Отрывные течения. Том 1 - Чжен П.
Скачать (прямая ссылка):
необходимы дальнейшие исследования.
3.5. ОТРЫВ ПОТОКА, ВЫЗЫВАЕМЫЙ ТОНКОЙ ИГЛОЙ, ПЕРЕД ТУПЫМ
ТЕЛОМ ПРИ БОЛЬШИХ СКОРОСТЯХ
Тонкая игла, выступающая из лобовой части тупого тела, при больших
скоростях способна уменьшить сопротивление и теплопередачу благодаря
отрыву потока на игле. Таким образом, создавая отрыв потока (а не
предотвращая его), можно найти полезные инженерные приложения этого
явления.
Отсоединенный скачок уплотнения перед тупым телом (фиг. 48, а), может
изменить свою форму, если перед таким телом установить тонкую иглу.
Скачок уплотнения становится косым и присоединенным к носку иглы (фиг.
48, б). Между косым скачком уплотнения и иглой возникает отрывное течение
клинообразного или конического типа в зависимости от того, является
затупленное тело двумерным или осесимметричным [51].
Если в области отрыва перед скачком уплотнения имеется градиент скорости,
как показано на фиг. 49, а статическое давление перед скачком постоянно,
то давление за прямым скачком на линии тока, приходящей в точку
торможения, будет меньшим, чем давление за прямым скачком в невозмущенном
потоке. Если скачок уплотнения остается неизменным и сохраняет форму,
изображенную штриховой линией на фиг. 49, то градиент давления по нормали
к оси будет положительным, а течение за скачком будет сходящимся. Во
всяком реальном течении, однако, градиент
ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМЫ ОТРЫВА ПОТОКА
59
давления по нормали к линии тока, приходящей в точку торможения, должен
быть нулевым или отрицательным; поэтому первоначальная форма скачка
уплотнения, показанная штриховой линией, становится невозможной и должна
измениться. Так как
Фиг. 48. Головной скачок уплотнения и отрыв потока перед тупым телом
скорость течения на оси симметрии меньше скорости невозмущенного
невязкого потока, то никакой скачок уплотнения не создает столь высокого
давления на оси, как давление за скачком вне вязкого слоя, пока точка
торможения располагается на поверхности тела. Поэтому требуемое высокое
давление в окрестности вершины скачка может быть достигнуто, если точка
торможения переместит-
60
ГЛАВА X
ся вверх по потоку. Таким образом, форма скачка изменяется и градиент
давления становится положительным в направлении течения, вызывая отрыв.
Если циркуляционное течение в вязком слое очень слабое, то граница
области отрыва является поверхностью постоянного давления и область
отрыва принимает форму клина или конуса. Вследствие наклона скачка
уплотнения давление на поверхности тела уменьшается, и поэтому
сопротивление
Фиг. 49. Течение перед тупым телом при переменном полном давлении [51].
Начальная скорость сверхзвуковая.
тела с иглой падает. Так как сопротивление тесно связано с
теплопередачей, можно ожидать уменьшения теплопередачи [51].
Причины пульсаций отрывного течения еще не совсем понятны, однако для
объяснения этого явления рассматривается баланс массы. На фиг. 48, в
показана мгновенная картина пульсирующего течения. Свободный вязкий слой
отсасывает воздух из области отрыва. Таким образом, если отношение
давлений при переходе через косой скачок уплотнения таково, что масса
воздуха, возвращаемая назад в месте присоединения, компенсируется массой
воздуха, отсасываемой из области отрыва вязким слоем, течение будет
установившимся. Возникновение пульсаций зависит от формы затупленного
тела. При отрыве потока около тела с плоским срезом носовой части
пульсации наблюдались, но при сферической форме носовой части они
отсутствовали.
4. РАСЧЕТ ОТРЫВА ПОТОКА
Отрыв потока исследовался весьма широко, и имеется весьма обширная
литература о методах расчета и экспериментальных результатах.
Экспериментальные методы и результаты имеют
ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМЫ ОТРЫВА ПОТОКА
61
столь же важное значение, как и теоретический анализ при рассмотрении
задач отрыва потока. Однако в данном разделе рассматривается только
теоретический анализ, так как этого достаточно для понимания механизма
отрыва потока п связанных с ним проблем.
4.1. ТЕОРИЯ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ
Подход, основанный на рассмотрении пограничного слоя с использованием
уравнений неразрывности, движения и энергии, наиболее широко используется
при решении классических задач об отрыве потока. Этот подход будет
подробно рассмотрен в следующих главах применительно к отрыву
несжимаемого и сжимаемого потоков. Отметим здесь, что такой подход
позволил успешно решить такие задачи об отрыве установившегося двумерного
внешнего течения, как отрыв потока на профиле, при ламинарном и
турбулентном режимах. В этом случае теоретическим критерием отрыва
является ^ ^ = 0. Однако такой подход недостаточен при
решении таких задач об отрыве внутреннего течения, как отрыв внутри
диффузора, или в случае трехмерных течений.
4.2. ТЕОРИЯ СМЕШЕНИЯ КРОККО-ЛИЗА
Теория смешения в упрощенной форме, как уже упоминалось, была развита
Крокко и Лизом [8] и применена не только к отрывным н присоединяющимся
течениям, но также и к течениям в следе. С помощью этого метода было
