Понятие воздушного потока

У твердых тел расстояния между молекулами очень малы и силы взаимного притяжения молекул велики. Молекулы совершают незначительные колебательные движения.

У газообразных веществ расстояния между молекулами значительно больше самих молекул, взаимное притяжение очень мало, молекулы движутся в различных направлениях и с различной скоростью. Энергия всех молекул вместе рассматривается как внутренняя энергия вещества.

Воздух рассматривается как совокупность большого количества молекул, как сплошная среда, в которой отдельные частицы соприкасаются друг с другом. Представление о сплошности среды позволяет существенно упростить исследование жидкости и газа.

Кроме этого в аэродинамике широкое применение нашел принцип обратимости движения. Согласно этому принципу вместо того, чтобы рассматривать движение тела в неподвижной среде, можно рассматривать движение среды относительно неподвижного тела.

Скорость набегающего невозмущенного потока в обращенном движении равна скорости самого тела в неподвижном воздухе.

Аэродинамические силы будут одинаковыми как для тела, движущегося в неподвижном воздухе, так и для неподвижного тела, обтекаемого воздухом, если скорость движения тела относительно воздуха будет одна и та же.

Обращение движения широко применяется при проведении опытов в аэродинамических трубах, а также в теоретических исследованиях, где используется понятие воздушного потока.

Воздушным потоком называется направленное движение хаотически движущихся частиц.

Если в любой точке пространства, занимаемой потоком жидкости или газа, давление, плотность, величина и направление скорости потока с течением времени не изменяются, движение этого потока называется установившимся. Если эти параметры в данной точке пространства с течением времени изменяются, то движение называется неустановившимся.

Существуют различные методы изучения движения жидкостей и газов. Один из них заключается в том, что движение отдельных частиц рассматривают в каждой точке пространства в данной момент времени. При этом исследуются так называемые линии тока.

Линией тока называется линия, касательная в каждой точке которой совпадает с вектором скорости в этой точке. Совокупность линий тока заключена в некоторой трубкетока и образует элементарную струйку тока. Каждую выделенную струйку можно представить текущей изолированно от общей массы газа.

Разделение потока на струйки дает наглядное представление о сложном течении газа в пространстве. К отдельной струйке можно применить основные законы движения – сохранения массы и сохранения энергии. При помощи уравнений, выражающих эти законы, можно проводить физический анализ взаимодействия твердого тела с газом (воздухом).

По характеру течения воздушный поток может быть ламинарным и турбулентным.

Ламинарный - это воздушный поток, в котором струйки воздуха движутся в одном направлении и параллельны друг другу.

При увеличении скорости частицы воздуха кроме поступательной скорости приобретают быстро меняющиеся скорости, перпендикулярные к направлению поступательного движения. Образуется поток, который называется турбулентным, т. е. беспорядочным.

Пограничный слой

Пограничным слоем называется тонкий слой заторможенного газа, образующийся на поверхности тел, обтекаемых потоком. Вязкость газа в пограничном слое является основной причиной образования силы лобового сопротивления.

При обтекании какого-либо тела частицы газа, проходящие очень близко от его поверхности, будут испытывать сильное торможение. Начиная от некоторой точки вблизи поверхности скорость потока при приближении к телу уменьшается и на самой поверхности становится равной нулю. Распределение скоростей в других сечениях поверхности аналогично(рис.2.1).

Расстояние R, на котором происходит уменьшение скорости, называется толщиной пограничного слоя, а изменение скорости по толщине пограничного слоя – градиентом скорости.

Рис .2.1 Изменение скорости течения воздуха в пограничном слое

Толщина пограничного слоя измеряется в миллиметрах и зависит от вязкости и давления воздуха, от формы тела, состояния его поверхности и положения тела в воздушном потоке. Толщина пограничного слоя постепенно увеличивается от передней части тела, к задней.

На границе пограничного слоя скорость частиц становится равной скорости набегающего потока. Выше этой границы градиента скорости нет, поэтому вязкость газа практически не проявляется.

Таким образом, в пограничном слое скорости частиц изменяются от скорости внешнего потока на “границе” пограничного слоя до нуля на поверхности тела.

Из-за градиента скорости характер движения частиц газа в пограничном слое отличается от их движения в потенциальном слое. В пограничном слое вследствие разности скоростей U₁-U₂ частицы приходят во вращательное движение (см. рис.2.2).

Вращение тем интенсивнее, чем ближе к поверхности тела находится частица. Пограничный слой всегда завихрен и поэтому его называют слоем поверхностного завихрения.

Рис. 2.2 Обтекание тела воздушным потоком - торможение потока в пограничном слое

Частицы газа из пограничного слоя уносятся потоком в область, распложенную позади обтекаемого тела, называемую спутной струей. Скорости частиц в спутной струе всегда меньше скорости внешнего потока, т.к. частицы попадают из пограничного слоя уже приторможенными.

Виды течения пограничного слоя. При небольшой скорости набегающего потока газ в пограничном слое течет спокойно в виде отдельных слоев. Такой пограничный слой называется ламинарным (рис.2.3,а). Пограничный слой завихрен, но движение газа упорядочено, слои не смешиваются, частицы вращаются в пределах одного и того же тонкого слоя.

Если в пограничном слое происходит энергичное перемешивание частиц в поперечном направлении и весь пограничный слой беспорядочно завихрен, такой пограничный слой называется турбулентным (рис.2,б).

В турбулентном пограничном слое наблюдается непрерывное перемещение струек воздуха во всех направлениях, что требует большего количества энергии. Сопротивление воздушного потока увеличивается.

а) б)

с)