Разделение потока

Отрыв пограничного слоя от поверхности в след

Воздушный поток, отделяющийся от крыла под большим углом атаки

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

Пограничный слой существует всякий раз, когда между жидкостью и твердой поверхностью происходит относительное движение с вязкими силами, присутствующими в слое жидкости вблизи поверхности. Поток 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, вычислив число Рейнольдса локальных условий потока.

Отрыв происходит в замедляющемся потоке с возрастающим давлением, например, после прохождения наиболее толстой части обтекаемого тела или через расширяющийся проход.

Течение против увеличивающегося давления известно как течение в неблагоприятном градиенте давления . Пограничный слой отделяется, когда он прошел достаточно далеко в неблагоприятном градиенте давления , так что скорость пограничного слоя относительно поверхности остановилась и изменила направление. ^{[2] [3]} Поток отрывается от поверхности и вместо этого принимает формы завихрений и вихрей . Жидкость оказывает постоянное давление на поверхность после отделения вместо постоянно увеличивающегося давления, если она все еще прикреплена. ^[4] В аэродинамике отрыв потока приводит к снижению подъемной силы и увеличению сопротивления давления , вызванного перепадом давления между передней и задней поверхностями объекта. Это вызывает удары по конструкциям самолета и управляющим поверхностям. Во внутренних каналах отрыв вызывает сваливание и вибрации в лопатках машин и повышенные потери (снижение эффективности) во входных отверстиях и компрессорах. Много усилий и исследований было вложено в проектирование аэродинамических и гидродинамических контуров поверхности и добавленных функций, которые задерживают отрыв потока и удерживают поток прикрепленным как можно дольше. Примерами служат шерсть на теннисном мяче, ямочки на мяче для гольфа, турбулизаторы на планере, которые вызывают ранний переход к турбулентному потоку; вихрегенераторы на самолетах.

Неблагоприятный градиент давления

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

Обратный поток в первую очередь вызван неблагоприятным градиентом давления, накладываемым на пограничный слой внешним потенциальным потоком . Уравнение продольного импульса внутри пограничного слоя приблизительно 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 возникает, когда , что затем можно увидеть, что приводит к уменьшению скорости вдоль и, возможно, к нулю, если неблагоприятный градиент давления достаточно силен. ^[5] ${\displaystyle s,y}$ ${\displaystyle dp/ds>0}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle s}$

Влияющие параметры

Тенденция пограничного слоя к отрыву в первую очередь зависит от распределения неблагоприятного или отрицательного градиента скорости кромки вдоль поверхности, который, в свою очередь, напрямую связан с давлением и его градиентом посредством дифференциальной формы соотношения Бернулли , которое совпадает с уравнением импульса для внешнего невязкого течения. ${\displaystyle du_{o}/ds(s)<0}$

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

Но общие величины требуемые для разделения гораздо больше для турбулентного, чем для ламинарного течения, причем первое может выдерживать почти на порядок более сильное замедление потока. Вторичное влияние оказывает число Рейнольдса . Для заданного неблагоприятного распределения сопротивление разделения турбулентного пограничного слоя немного увеличивается с ростом числа Рейнольдса. Напротив, сопротивление разделения ламинарного пограничного слоя не зависит от числа Рейнольдса — несколько противоречащий здравому смыслу факт. ${\displaystyle du_{o}/ds}$ ${\displaystyle du_{o}/ds}$

Внутреннее разделение

Схема разделения внутреннего пограничного слоя

Разделение пограничного слоя может происходить для внутренних потоков. 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 разделенного потока. Часть потока, которая разделяет рециркулирующий поток и поток через центральную область канала, называется разделительной линией тока. ^[6] Точка, в которой разделительная линия тока снова присоединяется к стенке, называется точкой повторного присоединения. По мере того, как поток идет дальше вниз по течению, он в конечном итоге достигает состояния равновесия и не имеет обратного потока.

Эффекты отрыва пограничного слоя

Когда пограничный слой отделяется, его остатки образуют сдвиговой слой ^[7] , а наличие отделенной области потока между сдвиговым слоем и поверхностью изменяет внешний потенциальный поток и поле давления. В случае аэродинамических профилей изменение поля давления приводит к увеличению сопротивления давления , и если оно достаточно серьезное, то также приведет к срыву потока и потере подъемной силы, все из которых нежелательны. Для внутренних потоков разделение потока приводит к увеличению потерь потока и явлениям типа срыва потока, таким как помпаж компрессора , оба нежелательных явления. ^[8]

Другим эффектом разделения пограничного слоя являются регулярные вихри срыва, известные как вихревая дорожка Кармана . Вихри срываются с обрывистой поверхности конструкции с частотой, зависящей от скорости потока. Срыв вихрей создает переменную силу, которая может привести к вибрации конструкции. Если частота срыва совпадает с резонансной частотой конструкции, это может вызвать разрушение конструкции. Эти вибрации могут устанавливаться 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 тройной колоды
• 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 Архивировано 17 июля 2020 года в Wayback Machine , из Школы инженерии и электроники, Эдинбургский университет
6. Уилкокс, Дэвид С. Основы механики жидкости. 3-е изд. Mill Valley: DCW Industries, Inc., 2007. 664-668.
7. https://www.aps.org/units/dfd/resources/upload/prandtl_vol58no12p42_48.pdf, Рис. 3
8. Филдинг, Сюзанна. «Отделение ламинарного пограничного слоя». 27 октября 2005 г. Манчестерский университет. 12 марта 2008 г. <https://community.dur.ac.uk/suzanne.fielding/teaching/BLT/sec4c.pdf>.

Ссылки

• Андерсон, Джон Д. (2004), Введение в полет , McGraw-Hill. ISBN 0-07-282569-3 . 
• Л. Дж. Клэнси (1975), Аэродинамика , Pitman Publishing Limited, Лондон ISBN 0-273-01120-0 . 

Внешние ссылки

• Aerospaceweb-Ямки и сопротивление 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 отрывного потока Архивировано 2 ноября 2018 г. на Wayback Machine