Суммарное сопротивление при обтекании твердого тела.

В общем случае сопротивление при обтекании твердого тела потоком жидкости или при движении твердого тела в жидкость представляет собой сумму сопротивлений трения и сопротивлений давления. Суммарное или полное сопротивление (лобовое сопротивление обычно определяется по формуле, структура которой предложена ещё Ньютоном:

где cx - коэффициент лобового сопротивления, зависит от формы тела, Re и, в несколько меньшей степени, от степени турбулентности невозмущенного потока.

Зависимости cх от Re получают экспериментально для конкретного тела.

Для твердых тел с резко меняющимся профилем (диски, пластины, расположенные поперек потока кубы, профили зданий и т.п.) коэффициент лобового сопротивления практически не зависит от числа Re. Опытным путем установлена экспериментальная зависимость cx=f(Re) для различных условий движения шаров в жидкости, представленная в логарифмических координатах (рис.).

Изменение числа Re влечет за собой изменение соотношения между действующими на тело силами трения, инерции и давления (рис.) Причем увеличение Rе приводит к уменьшению влияния сил трения и повышению влияния сил инерции и давления. Кроме того, при изменении Rе меняется положение точки отрыва пограничного слоя и его структура. До тех пор, пока пограничный слой остается ламинарным (10<Rе<10³), точка отрыва находится в лобовой части сферы (рис. а).

При 10³<Re<10⁵ ламинарный пограничный слой постепенно переходит в турбулентный и точка отрыва смещается в кормовую область (рис. б).

В этом диапазоне чисел Rе сопротивление увеличивается за счет возрастания действия разности давлений перед шаром и за ним. Кривая cx=f(Re) приближается к горизонтали. Полный переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный происходит при Re=Reкр=10⁵. В этом случае угол a»110-120° и величина области отрывного течения становится наименьшей (рис. в). Сопротивление резко уменьшается, такое давление называется кризисом сопротивлений.

Рис. 1-Изменение положения точки отрыва пограничного слоя на сфере при различных числах Рейнольдса 2-зависимость коэффициента лобового сопротивления от числа Рейнольдса (1-шар, 2-цилиндр, 3-диск).

Для твердых тел с резко меняющимся профилем (диски, пластины, расположенные поперек потока, кубы, некоторые профили зданий) коэффициент лобового сопротивления практически не зависит от числа Re.