котором, согласно парадоксу Даламбера, сопротивление должно равняться нулю. Следует заметить, что визуальные наблюдения (рис. 226) подтверждают описанную картину улучшения обтекания шара в указанной об.
ласти рейнольдсовых чисел. Явление это, получившее еще наименование ') См. составленный А. Н. Секундовым $1, п. 4 в обзоре: Ги невский А. С,, И о селе в и ч В. А., К еле с ни хов А. В., Л вини Ю. В., Пилипенко В, Н., Се к у н дон А. Н. Методы расчета турбулентного пограничного слоя.— Итоги наукй н техники, Механика жидкости и газа, !978, т. 11, с. 166 — 170. ') К!!пе 8.
Л., Кеупо!6в %. С., $сьгаоЬ Н А., Кипа!ай!ег Р. % тье в1гнс1пге о! 1нгЬо!еп1 Ьоспг)агу 1ауегв.— Зонги. Нны МесЬ., 1967, ч. ЗО, р. 74! — 778. з) Р а1е! 17. С., Не ай М. К. Кечегв!оп о1 1огЬн!еп1 1о !апт!птаг Ном.— Зонги. Ншй МесЬ., 1968, ч. 34, р. 371. $119. ПЕРЕХОДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ воз кризиса обтекания, объясняется изменением расположения на шаре гпяни перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный. При йе, меньших 1,5 1О', на поверхности шара происходит отрыв ламинар- ного пограничного слоя, переходящего в турбулентный вне шара в ото- рвавшемся слое.
При возрастании рейнольдсова числа точка перехода Т, располо- кенная в следе за шаром, перемещается навстречу потоку вначале к поверхности шара. Как толь- но точка Т достигнет точки пс 5 ламинарного отрыва слоя, ееяжение в оторвавшемся //г/«"-' / я - "„у-ипю;4,-4г// слое вблизи точки отрыва 4е //Яь -гзие; с -4ги паяет турбулентным, пере/в яе -гпеятт с -4/в/ кешивание с подтекающей 44— //Я« -платт; се-4мг вдоль поверхности шара из ютрывной области жид- л костью усилится, погранич- вх ный слой увлечет ее за со- 1 1 бьй, обтекание улучшится, и -4г точка отрыва (рис. 225) нач- ,т / нет смещаться вниз по пото- -4« пу.
Теперь уже точка отрыва Ю 5 будет соответствовать ог- -44 т я т рыеу турбулентного слоя, так как точка перехода бупет находиться выше по по- -/е / л току, чем точка отрыва тур- //,/ булентного пограничного /г Ю слоя. В дальнейшем будет доказано, что точка отрыва турбулентного пограничного слоя при том же распредеаении скоростей во внешнем патоке всегда расположена ниже по потоку, чем точка отрыва ламииар- ного слоя. В точке перехода Т происходит местный, не получающий даль- нейшего развития отрыв ламинарного слоя, сопровождающийся обрат- ннм прилипанием уже турбулентного пограничного слоя к поверхности шара.
Такой турбулентный Пузырь (английский термин ЬПЫ!е) отрыва -/е 0' дт' 44 ве' ве /ат' /лт' /ев' /ат /47 Рис. 226 в развитом своем виде уже давно наблюдался на лобовых участках крыаовых профилей. Появление его и исчезновение приводило к «загадочпнм» изменениям подъемной силы и сопротивлений крыльев на больших углах атаки, к «гистерезису» коэффициента подъемной силы при началь- 604 Гл. хне туРБулентные дВижения ньсжимдемои Вязкоп жидкости ном возрастании и последующем убывании угла атаки и др.
Одно нз первых описаний этого явления можно найти в сборнике статей, вышедшем под редакцией С. Голдстейна '). Сущность явления возникновения пузыря заключается в том, что при сравнительно больших значениях рейнольдсова числа потока ото. рвавшийся ламинарный слой крайне неустойчив и сразу же переходит в турбулентное состояние.
При этом оторвавшаяся от поверхности тела пристеночная граница слоя благодаря возникновению интенсивного ее обмена жидкими массами с отрывной зоной, где движение жидкоств носит попятный характер, размывается и подсасывается, прилипает к поверхности тела, образуя замкнутую отрывную зону, как раз и являющуюся пузырем отрыва. Такой пузырь, аналогично развитому отрыву, но значительно слабее, чем последний, искажает внешний поток, приводит к так называемому сильному взаимодействию между пограничным слоем и внешним безвихревым потоком.
Аналогичные замкнутые отрывные зоны наблюдались в окрестности передней кромки крыловых профилей при сравнительно больших углах атаки') и на поверхности эллиптического цилиндра'). Следует отметить, что образование пузыря наблюдалось только в трубах малой турбулентности.
Увеличение турбулентности набегающего потока приводит к исчезновению пузыря отрыва. Можно думать, что описанное явление всегда сопровождает кризис сопротивления, если влияние внешних возмущений мало. Кризис сопротивления может осуществляться при рейнольдсовнх числах, значительно меньших критических, если искусственно турбулнзировать пограничный слой путем введения в него специальных изолированных шероховатостей — турбулизаторов. Так, например, в своих классических опытах Прандтль получал улучшение обтекания шара и уменьшение его сопротивления, помещая на поверхности шара тонкое проволочное кольцо (рис. 226). В опытовых судостроительных бассейнах применяли такого рода турбулизаторы, чтобы их эффектом заменить недоступное для бассейна увеличение рейнольдсова числа и тем самым приблизить лабораторные условия к натурным.
Не всегда, конечно, увеличение степени турбулентности потока приводит к тому же изменению сопротивления или подъемной силы, что и увеличение рейнольдсова числа'). Это особенно относится к крыловым профилям, вблизи лобовой точки которых развиваются явления кризиса, подобные тем, которые имеют место на поверхности круглого цилиндра. В частности, явлением кризиса обтекания объясняется наблюдае. мый факт резкого различия между максимальными значениями с коэффициента подъемной силы крыла, полученными при лабораторных исследованиях в аэродинамических трубах (сравнительно малые рейнольдсовы числа) и на самолете (большие рейнольдсовы числа).
Известно, что коэффициент подъемной силы с„ растет с углом атаки сг до некоторого критического значения а„„ при котором достигает своего максимального значения. Отход с„ от линейной зависимости от я объясняется утолщением пограничного слоя в кормовой (диффузорной) части слоя и тем самым усилением обратного влияния пограничного слоя иа внешний безвихревой поток. Это влияние приводит к значительному ') Современное состояние гидродинамини вязкой жидкости/Под ред, С, Голдстейна, т.
11, $209.— Мл ИЛ,!948. ') Сз а п!1 1). Е. Воппдагу-!ауег апг) а!ашик сьагас1ег!зпсз о1 1Ье МАСА 63-009 а!г1оц зесноп.— НАСА ТесЬп. ЫО1е, 1949, № !894. з) 8 сЬп Ь а пег б. В. А!г Нотч 1п Ьоппйагу !ауег о1 ап е1нрнс су!!пйег.— )ЧАСА мер., 1939, ч. 652. з) Лойпянский Л. Г. Азродинамика пограничного слоя.— Мз Гостекиздат, 1941, с. 257 — 260. 9 СС9.
ПЕРЕХОДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ искажению внешнего потока и, как следствие, к нарушению теоретически предсказываемой в значительно более широком интервале углов атаки линейности зависимости с„1сх). Утолщение ламинарного пограничного слоя на лбу крылоного профиля приводит к раннему отрыву в области передней кромки, где слой ннминарен и легко под действием обратного перепада давления отрывается. В этом случае, если наблюдение производится в малотурбулентных трубах или в натурных условиях полета в малотурбулентной атмосфере, вероятно образование пузыря отрыва, т. е.
замкнутой отрывной области, которая, расширяясь с возрастанием угла атаки, превратится 9 полный разомкнутый срыв потока с поверхности крыла, приводящий н резкому нарушению циркуляции и уменьшению коэффициента подьемвой силы. С возрастанием числа Ре при фиксированном угле атаки, в полном соответствии с только что описанным явлением кризиса, обтекание крыла улучшается и появляется возможность перейти на большие углы атаки н получить более высокие значения с„, а следовательно, и с „. При этОИ УВЕЛИЧИВаЕтСЯ КаК СаМО С ао таК И КРИтИЧЕСКИй УГОЛ СГ„Р. ПРОДОЛ- кня увеличивать рейнольдсово число, можно добиться высоких значеннйс „.
Все сказанное относится, конечно, только к таким крыловым профилям, на лобовой части которых при больших углах атаки создаются условия для появления кризиса обтекания, т. е. к профилям, форма носка которых обеспечивает наличие ламинарного слоя на верхней поверхности профиля и отрыв пограничного слоя при ламинарном режиме движения в нем. Таковы, например, симметричные и малоизогнутые профили со сравнительно значительным удалением от носка максимальной толщины («ламинаризованные» профили). Существующие так называемые несущие профили, имеющие обычно эннчительную кривизну, не обладают этим свойством. С поверхности такого рода крыловых профилей при больших углах атаки срывается турбулентный слой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
