2. Явление отрыва пограничного слоя

Ч ем меньше относительное удлинение тела, тем больше положительный градиент давления в его кормовой части. Рассмотрим течение в пограничном слое в районе кормовой части такого тела (рис.28). Подтормаживание частиц жидкости наиболее интенсивно идет вблизи поверхности тела, где дополнительный вклад в этот процесс вносят вязкие эффекты (вблизи поверхности тела величина касательных напряжений максимальна). По мере продвижения жидкости в пограничном слое к корме полнота профиля скоростей уменьшается (рис.28,а,б,в), в результате чего скорость частиц вблизи поверхности может стать равной нулю (рис.28,в). В этом случае градиент скорости на стенке, а, следовательно, и касательные напряжения на поверхности тоже обращаются в ноль. После этого при продвижении дальше в корму частицы жидкости вблизи поверхности начинают двигаться из области более высокого давления в область более низкого, то есть в сторону, обратную направлению движения внешнего потока (рис.28,г,д). В результате встречный движений частиц жидкости возникают вихри, которые заполняют область в кормовой части тела, начиная от точки, где . Эта точка называется точкой отрыва пограничного слоя. Таким образом, явление отрыва пограничного слоя характеризуется разрушением пограничного слоя с образованием так называемой вихревой дорожки за телом. Чем меньше удлинение тела, тем раньше наступает отрыв пограничного слоя и тем шире вихревая дорожка за телом.

В области за точкой отрыва происходит резкое понижение давления по сравнению с течением без отрыва пограничного слоя. На рис.29 Показаны три кривые распределения коэффициента давления вдоль тела. Кривая I относится к невязкой жидкости, кривая II – к обтеканию тела вязкой жидкостью без отрыва и кривая III – к отрывному обтеканию тела. Таким образом, из-за отрыва пограничного слоя значительно увеличивается разница давлений в носовой и кормовой частях тела, что приводит к резкому увеличению сопротивления формы тела, которое в этом случае иногда называется вихревым сопротивлением.

С точки зрения особенностей изменения коэффициентов сопротивления С_x в функции от числа Re, а следовательно, и особенностей обтекания, все тела принято условно подразделять на хорошо обтекаемые и плохо обтекаемые. Если тело обтекается без отрыва пограничного слоя, когда сопротивление формы значительно меньше сопротивления трения, оно называется хорошо обтекаемым. В противном случае, когда на теле есть отрыв пограничного слоя и сопротивление формы имеет тот же порядок, что и сопротивление трения, или значительно его превосходит, тело называется плохо обтекаемым.

При этом следует иметь в виду, что указанное подразделение не выражает абсолютного качества тела. Так, тонкий круглый диск, поставленный поперек потока, представляет собой пример плохо обтекаемого тела, а расположенный вдоль потока – хорошо обтекаемого. Это свидетельствует о том, что вязкостное сопротивление тела при данной скорости его движения существенно зависит от ориентировки тела по отношению к потоку

Для хорошо обтекаемых тел характерно то, что доля сопротивления формы в общем балансе их сопротивления сравнительно невелика. Это позволяет сделать вывод о том, что влияние пограничного слоя на внешний потенциальный поток у таких тел невелико, и структура внешнего потенциального потока в данном случае мало отличается от таковой в случае обтекания тела невязкой жидкостью. Результаты измерений поля скорости внутри пограничного слоя удлиненных тел показывают, что их обтекание происходит безотрывно.

Причиной возникновения сопротивления формы R_ф у этой категории тел следует считать влияние пограничного слоя на поле скоростей и давлений внешнего потенциального потока. Это влияние выражается в том, что пограничный слой отклоняет линии тока по сравнению с их направлением в невязкой жидкости на величину толщины вытеснения ^*. Отклонение линий тока в поперечном направлении кинематически эквивалентно возникновению в потоке дополнительных поперечных скоростей, величина которых растет по мере приближения к задней кромке тела. В итоге давление в районе внешней границы пограничного слоя в кормовой части тела согласно уравнению Бернулли не может достичь величины, соответствующей давлению при движении тела в невязкой жидкости.

Сопротивление плохообтекаемых тел складывается из сопротивления трения, имеющего место на участке, где существует пограничный слой, и сопротивление от давлений на участке за точкой отрыва. Для плохообтекаемых тел сопротивление от давлений R_ф, часто называемой вихревым сопротивлением, значительно больше сопротивления трения.

R_давл = R_ф = R_вихр >> R_тр. (5.31)

В качестве характерной площади в общей формуле для силы сопротивления используют площадь проекции тела, перпендикулярную набегающему потоку. Все гидродинамические характеристики плохообтекаемых тел определяются путем экспериментов. Теоретические методы их оценки не надежны и дают лишь качественную картину явления. Опыты показывают, что отрывы вихрей с поверхности плохообтекаемого тела происходят не синхронно: сначала, например, отрывается вихрь от верхней поверхности тела и уходит в поток, а затем происходит отрыв вихря с нижней поверхности тела, где в точке отрыва уже сформировался этот вихрь. Вследствие этого сопротивление плохообтекаемого тела даже при постоянной скорости набегающего потока носит нестационарный характер R_x = R_x(t). Нестационарную составляющую сопротивления, как правило, в расчетах не учитывают, и в справочниках приводятся данные об осредненных за период отрыва вихрей коэффициентах сопротивления плохообтекаемых тел. Эти коэффициенты практически не зависят от числа Re.