А.Н. Иванов - Гидродинамика развитых кавитационных течений (1163198), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Образование кольцевых кавнтационных зон многократно регистрировалось многими исследователями (рис. 9) ]38]. Дальнейший рост каверны происходит так же, как на крыле. Сначала по мере понижения статического давления в набегающем потоке поперечное сечение кольца растет, затем сплющивается, а граница его становится прозрачной, далее передняя часть границы присоединяется к поверхности тела.
Последующее удлинение кольцевой каверны происходит в основном за счет продвижения ее хвоста вниз по потоку, тогда как передняя часть границы очень медленно движется вверх по потоку. На рис. 10 показана каверна в развитой стадии после присо- Рис. 9.
Кольцевая каверна Рис. 1О. Кольцевая квверив в рвави- той стадии единения передней части ее границы к телу. Темп увеличения толщины каверны значительно ниже, чем рост длины. По мере роста каверны так же, как на крыле, появляется обратная струйка в ее хвостовой части. Толщина струйки растет с ростом каверны. При этом, если интенсивность обратной струйки невелика, границы каверны сравнительно стационарны. При мощной обратной струйке картина в кавнтационной зоне приобретает существенно нестационарный характер. Этот случай подробно изучен Р.
Кнэппом [38] на примере плоского кавитационного обтекания тела, контур продольного сечения которого представляет собою две параллельные прямые, замкнутые в носовой части полукругом. Согласно Р. Кнэппу, поведение каверны имеет циклический характер, а каждый цикл ее существования состоит из трех фаз. В первой фазе происходит рост каверны.
При этом передняя линия присоединения каверны к телу находится в носовой части тела вблизи минимума давления, соответствующего бескавитационному обтеканию, и с течением времени практически не изменяет своего положения. Каверна же в целом растет в длину за счет перемещения хвостовой части вниз по потоку.
19 Через какое-то время она достигает некоторой максимальной длины и толщины, и начинается следующая фаза. На рис. 11, а схематически изображено состояние каверны в некоторый момент, характерный для первой фазы. В начале второй фазы внутренность каверны начинает заполняться через обратную струйку жидкостью. При этом длина каверны с течением времени изменяется мало, а передний фронт обратной струйки продвигается к головной части каверны.
К концу второй фазы значительная часть объема каверны заполняется жидкостью, обратная струйка касается передним фронтом границы каверны, образуя замкнутый кавитационный пузырь (рис. 11, б). В третьей фазе указанный пузырь сносится вниз по течению. Одновременно в головной части тела растет новая каверна, Рис. 11, Схема иавериы: а — в первой фазе; б — во второй фазе; и — в третьей фазе и начинается первая фаза следующего цикла. Циклы могут повторяться ' через приблизительно равные промежутки времени, а картина течения будет периодической.
Однако вследствие возмущений во внешнем потоке правильная периодичность может нарушаться. При этом передний фронт обратной струйки может не доходить до головной части каверны, касаясь ее границы ближе к хвостовой части. Образующийся вследствие этого кавитационный пузырь будет меньшего размера, и время его образования соответственно уменьшится (рис. 11, в). Как видно из приведенной выше картины возникновения и развития кавитации, на первом этапе образования каверны оказывается очень существенным влияние вязкости жидкости, обусловливающей образование зон отрыва пограничного слоя.
локализованных в небольшой области. При дальнейшем развитии кавитации начинают преобладать инерционные силы, а влияние сил вязкости постепенно уменьшается. В тех случаях, когда радиусы кривизны границ каверн невелики, могут оказать существенное влияние также силы поверхностного натяжения. 5 б. Некоторые особенности кавитационного обтекания профилей крыльев В отличие от процессов развития кавитации на ненесущих телах при развитии кавитации на крыльевых профилях может иметь существенное значение обратное влияние каверны на подъемную силу крыла. Это влияние становится особенно ощутимым на тех стадиях развития кавитации, на которых длина каверны соизмерима с хордой крыла.
До тех пор пока хвостовая часть каверны не достигнет приблизительно середины хорды, развитие каверны происходит плавно. При постепенном понижении статического давления в набегающем потоке или увеличении его скорости каверна также постепенно удлиняется и утолщается. После достижения каверной некоторой критической длины наблюдаются очень сильные ее колебания. Хвостовая часть каверны при неизменных параметрах набегающего потока перемещается вдоль профиля крыла от середины хорды до задней кромки и обратно, совершая колебания со сравнительно стабильным периодом. При этом даже в условиях очень большой стабильности давления и скорости потока практически невозможно получить каверну стабильной длины.
Колебания хвоста каверны сопровождаются значительными колебаниями подъемной силы. Когда длина каверны станет большей приблизительно 1,2 хорды крыла, дальнейший ее рост вновь будет плавным, а колебания хвоста уменьшатся. Для профилей с острой передней кромкой сегментного типа при углах атаки, близких к углам безударного обтекания, можно наблюдать одновременное развитие кавитации на выпуклой и плоской сторонах крыла. При указанных углах атаки минимум давления находится на выпуклой стороне в точках, расположенных в районе середины профиля, поэтому кавитация возникает первоначально именно в этих точках. У тонких профилей кривая распределения давления на выпуклой стороне достаточно плавная, поэтому не происходит отрыва пограничного слоя, и кавитация развивается таким образом, как это было описано в $ 4. Как только хвостовая часть кавитационной области выйдет за заднюю кромку, немедленно возникнет кавитация вблизи передней кромки крыла на его плоской стороне.
На рис. 12 схематически изображены кавитационные области и линии тока вблизи сегментного профиля. Возникновение кавитацин на плоской стороне крыла объясняется сильным влиянием каверны, расположенной на выпуклой его стороне, на подъемную силу крыла. Когда хвостовая часть кавитациониой области выходит за пределы задней кромки профиля, начинается заметное уменьшение величины подъемной силы и циркуляции. Вследствие этого передняя критическая точка, до этого 21 совпадавшая с носиком профиля, перемещается на выпуклую сторону крыла (см. рис.
12), на плоской его стороне образуется пик пониженных давлений, в котором и возникает кавитация, Картина дальнейшего развития кавитации в этом случае иден- Рмс. 12. Схема квввтации вблизи сегмеимюго профиля тична рассмотренной выше для случая отрыва пограничного слоя в локализованной зоне. При углублении кавитации хвостовая часть каверны на плоской стороне крыла выйдет за пределы его задней кромки; каверны, расположенные на обеих сторонах крыла, сольются в одну, и обтекание профиля будет эквивалентно обтеканию дужки (рис.
13). р 1 Рис. 13. Схема кавитацви, соответствую- щей обтеканию лужки Рис. 14. Распрелелеияе давления иа выпуклой стороие сегмеитиого профиля Рис. 15. Схема кавятациовиых зои иа профиле Если профиль достаточно толстый, то возможно появление двух кавитационных зон на выпуклой стороне крыла. На рис. 14 изображена кривая распределения давления по выпуклой стороне толстого профиля при положительном угле атаки, а на рис. !5 — схема кавитационных зон. Кривая, приведенная на рис.
14, характеризуется пиком пониженных давлений вблизи передней кромки и минимумом вблизи середины хорды. Между ними заключен «барьер» повышенного давления, который и разделяет две зоны кавитации, изображенные на рис. 15. $7. Кавитационное обтекание тел с сильно развитой зоной отрыва пограничного слов При обтекании диска или пластины потоком, направленным перпендикулярно их плоскостям, обтекании крыла при закритических углах атаки, шара и других аналогичных тел вследствие отрыва пограничного слоя образуются обширные зоны„ заполненные вихревыми образованиями. Наиболее благоприятные условия для возникновения первых вспышек кавитации в этом случае создаются именно в вихревых зонах, так как ядра кавитации, попавшие в центры вихрей, могут там удерживаться достаточно длительное время в условиях пониженного давления.
Развившиеся каверны в виде пузырьков вместе Рис. 16. Вихревые кольна Рис. 17. Смешанная форма кавитацин с вихрями сносятся вниз по потоку. На рис. 16 представлены вихри в виде колец неправильной формы, которые хорошо видны благодаря наличию в них кавитационных пузырьков. По мере углубления кавитации объем пузырьков в пространстве, заполненном вихрями, постепенно увеличивается, а кавитационная зона визуально и на снимке, сделанном с большой экспозицией, представляется в виде молочно-белой области с правильными очертаниями головной части (рис.
17). Начиная с некоторого режима, определяемого скоростью и статическим давлением в невозмущенном набегающем потоке, отдельные пузырьки в кавитационной зоне становятся неразличимыми, поэтому кавитационное течение может быть отнесено к смешанной форме. Возникновение смешанной формы кавитации зависит, по-видимому, также от количества и величины ядер кавитации в набегающем потоке.
Переход кавитации смешанной формы к развитой характеризуется тем, что в головной части кавитационной зоны появляется узкая полоска границы каверны в виде прозрачной ленточки, примыкающей к поверхности тела. Течение на этой части границы каверны стабилизируется. Параметры набегающего потока (скорость и статическое давление), при которых возникает развитая форма кавитации, от содержания в потоке ядер кавитации практически не зависят. В б.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
