Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Гинзбург И.П. Пограничный слой смеси газов учеб. пособие

.pdf
Скачиваний:
16
Добавлен:
23.10.2023
Размер:
7.38 Mб
Скачать

- ISO -

( 6 . / 3 )

 

 

 

 

 

(6 .1 't )

 

 

 

 

 

(6.15)

Приведенная система уравнений служит для определения сле-

дуя'щих функций: J1;^ , vy , VZ)P, Т(илиИ) U

^ ( i -1,2... .tj)

входящие

в систему

уравнений ( 6 . 5 )—(6 .1 5 )

величины tl

, А ,

JJ; ,

Т

-пР

 

J

долж­

 

)

м к называемые коэффициенты'переноса,

ны Сыть заданы дополнительными соотношениями.

Отыскание точных решений этих уравнений в общем случае весьма затруднительно. Поэтому главное внимание уделяется но­

- 121 -

строению приближенных и, если возможно, точных, решений для

простейших случаев движения. Однако общие уравнения оказывают­

ся полезными при установлении подобия д вух течений.

Для сравнения течений различного масштаба запишем приведен­

ные уравнения в безразмерном виде. С этой целью все линейные

размеры в направлении оси X

отнесем к характерному

размеру

вдоль этого

направления

L

(например, к длине хорды

крыла),

все линейные

размеры в

поперечном направлении у отнесем к ха­

рактерному размеру этого направления § , смысл которого пока рассматривать не будем, все скорости отнесем к характерной ско­

рости

Д оо (например, к скорости обтекания крыла), давление

будем

относить к статическому давлению в набегающем потоке га ­

за , Также

все прочие параметры будем относить к параметрам на­

бегающего

потока. Соответствующие безразмерные величины будем

обозначать

чертой сверху:

X

- Т~ )

ь

,

l‘CII

т .

А ~

V*

— Vy

;

P ~

_

До* ;

=

" z

' L ’

i~ z

L

'

Стметим. что характерный поперечный размер для динамичес­ ких, тепловых и диффузионных величин, вообще говоря, будет раз­

личным. В дальнейшем будем

рассматривать

также только двухмер­

ные

движения, т . е . опустим

в уравнениях

все члены, имеющие ин­

декс

Z .

 

 

 

 

 

 

Уравнение

неразрывности

 

 

 

L

д£

д

t

а /

г

d i

; ( п )

д 7 ( Р ^ ° -

 

Уравнения

движения

 

 

 

 

 

 

 

 

- Г L

(7 / - Ь 7 d v x

-

L

 

d v x i

д р /?оо

 

 

P i t ^ u ^ d l W + yx дх уУ 5 d f l

дх f l ^ u L

 

 

,fiE E ~ L + JAz__А[т;[рдъ

2fdvx

L dvy\j

 

+ P h* Ж +p - u ~ L д х [ П 2 дх Т[дх T W n

 

,

 

 

£ А - Г я ( 4 % А Ш

 

 

 

 

 

 

p ^ u ^ L

д ду LAdy

L

dxll

 

 

 

 

 

s f

L

 

p v y

 

3 ^

 

l

д у г

d p _ L V ~

+ 7 ic ^ L

 

P l t ~ u . ~ d t + v*dx

vxd

д у д p - u ‘~

P A

и-

 

+ , *l <~

L_ £

Гг.Г-Зд/_ Ufa* £

, dibit],

 

^ г_(L Ш

Р- ,u.&~Ld дуггду

lidx L

 

dj}\yp^u^L$c\p\bdy

дх[

 

Уравнение

энергии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_/ L

ЗИ

 

 

L д-А\-1_ А Рр

 

 

г - \

 

 

 

 

 

 

 

d y h „ iL ~ p ~ H ~ d V H ~ P [ W W )

тр Ж » 1 Й ~ д П Г Ч Ч х 3[дх ST dy

 

 

 

 

+ / ° °

t £ А [ П v г Д - £ г Ш Д ) ] +д й Д & © ) ] +

/ U * - / . ?

 

 

 

 

 

 

5 ( а

<?х tfy/J ^ Ч ? у

L дх /]

. / * «

 

 

 

(& Л ?

£_1 Т dT

Сруар'в* Jfllc~Poo у j:7 t ^

"^oo^ceL Сроар-о°

 

Ноо

дх I дх

Лол

 

JMaa ^.р

L i-

„ / й i . Ё ! j L

, й *. 4 я .

? Г - й р i ® ] +

 

 

 

Х( Л

&

<?*

j)LvJ

i

Г

<?х

 

J J ^ i

р дх)) +

 

 

 

Д

- Г -

х -

 

Q fa .7 ^

I*

д_у д1 , Ср~Р- Tk „JL

* Р о Л Л С р „ р -

 

Н —

 

j p d y tp d y

 

Лоо

jWo,

*--

-

.>г Hi

dh_

J}\~ът± РА-.Рг°т)рI

?2)

J +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

123

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

К -

д

. т

. — /»

Tloo

 

 

 

 

 

 

Р>оо h - A - D £ м

 

J 1* * /— ■

h Z

Гу

 

 

 

 

 

 

 

 

xi 4 r W f / > ~ u ^ i

И

/*•

 

 

* i a

t &*■

 

 

<

 

ш

 

 

_

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*С/ *г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ъ]„г?<

d f

Dj^ ъР±1Ё)1--^ ‘?~ b^i

 

4 -

А

~ di,o*PL T

д !

dicx’ ^ J ’

дх о J>°°Uc~L. Н°°

 

 

t?y

 

г Л г * > / Л ^

vL t>T-L дТ D L щр ±

 

 

к1 У к ‘ Ч Т с М J k J t Т д Т ~ Щ ^ Ч Р ш

 

 

 

 

Уравнение

диффузии

 

 

 

 

 

 

 

 

P{t^u^

dt

vxdx

V»J^ dyjy^u^L

Ji-

<77

 

*'

 

 

D,

 

 

_ J

 

 

 

-nP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DiooA p dx}[

f l ^ u ^ L

 

 

fT"tff

Д ; 3

T

<?*

 

 

A 3 ;

£ *

< И я ь Л &

 

 

^ = 7 j T l ^ I _ i L 7 ) f l ± f f l t

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 **

^

1 p

w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p a=>LL°c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введем некоторые характеристические числа, присутствую­

щие

в

обеих

ча с тях

приведенных уравнений:

 

 

 

Л г

 

- 190 LCОО

 

безразмерная

частота процесса.

Если

про-

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

цесс установившийся, то

^ ~

велико

и

 

 

 

 

 

 

Р -

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ей = / J o o U ic

число Эйлера, определяющее давление, ко-

торое

может

быть в

жидкости;

 

 

 

 

 

 

 

Г

_

F ос ■Zj

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г >

-

71

-

число

Фруда.

Если

в качеотве характерной

массовой

силы

в з я т ь

силу

тяжести, то

 

г

. 9~L

число Фруда >Г ~~~Ц2

будет

характеризовать отношение

сил тяжести

к силам инерции.

- 124

- .

 

 

При рассмотрении движения га зо в,

когда

конвекция

о тс утс твуе т,

силы тяжести малы по сравнению с

силами

те р ц и и ,

поэтому ими

можно пренебречь;

 

 

не

 

-

число Рейнольдса; характеризует

отношение

ju « ,

 

 

сил инерции

к силам вязко с ти ; играет фундаментальную

роль во

многих практических задачах аэродинамики;

 

 

£

u L

число Крокко, характеризует собой отноше­

 

 

-

ние кинетической энергии единицы массы жидкости к потом у теп­ лосодержанию;

ho*

i-C2

- характеризует отношение

полного

теплосо­

 

 

 

 

держания к удельному теплосодержанию.

 

 

Число Крокко связано

с числом Маха

.

Действи­

тельно,

легко можно подучить соотношение

ем .

Т ^ ё 2 ,

 

 

 

 

Рг =

Ср

- число

Прандтля; характеризует отношение

Л во

 

 

количества тепла, выделяемого при трении, к количеству тепла,

обусловленному теплопроводностью; зависит только от физичес­

ких

характеристик

среды,

состава

смеси и температуры;

5 т

=

-чи с л о

Шмидта;

характеризует отношение теп-

5/"

 

 

 

 

ла, выделяемого При трении, к количеству тепла, переносимому диффузией;

рг

U -

- число Лыоиса; довольно часто употребляет-

Sm

- 125 -

ся как безразмерный критерий, характеризующий отношение тепла,

переносимого диффузией, к количеству тепла, обусловленному теп­ лопроводностью среды;

Si

-искусственно введенное соотношение, характе­

ризующее отношение характерных поперечных и продольных масшта­ бов длин в уравнениях движения, энергии и диффузии.

С учетом введенных безразмерных критериев перепишем пре­ дыдущую систему уравнений.:

 

± м

 

 

 

L

д

)

'

 

C6M)

 

Rt of t w(PM +т ij(fl ь)

 

p

( i $

+Jn ***+ T

d f ^ - p ^ F r - E u

 

I f

x

ЧМтй-т I wW&TwlMlf*!-wl

K

 

m

$

* f*

 

+ T

 

 

 

 

 

 

m

 

 

% - f f n b i s

U K f

Щ + Ш

;

w

-J

\

dH

дй

,

L -

д н \

i г п2 д р ± с

_ .=■_ n .

^ ■ 'R iW

v*d T

 

$T v* W ' R t Eu C d T +FpP(Fx Vx+^y vx) +

x

± r * A - f n ( ±

 

-

i - M- & { ? + r,( k i3 ! + $*l)xi\ +

 

RgC д х [ Н з

dx

3 J

t d y j vx+M s T dy

дх 1

4

 

Rec 5*

т Т \ ъ

df

з

L д х Г г Л д ч

L

d x M +

,

i .

j _(,

nKlt JLkQI+iоТпк

Dl<~ T

01 -

 

+ Re p r\

C h * дзгдЗ

 

<?у

dy

 

Т

— т

 

Р

V i

 

_

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dp

 

 

 

 

 

 

 

й

т

§

-

t

f

 

 

 

 

 

 

 

 

л

x

V

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

- f i

4

X

 

 

 

*C ' ^ т ^ Ы ь , ^ t / 1 'йе £l'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 m

 

 

 

 

 

 

I l 4 i _ ^ L S i < a _ ^ L з [ щ

Re

'£=/

 

г *

4

 

дк

Di^

f

dx

Di~ P

dX/1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- т

_ -

J

- P

3 _ ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x ^ 4 ) L

dyLfcf*1*

/ 4 ^ i j L K

 

 

 

с ш

Sm

<5r5

^

<?У

D i ~ T

<?У

J f e ~

P

<?y/J; ' ]

z(<

dh

- д ^ . ^ - д Ъ a

j

i _

l r

r - b

4

^

 

A b W + vxdx

4

 

hO yhteSm d x i[(A ( j ~

a* "

__

| L

 

 

 

 

 

- M ) ] + - L _ { _

 

 

, 1 l &

Vloo

7

<?*

 

£ u

 

p

6 Щ '

He

Sm

 

 

 

3y

„Г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. з ь Ш . й - й -

 

 

 

 

 

 

 

 

(S .a o )

Vl~

T

<?y

Dio.

jD

<3y/j

JlooUoo)

 

 

 

 

 

 

 

 

p - jiH T .

 

 

 

 

 

 

( 6 - 2 I )

Приведенная безразмерная система уравнений плоского дви­

жения

сложной среды позволяет сформулировать вывод

о подобии

д вух

газодинамических

потоков,

для того

чтобы

уравнения (6.1 б)-

( ( .. ? ! ) , записанные

в безразмерных переменных, совпадали для .

двух

потоков,

следующие

безразмерные

коэффициенты должны 0

- 127 -

иметь одинаковые значении и этих потоках:

В заключение отметим, что порченная система являе тс я

весьма сложной системой нелинейных дифференциальных уравнений

в частных производных эллиптического типа. Известно лишь не­

большое ' кисло частных решений этой системы при естественных уп­ рощениях левых и правых частей в силу физической постановки за­ дачи. Достаточно полные сведения о таких решениях содержатся

в книгах

[ l 4 , 15,

1 7 ,1 8 ] .

 

 

В то

же

время,'

в связи с новыми

задачами

практической

аэродинамики

и термодинамики высоких скоростей и температур,

возникает

настоятельная необходимость

хо тя бы

в приближенном

решении исходной системы уравнений Навье-Стокса. В последующих главах будет показано, как можно существенно упростить уравне­ ния движения вязкой жидкости и получить некоторые решения уп­ рощенной системы уравнений для высокотемпературной смеси га зо в.

- 128 -

Г Л А В А

I I I

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

ДЛЯ ЛАМИНАРНЫХ ДВШЕПИЙ 1НДКОСТИ

§I . Понятна пограничного слоя

 

Основная трудность при решении системы уравнении движения

вязко й

жидкости происходит из-за сложности правых частей урав­

нений,

обусловленных вязким трением. В то же время известно,

что

для

многих жидкостей, особенно

важных

в технике (во зд ух,

вода

и

т . д . ) , коэффициент вязко с ти

мал и,

следовательно,

силы

трения,

обусловленные вязкостью , получаются в целом очень

не­

большими по сравнению с другими силами (силой тяжести, силами

давления). Если на этом основании формально опустить в правых

ча с тях урезаний Навье-Стокса вязкие члены, то полученная сио-

тема уравнений может быть проинтегрирована в некоторых частных

случаях. Изучение движе кости, лишенной трения, состав­

ляло предмет теоретической гидродинамики. Однако результаты этой так называемой классической гидродинамики во много!' резко противоречат опыту. Особенно резкое противоречие получалось в

весьма важных вопросах: о потере давления в трубах и каналах

и о сопротивлении, которое оказывает жидкость движущемуся в

ней те лу. Напомним хорошо известный парадокс Далаибара: тело,

движущееся в невязкой жадности, не испытывает сопротивления,

хо тя нам хорошо известно из опыта,

что это

далеко

не та к.

Все же, учитывая малость сил

трения,

долгое

время не уда-

- 129 -

велось

по н ять, каким

образом малые силы

трения

оказывают ре­

шающее

влияние на процесс движения.

 

 

 

*

Большая заслуга

в деле внесения ясности

в

э то т вопрос

принадлежит Людвигу

Прандтлю, который в

1904

г .

указал п у ть ,

сделавший доступным теоретическое исследование движения вязкой жидкости. Прандтль показал, исходя из теоретических соображе­ ний, подтвержденных опытом, что течение в окрестности тела можно разделить на две области: область очень тонкого слоя вблизи тела (пограничный слой), где трение играет существенную роль, и область вне этшго слоя, где трением вполне можно пре-

иебре ч ь .

Покажем, при каких условиях допустимо подобное разделение течения. Обратимся к уравнениям движения, записанным в безраз­

мерных величинах,

и выясним,

каков должен быть характерный по­

перечный

масштаб

(5

, чтобы

силы

трения

имели

то т же

порядок

по

величине,

что и другие силы (например,

силы

инерции или си­

лы давления).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прежде всего

рассмотрим

уравнение неразрывности.

Ограни­

чиваясь

в дальнейшем

случаем

установившегося движения

кидкооти

(

f o » -

*■

) .

откуда следует,

что

Щ

 

, запи­

шем

уравнение

неразрывности в

безразмерной форме:

 

Выбор величин $ и L

в качестве характерно, j масштабе

для поперечных и продольных

размеров показывает, ч * г перевив-

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ