Аэродинамический спектр и его элементы

При движении тела в воздухе последний стремится затормозить это движение и, наоборот, при обтекании неподвижного тела воздушным потоком возникает сила, стремящаяся сдвинуть тело с места и сообщить ему движение. Силовое действие воздушного потока на тело называется аэродинамической силой.

Величина аэродинамической силы не зависит от того, движется ли тело с некоторой скоростью в воздушном потоке или же оно неподвижно, а на него с той же ско­ростью набегает поток воздуха. Этот принцип называет­ся обратимостью движения, он широко используется для проведения исследований в лабораторных условиях с помощью аэродинамических труб.

Величина аэродинамической силы зависит от харак­тера обтекания тела воздухом. Картина обтекания тела воздухом называется аэродинамическим спектром. Он состоит из следующих элементов (рис. 8):

невозмущенного воздушного потока, струйки которо­го не деформированы присутствующим в нем телом;

возмущенного воздушного потока, струйки которого деформированы присутствующим в нем телом.

Пограничный слой — слой воздуха, в котором ско­рость движения частиц изменяется от нуля до скорости движения частиц невозмущенного потока. Частицы воз­духа в этом слое заторможены силами внутреннего тре­ния, то есть проявляется такое физическое свойство воз-, духа, как вязкость. Вне пограничного слоя в потенци-

Рис. 8. Основные элементы аэродинамического спектра и виды те­чений воздуха в пограничном слое

альном потоке влияние вязкости практически отсутст­вует.

Этот слой очень тонок — его толщина измеряется миллиметрами, причем она постепенно нарастает от передней части тела к задней. Позади тела пограничный слой переходит в спутную струю (след) — притормо­женную область потока, заполненную мелкими вихорь-ками, которая по мере удаления постепенно размыва­ется и исчезает.

Внутри пограничного слоя не все частицы затормо­жены одинаково: чем ближе они к поверхности тела, тем меньше их скорость. Частицы воздуха на самой поверх­ности тела прилипают к ней и вовсе не обладают ско­ростью.

По характеру течения воздуха пограничные слои де­лятся на два типа: ламинарный и турбулентный. В ла­минарном пограничном слое отдельные струйки воздуха движутся все время параллельно поверхности тела, не приближаясь и не удаляясь. В турбулентном погранич пом слое вместо тонкого упорядоченного движения наблюдается непрерывное перемешивание струек, при­ближение их к поверхности тела и удаление от нее. В связи с этим, как показано на. рис. 9, распределение

по толщине пограничного слоя оказывается иным, чем при ламинарном течении: «быстрые» струйки, попадаю­щие при перемешивании из внешней части пограничного слоя к поверхности тела, повышают здесь скорость те­чения. Поэтому градиент скорости у поверхности тела в турбулентном пограничном слое больше, чем в лами­нарном.

Структура пограничного слоя зависит от ряда фак­торов: скорости потока, температуры и давления воз­духа, состояния поверхности тела, распределения давле-ния по его поверхности и др.

На некотором расстоянии от передней кромки по­граничный слой переходит из ламинарного в турбулент­ное состояние (см, рис. 8). Чем больше скорость, тем ближе к передней кромке точка перехода.

Турбулизации пограничного слоя способствуют шеро­ховатость и различные неровности поверхности тела, а также пульсация (турбулентность) потока, набегающего на тело.

Исследования показали, что на тех участках поверх­ности тела, где скорость вдоль струек основного потока нарастает (то есть давление согласно закону Бернули падает), ламинарный пограничный слой, при наличии других благоприятных условий (гладкая поверхность, отсутствие пульсации потока), может не турбулизиро-ваться даже при очень больших скоростях. В результа­те наблюдения установлено, что даже при турбулент­ности пограничного слоя в непосредственной близости

от поверхности тела всегда имеется ламинарный под­слой, толщина которого выражается десятыми или даже сотыми долями миллиметра. Таким образом, какого бы типа пограничный слой ни был, движение воздуха у са­мой поверхности тела всегда ламинарное. Однако в ла­минарном подслое турбулентного слоя градиент скоро­сти значительно больше, чем в нижней части целиком ламинарного пограничного слоя, так как подслой сверху соприкасается с турбулентным потоком (ом. рис. 8), имеющим даже вблизи тела значительную скорость.

Вследствие этого сила трения, пропорциональная гра­диенту скорости и имеющая поэтому наибольшее значе­ние у самой поверхности тела, при турбулентном погра­ничном слое в несколько раз больше, чем при ламинар­ном. Поэтому иногда целесообразно принимать меры для предупреждения перехода ламинарного погранич­ного слоя в турбулентный или, по крайней мере, для получения возможно более отдаленного положения точ­ки этого перехода.

Потенциальный слой — слой воздуха, в котором не проявляются силы внутреннего трения. Это основной поток, при помощи которого образуются аэродинамиче­ские силы.

Спутная струя (след) — завихренный воздушный по­ток, сбегающий с обтекаемого тела и движущийся вслед за ним.