9.9. Отрыв пограничного слоя при обтекании плохообтекаемых тел. Кризис сопротивления

В отличие от обтекания пластинки, при обтекании тел с искривленными поверхностями давление не остается постоянным вдоль поверхности, а изменяется с изменением скорости во внешнем по отношению к пограничному слою потенциальном потоке в соответствии с уравнением Бернулли  Эйлера.

В точке набегания потока скорость минимальна, а давление имеет максимальное значение. По мере удаления от точки набегания потока скорость будет расти, а давление уменьшаться до некоторого минимального значения (в точке М на рис. 9.6). В дальнейшем скорость во внешнем потоке начинает уменьшаться, а давление соответственно возрастать. Такое распределение давления вдоль обтекаемой поверхности вызывает изменение картины распределения скоростей в пограничном слое по мере перехода от лобовой части тела к кормовой.

В области, расположенной вниз по течению от точки М, движение частиц жидкости должно сопровождаться преодолением возрастающего давления. На это оказываются способны частицы жидкости, находящиеся во внешнем потоке, поскольку они обладают достаточно большим запасом кинетической энергии. Кинетическая энергия частиц жидкости, движущихся в пограничном слое, мала, и их продвижение в области растущего давления не может

Рисунок 9.6

быть значительным. В точке S, где их кинетическая энергия иссякает, они вынуждены остановиться, а правее этой точки в пограничном слое начинается попятное движение жидкости. Этот процесс способствует отрыву пограничного слоя от поверхности и кладет начало образованию вихря. Точка S, в которой , называется точкой отрыва пограничного слоя.

Образование вихрей на кормовой стороне поверхности сопровождается понижением давления в этой области. Вследствие этого между лобовой и кормовой частями поверхности возникает перепад давления, который сказывается как дополнительное сопротивление тела, так называемое сопротивление давления, или лобовое сопротивление.

Это сопротивление, которое прибавляется к сопротивлению, обусловленному вязкостью, часто во много раз превосходит последнее. При достаточно больших значениях числа Рейнольдса оно может составить до 90 % общего сопротивления.

Типичными плохо обтекаемыми телами являются шар и цилиндр, обтекаемый в поперечном направлении. Если обтекание такого тела происходит с образованием ламинарного пограничного слоя, то точка отрыва располагается несколько впереди экваториального сечения, примерно под углом  = 8283° к направлению потока (рис. 9.7).

При (где d – диаметр шара или цилиндра) ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный, в котором частицы жидкости, благодаря более интенсивному обмену количеством движений с внешним потоком, обладают большим запасом кинетической энергии, чем в ламинарном слое, и поэтому имеют возможность продвинуться несколько дальше в области растущего давления. По этой причине точка отрыва смещается за экваториальное сечение до = 120140 (рис. 9.8). При этом сужается вихревая область, что приводит к уменьшению лобового, а, следовательно, и общего сопротивления.

Рисунок 9.7

Рисунок 9.8 Рисунок 9.9

Рисунок 9.10

Таким образом, турбулизация пограничного слоя у поверхности плохо обтекаемых тел вызывает резкое понижение сопротивления, тогда как для хорошо обтекаемых тел этот процесс, наоборот, сопровождается резким ростом сопротивления. Это явление называется кризисом сопротивления, или кризисом обтекания.

На рис. 9.9 приведен график зависимости коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса для шара. Часто, чтобы вызвать кризис обтекания, прибегают к искусственной турбулизации течения в пограничном слое. С этой целью устанавливают, например, впереди шара решетку, которая турбулизует поток. Такого же эффекта можно добиться, если надеть на переднюю часть шара узкое проволочное кольцо (рис. 9.10).