Разделение потока

Отрыв пограничного слоя от поверхности в след

Воздушный поток отрывается от крыла при большом угле атаки

В гидродинамике отрыв потока или отрыв пограничного слоя — это отрыв пограничного слоя от поверхности в след . ^[1]

Пограничный слой существует всякий раз, когда существует относительное движение между жидкостью и твердой поверхностью, при этом в слое жидкости, близком к поверхности, присутствуют силы вязкости . Течение может быть внешним, вокруг тела или внутренним, в закрытом проходе. Пограничные слои могут быть как ламинарными , так и турбулентными . Разумную оценку того, будет ли пограничный слой ламинарным или турбулентным, можно сделать путем расчета числа Рейнольдса для условий локального течения.

Разделение происходит в потоке, который замедляется, с ростом давления, например, после прохождения наиболее толстой части обтекаемого тела или прохождения расширяющегося канала.

Течение против возрастающего давления известно как течение в неблагоприятном градиенте давления . Пограничный слой отделяется, когда он прошел достаточно далеко при неблагоприятном градиенте давления , что скорость пограничного слоя относительно поверхности остановилась и изменила направление. ^{[2] [3]} Поток отрывается от поверхности и вместо этого принимает форму вихрей и вихрей . Жидкость оказывает постоянное давление на поверхность после отделения, а не постоянно увеличивающееся давление, если она все еще прикреплена. ^[4] В аэродинамике разделение потока приводит к уменьшению подъемной силы и увеличению сопротивления давления , вызванному перепадом давления между передней и задней поверхностями объекта. Это вызывает тряску конструкций самолета и поверхностей управления. Разделение внутренних каналов приводит к остановке и вибрации лопаток оборудования, а также к увеличению потерь (снижению эффективности) на входах и компрессорах. Много усилий и исследований было потрачено на разработку аэродинамических и гидродинамических контуров поверхности и добавление функций, которые задерживают отрыв потока и удерживают поток как можно дольше. Примеры включают мех на теннисном мяче, ямочки на мяче для гольфа, турбулизаторы на планере, которые вызывают ранний переход к турбулентному потоку; вихревые генераторы на самолетах.

Неблагоприятный градиент давления

Графическое представление профиля скорости в пограничном слое. Последний профиль представляет собой обратный поток, который показывает разделенный поток.

Обращение потока вызвано, прежде всего, неблагоприятным градиентом давления , налагаемым на пограничный слой внешним потенциальным потоком . Уравнение продольного импульса внутри пограничного слоя приближенно записывается как

${\displaystyle u{\partial u \over \partial s}=-{1 \over \rho }{dp \over ds}+{\nu }{\partial ^{2}u \over \partial y^{2}}}$

где – продольные и нормальные координаты. Неблагоприятный градиент давления - это когда , что, как можно видеть, приводит к уменьшению скорости и, возможно, к нулю, если неблагоприятный градиент давления достаточно силен. ^[5] ${\displaystyle s,y}$ ${\displaystyle dp/ds>0}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle s}$

Влияющие параметры

Склонность пограничного слоя к отделению в первую очередь зависит от распределения неблагоприятного или отрицательного краевого градиента скорости вдоль поверхности, который, в свою очередь, напрямую связан с давлением и его градиентом дифференциальной формой соотношения Бернулли , которое одно и то же как уравнение количества движения внешнего невязкого течения. ${\displaystyle du_{o}/ds(s)<0}$

${\displaystyle \rho u_{o}{du_{o} \over ds}=-{dp \over ds}}$

Но общие величины, необходимые для отрыва, гораздо больше для турбулентного , чем для ламинарного течения, причем первый способен выдерживать почти на порядок более сильное торможение потока. Вторичное влияние оказывает число Рейнольдса . При данном неблагоприятном распределении сопротивление отрыву турбулентного пограничного слоя незначительно увеличивается с увеличением числа Рейнольдса. Напротив, сопротивление отрыву ламинарного пограничного слоя не зависит от числа Рейнольдса — факт, несколько противоречащий здравому смыслу. ${\displaystyle du_{o}/ds}$ ${\displaystyle du_{o}/ds}$

Внутреннее разделение

Схема отделения внутреннего пограничного слоя

Отрыв пограничного слоя может произойти при внутренних течениях. Это может быть результатом таких причин, как быстро расширяющийся канал трубы. Разделение происходит из-за неблагоприятного градиента давления, возникающего при расширении потока, что приводит к образованию расширенной области отрывного потока. Часть потока, разделяющая рециркуляционный поток и поток через центральную область канала, называется разделительной линией тока. ^[6] Точка, в которой разделяющая линия тока снова присоединяется к стене, называется точкой повторного присоединения. По мере продвижения потока вниз по течению он в конечном итоге достигает состояния равновесия и не имеет обратного течения.

Эффекты отрыва пограничного слоя

При отрыве пограничного слоя его остатки образуют сдвиговый слой ^[7] , а наличие отрывной области течения между сдвиговым слоем и поверхностью изменяет внешний потенциальный поток и поле давления. В случае аэродинамических профилей изменение поля давления приводит к увеличению сопротивления давления , а если оно достаточно сильное, это также приводит к срыву и потере подъемной силы, что нежелательно. Для внутренних потоков разделение потока приводит к увеличению потерь потока, а явления типа срыва, такие как помпаж компрессора , являются нежелательными явлениями. ^[8]

Другим эффектом разделения пограничного слоя являются регулярные сбрасывающие вихри, известные как вихревая улица Кармана . Вихри исходят от обрывистой выходной поверхности сооружения с частотой, зависящей от скорости потока. Возникновение вихрей создает переменную силу, которая может привести к вибрациям конструкции. Если частота осыпания совпадает с резонансной частотой конструкции, это может привести к разрушению конструкции. Эти вибрации могут возникать и отражаться на разных частотах в зависимости от их происхождения в соседних твердых или жидких телах и могут либо гасить, либо усиливать резонанс.

Смотрите также

• Теория трех колод
• Аэродинамика
• Парадокс Даламбера
• Эффект Магнуса

Сноски

1. Уайт (2010), «Механика жидкости», раздел 7.1 (7-е издание)
2. Андерсон, Джон Д. (2004), Введение в полет , раздел 4.20 (5-е издание)
3. LJ Clancy (1975) Аэродинамика , раздел 4.14
4. Основы аэродинамики, 5-е издание, Джон Д. Андерсон-младший. 2011, ISBN  978 0 07 339810 5 , рисунок 4.46.
5. Балмер, Дэвид (2003) Разделение пограничных слоев, из Школы инженерии и электроники Эдинбургского университета.
6. Уилкокс, Дэвид К. Основная механика жидкости. 3-е изд. Милл-Вэлли: DCW Industries, Inc., 2007. 664-668.
7. https://www.aps.org/units/dfd/resources/upload/prandtl_vol58no12p42_48.pdf, рис. 3.
8. Филдинг, Сюзанна. «Ламинарное разделение пограничного слоя». 27 октября 2005 г. Манчестерский университет. 12 марта 2008 г. <https://community.dur.ac.uk/suzanne.fielding/teaching/BLT/sec4c.pdf>.

Рекомендации

• Андерсон, Джон Д. (2004), Введение в полет , McGraw-Hill. ISBN 0-07-282569-3 . 
• LJ Clancy (1975), Аэродинамика , Pitman Publishing Limited, Лондонский ISBN 0-273-01120-0 . 

Внешние ссылки

• Aerospaceweb-Ямочки и перетаскивание мяча для гольфа
• Аэродинамика в спортивном оборудовании, отдыхе и машинах – Гольф – Инструктор
• Сеть Марии Кюри о достижениях в области численных и аналитических инструментов для прогнозирования отдельных потоков