Отрыв пограничного слоя при обтекании криволинейных поверхностей.

В рассмотренных ранее примерах обтекания пластины пограничный слой плавно сбегает с её задней кромки и переходит в аэродинамический след. Однако понятие пограничного слоя позволяет раскрыть природу явления отрыва потока (с последующим образованием вихрей) от обтекаемой поверхности плавной формы. Известно, что поток жидкости срывается с выступающих острых кромок тела (поверхности), при этом за выступающей кромкой образуются вихри, уносимые набегающим потоком рис. 10.1. Природу данных срывов можно объяснить на основе образования в потоке поверхностей раздела с разными скоростями движения. При этом любое случайное возмущение в потоке вызывает искривление поверхности раздела и её закручивание с последующим образованием вихрей, увлекаемых потоком.

Рис. 10.1

Однако практика показывает, что наблюдаются и срывы потока с поверхности не имеющих острых выступов рис. 10.2, а также с поверхностей плавной формы рис. 10.3.

Так, например, на рис. 10.3 хорошо просматривается пограничный слой, вблизи поверхности тела, который затем на задней кромке тела срывается с его поверхности и образует аэродинамический след в виде серии вихрей.

Рис. 10.2. Рис. 10.3

Перед рассмотрением особенностей поведения пограничного слоя около криволинейных поверхностей сделаем ряд замечаний относительно давления (и градиента давления) в сечениях пограничного слоя образующегося около плоской пластины. В данном случае скорости на внешней границе пограничного слоя совпадают со скоростями в набегающем потоке и остаются неизменными по всей длине пластины. Согласно уравнению Бернулли, справедливому для набегающего потока вне пограничного слоя, давления на внешней границе пограничного слоя также должны оставаться постоянными. Следовательно, и давление в любом сечении пограничного слоя остается одинаковым, согласно третьему свойству пограничного слоя. Другими словами градиент давления в пограничном слое плоской пластины равен нулю на всём её протяжении.

Рассмотрим распределение скоростей в пограничном слое при обтекании криволинейной поверхности рис. 10.4. При этом, как и ранее, учтём, что в сечениях слоя нормальных к обтекаемой поверхности продольные составляющие скорости на верхней границе пограничного слоя совпадает со скоростью набегающего потока, а давления в сечениях равны давлениям на внешней границе.

Рис. 10.4

Выделим три основных момента:

1. При движении от точки в направлении к точке скорости в верхней границе слоя непрерывно возрастают. Следовательно, согласно уравнению Бернулли, давление на указанном участке должно непрерывно уменьшаться, по мере возрастания скорости. Таким образом, градиент давления будет оставаться отрицательным на данном участке. При этом градиент скорости в пограничном слое вблизи поверхности остаётся положительным (что указывает на возрастание скоростей при удалении от поверхности тела, т.е. в нижней части эпюры скоростей).

2. В точке скорость на внешней границе достигает своего максимума, а давление становится минимальным. При этом градиент давления становится равным нулю.

3. Далее при движении от точки до точки скорости на внешней границе начинают снижаться, что сопровождается возрастанием давления в сечениях пограничного слоя расположенных вниз по течению (т.е. градиент давления становится положительным).

Таким образом, движение жидкости в пограничном слое на участке от точки до точки , происходит из области с низким давлением в область высокого давления, т.е. на данном участке возникает подтормаживающий перепад давления. При этом запаса кинетической энергии на внешней границе пограничного слоя оказывается достаточно для преодоления тормозящего перепада давления. Однако при приближении к поверхности тела скорости в сечениях пограничного слоя начинают снижаться за счёт действия сил вязкого трения. Другими словами, частицы жидкости вблизи тела начинают терять свою кинетическую энергию. При этом касательное напряжение на поверхности тела непрерывно уменьшается, а в точке оно становится равным нулю (т.е. «сцепление» между жидкостью и телом пропадает). В результате этого возникает обратное течение, обусловленное подтормаживающим перепадом давлением, которое ведёт к отрыву жидкости от поверхности тела и образованию вихрей. Именно этот процесс хорошо наблюдается на рис. 10.2 в кормовой части тела.

Точка на поверхности тела, начиная с которой пограничный слой срывается с поверхности обтекаемого тела, называется точкой отрыва пограничного слоя. Очевидно, что слева от точки отрыва должно выполняться условие , а справа от неё , а в самой этой точке . Следовательно, в рассматриваемом случае рис. 4.4 точкой отрыва является точка .