Определение интенсивности (степени) турбулентности потока аэродинамической трубы двумя способами (1163118), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Его коэффициент С~ сильно зависит от числа Рейнолйдса и интенсивности турбулентности Е ( см. рис. 2 ). ~'х ве~ ее~ ! 1 Е 2- з- ~ 4- 5- Е 0,5 % 1,0 % 1,2 % 1,6 % 2,З % Рес.2. Зависимость Сх шара от чисел ~Г и При рассмоурееие зависимости козФфициеета лобового сопротивления Сд" от числа К~ для какого-.кибудь плохообтекаемого тела, капример, цвппщра или шара, мокко заметитьр что существует такое зкачекие (критическое) числа Рейкольдса Ь р"о, вблизи которого происходит резкое умееьшекке сопротивлекия.
Величека 4~р силако зависит от иетексивностк турбулеиткосте кабегапцего потока. На рес.2 приведеки кренив (Кр) Лел лара. осаеаеллого л авролллввлчвслае ворон с равллеасй Велечеиюй ~ 3 ка ресуейе езсбражееы лишь те участки кривих сопротеэлееия, где проксходкт указаккое резкое падееие сопротевлеикя. Разница между кривнми кастолько отчетлива, что по зкачекию ~~~ ~ мокко судить об иктексивеости турбулеиткости потока в трубе. Лля определекия велечикк Ь ~ условились полагать Юе= Ю р р С =юЗ„ (16) Чем меиее турбулектек поток в трубе, тем внше велечкка Й ~ достигаемая прк измереккях сопротивлеекя шара в этой трубе. Так, кривая 1 (4~р =2,7.10 ) соответствует опытам в аэродккамической трубе 5 прк Е = 0,5 %; кривая 5 (Й.~р = 1,25 ° 10 ) соответствует потоку 5 прк Е = 2,Э %.
Для объясиекия этого резкого умеиьшекея сопротеэлекия тела кеоб- ходвмо иметь в виду, что возкекеовекие турбулектности при обтекакии тел вязкой жидкостью может проявляться ке только в виде турбулизацкк пограничного слоя, но к в виде образования турбулентного следа за те- лом в результате отрыва от его поверхности макроскопкческих вихрей. Образование турбулентного следа обычко бывает связано с тормозя- шкм действием положительного продольного градиента давления в обтекадцем потоке. Рассмотрим течекке около тела с тупой кормовой частью, например, обтекакие прямого круглого цклющра потоком без циркуляции, перпендикулярным к оси цилиндра (см.
ржс.З, ка котором кзобракеко ебтекалие верхней части цилиндра). Вке погракжчиого слоя жидкость мекке с'читать идеалькой, а ее движение — безвихревки. Ликии тока этого потею циальиого движения более всего сгущаются кад верхней точкой цккккдра (точка С ), где, следовательно, касательная скорость И достигает максимума. Вследствие известкого уравкеикя Беркулли давление кад точкой С во ъиешием потоке достигает минимума, так Рис.3. Схематическая форма ликкй тока (пуиктир) и профилей скорости (сплошные линки) кад различкыми точками при обтекании прямого цилкидра. что ка участке АС оио падает, а иа участке СЕ возрастает. Такие же кзмекеикя давления вдоль поверхиости тела имеют место и ъ пограикчиом слое, т.к.
поперек пограничного слоя давление почти ие меияется. Следовательно, на участке СТ жидкость в пограничном слое должна двигаться по направлению возрастания давления, что приводит к ее торможению. Наиболее сильно зто торможение сказывается, конечно, на частицах жидкости, движущихся около самой поверхности цилиндра, т.е. обладахицих наименьшей скоростью. В некоторой точке Ф вниз по потоку от точки С зти частицы останавливаются, а за точкой '4 даже дви- гаются вспять по сравнению с более удаленными от поверхности цилиндра и позтому еще не заторможенными частицами.
Образующийся у поверхности тела за точкой ~ возвратной поток оттесняет внешнее течение от поверхности цилиндра — происходит, как говорят, от ыв пог аничного слоя от обтекаемой пове хности с образованием в жидкости поверхности раздела ~~|~ . Ясно, что если только скорость У внешнего потока достаточно быстро убывает за точкой С , то такой отрыв пограничного слоя обязательно будет иметь место. Если даже пограничнзй слой до отрыва был ламинарным, то после от- рива он ведет себя как свободная струя в затопленном пространстве и быстро становится турбулентным (при заметно меньших Й , чем не отрывавшийся пограничный слой,т.к.
наличие стенки действует на течение стабилизирующим образом). Поверхность раздела ~>~ ,являющаяся поверхностью тангенцизльного разрыва скоростей, весьма неустойчива и быстро свертывается в один или несколько дискретных свободных вихрей. В области ЕЖЕ за поверхностью раздела около цилиндра образуется крупный дискретный свободный вихрь, второй такой же вихрь с противоположной по знаку циркуляцией образуется в нижней части цилиндра.
Такие вихри попеременно отрываются от поверхности цилиндра, формируются, уносятся вниз по течению и постепенно рассеиваются; на вх месте образуются новые вихри. Такой же характер обтекания справедлив для всех тел с затупленной кормовой частью, в частности, все рассуждения, проведенные здесь для кругового цилиндра, сохранятся и для меридианного сечения жара. Однако, картина вихреобразования в кормовой части за шаром будет более сложной. То же получается и у пластинки конечной толщины, расположенной по потоку, и у других тел с тупой задней кром- В результате за телом образуется турбулентный след, в котором движение является завихренным.
Картина течения становится совершенно иной; полностью изменяется и распределение скоростей по сравнению с тем распределением, которое имеет место при идеальном обтекании, в завихренной зоне позади кормовой части тела давление сильно понижено по сравнению с давлением в невозмущенном течении (см. рис.4 на кото- ром приведено распределение давления по шару при различных режимах обтекания) . Рис. 4.
Распределение давления по шару при различных режимах обтекания. 1 - идеальное обтекание 2 - ламинарнвй отрыв Ю=~~.ю~; С =а У8 3 - турбулентный отрыв Й =16 ~с ' С =б/2 Наличие значительной диссипации энергии во всем объеме турбулент- ного следа, а также образование поверхности раздела при отрыве пограничного слоя и понижение давления в кормовой части приводят к тому, -12- что тела, при обтекании которых возникает отрыв пограничного слоя, оказывают большон сопротивление (формы) набегающему потоку. При этом / сопротивление ~~ , вообще говоря, б ет тем меньше, чем уже турбулентный след, т.е.
чем ше на пове хности тела асположена точка оттонэа. Возможность отрыва пограничного слоя всегда существует в областях возрастания давления и при том тем большая, чем резче происходит возрастание давления. Следовательно, возможность отрыва особенно велика при обтекании тел с тупой кормовой частью.
С этой точки зрения понят- но, почему для тонкого тела, почти вся поверхность которого очерчена одной поверхностью тока, наблюдаемое в действительности распределение давления почти совпадает с распределением давления, вычисленным по теории идеального (без трения) обтекания.
При обтекании такого тела возрастание давления по мере приближения к кормовой части происходит столь постепенно, что пограничный слой не отрывается от тела. Вслед- ствие этого сопротивление давления такого тела небольшое, и полное сопротивление состоит в основном из сопротивления трения и поэтому остается малым. В точке отрыва градиент скорости в направлении, перпендикулярном к стенке, равен нулю (см. рис. 3), т.е. Зи. / (18) Я /~=о Таким образом, напряжение трения Т в точке отрыва отсутствует (упомянутый выше закон Ньютона для определения ~., очевидно, справедлив только на обтекаемой без срыва части поверхности тела).
Поло- жение точки отрыва на поверхности обтекаемого тела теоретически может быть определено только посредством точного расчета, а именно путем интегрирования уравнений пограничного слоя. Для плохообтекаемых тел при достаточно больших числах Рейнольдса, при которых, однако, пограничный слой до точки отрыва остается лами- — 1З- парным, коэффициент сопротивления С~ большой (для шара, например, (',' ° =р Я ) и слабо зависит от 4., т.к. положение точки отрыва определяется соотношением Ъ~ / , = О и, вообще говоря, ,~=о от числа Ю не зависит. Однако, при достижении чисел Рейнольдса, при которых пограничный слой турбулизируется до точки отрыва ламинар- ного пограничного слоя, точка отрыва пограничного слоя перемещается вниз по течению, при этом турбулентньй след заметно сужается,и сопротивление тела резко (в несколько раз) уменьшается.
Это явление, назы- ваемое к узусом со отивления объясняется тем, что перенос импульса внутри пограничного слоя при его турбулизации резко возрастает; на границе турбулентного пограничного слоя происходит энергичное переме- шивание между частицами этого слоя и внешнего потока. Следовательно, увлечение жидкости в пределах пограничного слоя внешним потоком суцественно усиливается, и жидкие частицы в пограничном слое продвигаются в направлении роста давления дальше, чем в случае ламинарного пограничного слоя. При таком смещении точки отрыва картина распределения давления по поверхности тела становится более благоприятной (см.
рис.4 для шара) и приближается к картине обтекания идеальной жидкостью. При этом, несмотря даже на то, что сопротивление трения А~. о поверхность тела в турбулентном пограничном слое будет повышенным, происходит кризис полного сопротивления Ск Кризис сопротивления при обтекании шара впервые наблюдался Эйфелем (1912 г.). Переход от больших сопротивлений к малым происходит в этом случае при значениях числа В., бдизклх 3.10 - 5 10; ко- 5 5 эффициент сопротивления Сх при этом падает, примерно, от 0,5 при = 10 до 0,1 при Ю = 10 . Аналогично ведет себя коэффициент 5 б Сх и для круглого цилиндра.
Из сказанного выше ясно, что кризис сопротивления наступает тем сог раньше, чем выше интенсивность турбулентности с ~, (возмуценности) набегающего потока, т.е. чем меньше критическое число Рейнольдса для перехода к турбулентному режиму в пограничном слое. Это наглядно подтверждается известным опытом Працдтля (1914 г.), который добивался перехода через кризис сопротивления при обтекании шара, нздевая на шар проволочное кольцо (рис. 5), т.е.
создавая в потоке дополнительные возмущения, турбулизируацие пограничный слой. Рис. 5. Шар с проволочным кольцом. Шар очень чувствителен к интенсивности турбулентности ~% набегающего потока (см. рис.2), поэтому им пользуются как измерителем интенсивности турбулентности в аэродинамических трубах. Представленные на рис.2 графические результаты для шара можно перестроить в вжпе ~ Й ,~р ) , где 6 — есть число Рейнольдса, при котором Сд- = 0,3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
