Фиг.34. Развитие области отрывного течения за цилиндром.
Фиг.35. Развитие области отрывного течения за сферой.
Видно, что при
одинаковых условиях (
= const) протяженность отрывной зоны (или
аэродинамического следа) за цилиндром
существенно больше, чем за сферой.
Кроме того, при обтекании цилиндра в диапазоне = 40 ÷ 5000 Аэродинамический след представляет собой систему несимметричных вихрей, вращающихся в противоположные стороны. Такую систему вихрей называют «дорожка Кармана» (фиг.36).
Фиг.36. Вихревая дорожка за цилиндром.
Дорожка Кармана перемещается обычно со скоростью Vвихр, которая несколько меньше скорости невозмущенного потока V∞, и является в общем случае неустойчивой.
Так как система вихрей за обтекаемым цилиндром несимметрична, то вокруг цилиндра возникает переменная во времени циркуляция скорости. Цилиндр при этом будет испытывать переменную по направлению нагрузку, стремящуюся сместить его в сторону.
Область отрывного течения, несмотря на совершенно иную структуру, не изолирована от основного (невозмущенного) потока. Турбулентное перемешивание, знакопеременный градиент давления, изменение направления течения внутри этой области создают условия для непрерывного взаимодействия между отрывным течением и основным потоком. Однако вследствие замкнутости осредненных по времени линий тока в пределах рассматриваемой области, массообмен между ней и основным потоком невелик.
В вязкой среде всегда имеют место и сопротивление трения, и сопротивление давления. Соотношение между этими составляющими зависит от формы тела. Если тело имеет большие поперечные размеры по сравнению с продольным, то на его поверхности всегда наблюдается отрыв пограничного слоя, приводящий к падению давления в кормовой части тела. При этом тело при обтекании испытывает большое лобовое сопротивление, обусловленное срывом потока. Такие тела называются неудобообтекаемыми телами.
Если тело имеет вытянутую по потоку форму с плавными очертаниями, то срыв потока если и будет, то только на незначительной части его поверхности, и основную долю сопротивления составит сопротивление трения. Такие тела называются аэродинамически удобообтекаемыми.
У неудобообтекаемых тел преобладает сопротивление давления.
При одинаковых площадях поперечного сечения полное сопротивление удобообтекаемых тел может быть во много раз меньше, чем сопротивление неудобообтекаемых тел.
Итак, летательным аппаратам и их отдельным частям (крыло, фюзеляж) придают удобообтекаемую форму, при которой отрыв пограничного слоя маловероятен или зона срыва потока минимальна.
Ламинарный пограничный слой более подвержен срыву потока, чем турбулентный. Кроме того, перемешивание при турбулентном течении значительно интенсивнее, чем при ламинарном, вследствие чего турбулентное течение способно распространяться на большее расстояние против возрастающего давления, чем ламинарное.
Опасность появления отрыва пограничного слоя можно уменьшить, снижая величину положительного градиента давления (например, придавая телу вытянутую каплеобразную форму) или влияя на характер течения в пограничном слое посредством его искусственной турбулизации. Чем больше степень турбулентности течения в пограничном слое, тем интенсивнее происходит обмен количествами движения между внешними и пристенными слоями, тем большие скорости вблизи поверхности и тем меньше опасность отрыва.
