Обтекание потоками боковых стенок с изломами.

Если спокойный поток встречает препятствие в виде излома боковой стенки, то точка излома выступает в роли непрерывного источника возмущений на свободной поверхности. При Fr < 1 волны возмущений распространяются со временем на всю область течения, в результате происходит перестройка поля скоростей и линий тока, которые плавно огибают внутренний угол.

Если подобное препятствие встречается на пути бурного потока, то из точки излома, и в этом случае выполняющей роль непрерывного источника возмущений, выйдет косая волна возмущения АВ, рис. Д.5.2. До косой волны возмущения бурный поток никак не реагирует на излом стенки; незначительное сужение бурного потока за косой волной возмущения приводит к уменьшению скорости и увеличению глубины и его повороту на угол ΔΘ в плане. Сечение волны возмущения по нормам к ее фронту имеет сложную форму, но часто его представляют в виде ступеньки рис.Д.5.3, полагая, что глубина увеличивается при перепаде через волну на величину Δh скачком.

α

ΔΘ

Δh

Рис. Д.5.2 Рис. Д.5.3

Если бурный поток движется вдоль вогнутой ломаной стенки, то в нем происходит ряд последовательных изменений, каждое из которых аналогично только что рассмотренному для одного излома.

Криволинейную стенку возможно представить как предельный случай ломаний, когда расстояние между точками излома стремится к нулю. Тогда из таких точек будут выходить линии возмущения повышения, а не после волны рис Д.5.4. Эти линии на некотором расстоянии от стенки пересекаются, и в результате образуется косая волна повышения. В частном случае эти линии повышения могут пересекаться в одной точке (центре), тогда волну повышения в этой области называют центрированной.

Обтекание выпуклого угла. Если поток спокойный (Fr < 1), то происходит отрыв его выпуклых поверхностей, рис. Д.5.5, согласно общей тенденции отрыва пограничного слоя; если обтекается выпуклый угол, то возможно образование водоворота.

Рис.Д.5.4 Рис.Д.5.5

При обтекании выпуклого угла бурным потоком (Fr > 1) из точки излома будет выходить линия возмущения под углом рис. Д.5.6, до этой линии бурный поток будет невозмущенным. При расширении бурного потока за точкой излома глубина его уменьшается, а скорость увеличивается, поэтому из-за уменьшения глубины давление уменьшается и градиент давления будет отрицательным. Таким образом, в этом случае причина, приводящая к отрыву пограничного слоя отсутствует и бурный поток способен безотрывно обтекать боковые стенки, имеющие излом в виде выпуклого тупого угла.

Рис. Д.5.6

Так как на участке расширения скорость бурного потока увеличивается (V₂ > V₁), то из точки излома выйдет и вторая линия возмущения под меньшим углом . При переходе через линии возмущения глубина потока несколько уменьшается, поэтому эта линия называется линией понижения. Область течения между линиями понижения, выходящими из точки излома под угламии, будет непрерывно заполнена линиями понижения, выходящими из той же точки и называется волной понижения.

Исследования показали, что безотрывное обтекание бурным потоком выпуклого тупого угла возможно, если угол поворота ΔΘ не превосходит некоторого максимального значения Θ_mах. Оно зависит от числа Фруда Fr₁ набегающего потока и числа Фруда Fr₂ за поворотом.

Реальное течение бурного потока вблизи точки излома стенки несколько отличается от изложений теоретической стены в виде центрированной волны, так как из-за существования пограничного слоя вблизи этой точки происходит отрыв потока.