Лекция №4 Особенности обтекания тел реальной (вязкой) средой При движении удобообтекаемых тел в несжимаемой среде трение в пограничном слое является основной причиной образования силы лобового сопротивления. Величина силы трения определяется структурой пограничного слоя и теми физическими процессами, которые в ней происходят. Пограничный слой План: 1 Общие сведения о пограничном слое 2 Виды пограничных слоев 3 Отрыв пограничного слоя 4 Способы управления пограничным слоем 1 Общие сведения о пограничном слое Пограничным слоем называется, тонкий слой заторможенного газа, образующийся на поверхности тел, обтекаемых потоком газа. - толщина пограничного слоя, увеличения к задней кромке. Причина образования пограничного слоя – вязкость газа; трение в пограничном слое – основная причина образования силы лобового сопротивления Х. Поток вокруг тела имеет три области: 1) пограничный слой; 2) струя; Рисунок 1 – Схема пограничного слоя на плоской пластинке вихревой след или спутная 3) внешний невязкий поток. Характер течения в пограничном слое зависит от безразмерного числа Рейнольдса Rе = V â , где в – хорда крыла. Чем больше увеличивается Rе, тем меньше толщина пограничного слоя. Пограничный слой может меняться в зависимости от: 1) угла атаки α; 2) кривизны и шероховатости поверхности; 3) скорости потока и размеров тела. Рисунок 2 – Три характерные области потока 2 Виды пограничных слоев Структура потока в пограничном слое: Рисунок 3 – Упрощенное представление о мгновенном переходе ламинарного пограничного слоя в турбулентное состояние Рисунок 4 – Образование вихрей в пограничном слое жидкости или газа: 1 – эпюра скоростей в сечении пограничного слоя Рисунок 5 – Схематическое изображение пограничных слоев: а) ламинарного; б) турбулентного а) Ламинарный пограничный слой – при небольшой V и небольшом Rе газ в пограничном слое течет спокойно в виде отдельных слоев. В нем слои не перемешиваются, частицы вращаются в пределах одного тонкого слоя. б) Турбулентный пограничный слой – при большой V и Rе в пограничном слое происходит энергичное перемешивание частиц в поперечном направлении слоев и весь пограничный слой беспорядочно завихрен. Основные теоретические сведения число Рейнольдса Rex = V*×/ , где х - длина - характеристики (толщина пограничного слоя (ПС), толщина вытеснения, толщина потери импульса, коэффициент трения плоской пластины) ламинарного ПС: ламинарный поток 1 - характеристики турбулентного ПС: турбулентный поток коэффициент трения для ламинарного потока коэффициент трения для турбулентного потока при коэффициент трения для турбулентного потока при коэффициент трения смешанного пограничного слоя на пластине , где - коэффициент сопротивления турбулентного трения пластины при числе Рейнольдса, вычисленном по длине пластины; - коэффициент сопротивления турбулентного трения пластины при числе Рейнольдса, вычисленном по длине ламинарного пограничного слоя пластины; - коэффициент сопротивления ламинарного трения пластины при числе Рейнольдса, вычисленном по длине ламинарного пограничного слоя пластины; - безразмерная координата точки перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный (безразмерная длина участка ламинарного пограничного слоя). 1 Отрыв пограничного слоя При обтекании пластины, расположенной вдоль потока, давление во всех точках поверхности постоянное. При обтекании криволинейной поверхности давление в точках поверхности разное. Дано распределение скоростей в пограничном слое (профиль скоростей). От точки О к точке А, V на границе пограничного слоя 2 увеличивается, а р уменьшается. В точке А Рmin; от точки А к точке В давление р увеличивается, а V уменьшается. На поверхности тела V очень мала, поэтому из-за разницы давлений в точке А и В может возникнуть течение газа в обратном направлении. При этом в пограничном слое внешний поток оттесняется от поверхности крыла и в точке В отрывается от поверхности Рисунок 6 – Схема отрыва пограничного слоя (здесь S – точка отрыва) V 2 р const поэтому V , р . 2 В – точка отрыва пограничного слоя. Отрыв пограничного слоя приводит: 1) к образованию вихрей за телом; 2) к падению подъемной силы; 3) к тряске и потере управляемости. При турбулентном течении происходит интенсивное перемешивание пограничного слоя и к нижним заторможенным струйкам подводится дополнительно кинетическая энергия. Это препятствует появлению обратных течений и образованию вихрей. Поэтому турбулентный пограничный слой более устойчив к срыву, чем ламинарный. Для уменьшения опасности срыва потока применяют искусственные турбулизаторы. 2 Способы управления пограничным слоем Рисунок .7 – Отсасывание пограничного слоя Рисунок 8 – Сдувание пограничного Для улучшения аэродинамических характеристик самолета и его частей можно управлять пограничным слоем двумя способами: 1) Затягивание отрыва пограничного слоя (перемещение точки отрыва В к хвосту ) а) отсасывание пограничного слоя – из области повышенного давления за точкой В через щели непрерывно отсасывается некоторое количество газа. Тогда оторвавшийся пограничный слой снова прилипает к поверхности, обтекание станет плавнее, отрыв 3 слоя произойдет дальше от носка. б) сдув пограничного слоя – дополнительная кинетическая энергия частиц увеличивает скорость в пограничном слое, что устраняет торможение частиц под действием возрастающего по потоку давления, точка В смещается к хвосту. Рисунок 9 – К отсасыванию пограничного слоя с поверхности крыла: а - ламинаризированное крыло с отсасыванием пограничного слоя. 1 – отсасывающие щели; 2 – отсасывающий насос (в фюзеляже); 3 – несиловая обшивка; 4 – силовая обшивка б – экспериментальный самолет Дуглас WВ-66D c ламинаризированным крылом 2) Затягивание перехода ламинарного пограничного турбулентный (перемещение точки Т к хвосту). слоя в Рисунок 1.2.10 – Влияние формы профиля крыла на структуру пограничного слоя: а – пограничный слой двояковыпуклого профиля; б – пограничный слой ламинаризированного профиля Осуществляется применением ламинаризированных профилей – это профили, у которых точка А с Рmin смещается к хвосту. 4 5
