Хорошо обтекаемые и плохо обтекаемые тела.

В общем случае на элементы поверхности обтекаемого тела действует сила трения и сила, обусловленная давлением (нормальным к поверхности напряжением), рис. 11.3. Проекция результирующей силы трения на направление движения приводит к появлению силы сопротивления трения, а проекция результирующей силы давления – к появлению силы сопротивления давления. Например, на рис.11.3. показан малый элемент поверхности тела, близкого по форме к цилиндру, обтекаемому потоком жидкости.

Рис. 11.3

Сила трения направлена по касательной к элементу поверхности , а сила давления направлена по нормали к нему. Для нахождения сил сопротивления трения и давления необходимо найти проекции векторов и на направление движения – и на рис. 11.3.

Для определения результирующей силы сопротивления , действующей на всё тело, необходимо всю поверхность тела разделить на малые элементы, на каждом из них найти проекции и , а затем их суммировать; в результате получим:

, (11.4)

где знаком показано суммирование по всей поверхности тела, а величина представляет собой проекцию силы на направление движения набегающего потока.

Очевидно, что для любого тела в заданном потоке соотношение величин и может быть различным. Принято называть тело хорошо обтекаемым, если >> ( при этом величина сама может быть незначительной). Тело называется плохо обтекаемым, если >> . С практической точки зрения удобообтекаемые тела обладают наименьшим лобовым сопротивлением, так как у данных тел лобовое сопротивление в основном определяется силами между слоем жидкости, примыкающим к поверхности тела, и этой поверхностью. Поэтому, например, с целью снижения силы лобового сопротивления, а следовательно, и уменьшения расхода топлива и мощности двигателя, удобообтекаемую форму должны иметь корпуса кораблей, автомобилей, самолетов, поездов.

Определение сил, действующих на тела при обтекании их потоком жидкости.

Силу, действующую со стороны потока жидкости или газа на тело, принято определять с помощью формулы Ньютона:

, (11.5)

где – безразмерный коэффициент сопротивления, – площадь миделевого сечения, – плотность жидкости (жидкость считается несжимаемой), – скорость набегающего потока.

Сила трения определяется по аналогичной формуле:

, (11.6)

где – коэффициент сопротивления трения, – площадь поверхности, на которой действует сила трения (например, если обтекается тонкая плоская пластина шириной и длиной , установленная точно вдоль направления движения, то )

Таким образом, для определения силы воздействия потока на обтекаемое им тело должны быть известны:

1. Скорость набегающего потока данного перед телом ;

2. Площадь миделевого сечения тела;

3. Плотность жидкости;

4. Безразмерный коэффициент сопротивления (или ).

Все особенности обтекания отражены в коэффициенте , который зависит от формы тела и его ориентации в потоке. Если форма и его ориентация в потоке заданы, то коэффициент сопротивления зависит только от числа Рейнольдса.

При решении научных и инженерных задач по определению величины силы, действующей со стороны жидкости или газа на тело числовые значения коэффициента в большинстве случаев берутся из таблиц, составленных на основе экспериментов (в некоторых случаях значения и могут быть найдены без привлечения опытных данных).

При определении опытным путем испытуемое тело помещается в поток, измеряется величина силы с помощью специальных весов или динамометров, измеряется величина скорости и определяется затем по формуле (11.5), преобразованной к виду: