Аэродинамические спектры

Аэродинамическим спектром называется видимая глазу картина обтекания тела потоком воздуха.

Для получения аэродинамического спектра существуют следующие методы:

1) введение в поток видимых частиц дыма.

2) метод «шелковинок»;

3) метод вязких покрытий;

4) оптический метод.

Первый метод получения спектра осуществляется
в специальных дымовых каналах. Дымовой спектр
позволяет исследовать ламинарные и турбулентные течения, отрыв пограничного слоя, управление пограничным слоем.

Метод «шелковинок» позволяет увидеть нарушение плавности обтекания. При безотрывном режиме течения шелковинки, прикрепленные одним концом к обтекаемой поверхности, ориентированы в отношении потока. При срыве потока они колеблются и меняют направление.

На вязком покрытии обтекаемого тела при длительной продувке его в аэродинамической трубе прочерчиваются линии тока, выявляющие картину обтекания.

Оптический метод позволяет исследовать изменение плотности воздуха при больших скоростях полета. При изменении плотности воздуха плоскопараллельный пучок света отклоняется, образуя на экране светлые или темные полосы.

Спектры обтекания бывают следующими:

а) плавные;

б) вихревые;

в) симметричные;

г) несимметричные.

Рис. 1.8. Спектры обтекания

Рис. 1.9. Несимметричный спектр

Наличие повышенного давления перед телом и разряжения за ним приводит к возникновению воздушного сопротивления, которое называется сопротивлением давления.

Чем больше возмущение потока, тем больше сопротивление давления испытывает тело. Минимальное сопротивление давления имеют тела с плавным спектром обтекания.

Тела неплавной формы, вызывающие интенсивный изгиб линий тока и мощное вихреобразование за телом, называется неудобообтекаемыми.

Тела с плавным спектром обтекания называется удобообтекаемыми. Спектры обтекания зависят от: формы и размеров тела, ориентации тела относительно потока воздуха, скорости набегающего потока.

При симметричном обтекании тела воздухом возникает только одна аэродинамическая сила — сила лобового сопротивления X .

При несимметричном обтекании возникает полная аэродинамическая сила R , которую можно разложить на две составляющие по осям координат: лобовое сопротивление X и подъёмную силу Y .

Таким образом, подъёмная сила может возникнуть только при несимметричном обтекании тела.

Аэродинамический спектр дает возможность понять физическую сущность явления обтекания

Исследования аэродинамических спектров дает возможность выбрать наиболее удобообтекаемые формы, определить дефекты в той или иной части ЛА, определить характер взаимодействия близко расположенных частей и многое другое.

Пограничный слой

Аэродинамический спектр любого тела можно разделить на несколько частей, в каждой из которых обтекание будет происходить по-разному.

На большом расстоянии от тела поток не деформирован, струйки текут прямолинейно с одинаковой скоростью. Такой поток называется невозмущенным.

Вблизи тела струйки изменяют свое направление и площадь поперечного сечения. От этого изменяются скорости воздуха в струйках. Поток, струйки которого деформированы присутствующим в нем телом, называется возмущенным.

Рис. 1.10. Три характерные области потока

В возмущённой части потока можно выделить 3 области:

1 внешний невязкий поток (потенциальный поток)

2 пограничный слой;

3 спутная струя (вихревой след).

Движение воздуха в потенциальном потоке плавное, линейное.

Рис. 1.11.Причина завихрения пограничного слоя

Пограничным слоем называется тонкий слой воздуха, прилегающий к поверхности любого тела, движущегося в неподвижном воздухе или обтекаемого движущимся воздухом, в котором скорость потока меняется от нуля на поверхности тела до скорости невозмущённого потока на некотором удалении о от тела. В результате сил внутреннего трения между слоями пограничного слоя частицы воздуха в нем имеют стремление к вращению. Поэтому пограничный слой всегда завихрен. (рис. 1.11).

В спутной струе завихренность сглаживается по мере удаления от тела.

Вихревым называется такое движение потока, при котором частицы воздуха, двигаясь поступательно, одновременно участвуют во вращательном движении.

Рис. 1.12. Структура пограничного слоя: 1 — ламинарный пограничный слой, 2 — переходный; 3 — турбулентный; 4 – ламинарный подслой:
x – координата точки перехода ламинарного слоя в турбулентный

Образование пограничного слоя объясняется тем, что вследствие проявления вязкости воздуха близко расположенные к телу слои притормаживаются. Скорость частиц, непосредственно прилегающих к телу, становится равной нулю (эффект прилипания). По мере удаления от поверхности тела торможение частиц воздуха постепенно уменьшается и на некотором расстоянии прекращается полностью.

Характер движения частиц в пограничном слое отличается от характера их движения вне его. Основываясь на результатах многолетних исследований
картины обтекания различных тел, немецкий ученый Прандтль предложил учитывать влияние вязкости только в пограничном слое, вне его газ можно считать невязким.

При движении удобообтекаемых тел в несжимаемой среде трение в пограничном слое является основной причиной основания силы лобового сопротивления.

Толщина пограничного слоя δ зависит от формы тела, положения его в потоке воздуха, скорости потока, состояния поверхности тела, вязкости и плотности воздуха и увеличивается от носовой части пластины
к хвостовой.

На крыле самолёта близи передней кромки крыла толщина пограничного слоя составляет несколько миллиметров, а у задней кромки достигает 100 мм
и более.

Чем ровнее поверхность тела и чем меньше скорость потока, тем тоньше пограничный слой.

Характер течения в пограничном слое зависит от числа Рейнольдса

где V— скорость набегающего воздуха;

l — характерный размер тела;

υ — кинематический коэффициент вязкости.

При небольших числах Рейнольдса (что соответствует небольшой скорости потока) течение в пограничном слое спокойное, слоистое. Такой пограничный слой называется ламинарным.

При больших числах Рейнольдса, частицы воздуха в пограничном слое, двигаясь поступательно, в то же время перемещаются в поперечном направлении
и весь пограничный слой беспорядочно завихрён. Такой пограничный слой называется турбулентным.

При средних числах Рейнольдса, структура пограничного слоя такова, что у передней кромки течение ламинарное, которое затем переходит в турбулентное. Такой пограничный слой называется смешанным.

При переходе от ламинарного течения к турбулентному вначале происходит потеря устойчивости линии тока, а затем развивается устойчивое турбулентное течение. На практике считается, что переход происходит внезапно в точке Т, называемой точкой перехода. Положение точки перехода зависит от числа Рейнольдса Re.

Если в формулу для определения числа Рейнольдса ввести в качестве линейного размера координату точки перехода x_T, то это число Рейнольдса будет называться критическим: