Отрыв пограничного слоя

Рассмотрим обтекание крылового профиля дозвуковым потоком (рис. 3.4). Скорость жидкости, движущейся между невозмущенной линией тока и верхней поверхностью профиля, в соответствии с уравнением неразрывности на участке АВ будет возрастать, а на участке BD – падать. Согласно уравнению Бернулли давление на участке

АВ уменьшается (dp/dx < 0), а на участке BD – возрастает (dp/dx > 0). Можно показать, что при dp/dx ≠ 0 деформация неравномерных профилей скорости происходит всегда так, что скорость медленно движущихся слоев изменяется в большей степени, чем скорость быстродвижущихся. Поэтому в конфузорных течениях (на участке АВ) наполненность профиля скорости в пограничном слое увеличивается, а в диффузорных течениях (на участке BD) – уменьшается вдоль течения. В диффузорном течении кинетическая энергия жидкости расходуется на преодоление положительного градиента давления и на совершение работы трения, что приводит к уменьшению кинетической энергии пристенного слоя жидкости при движении от точки В к точке D. В точке С кинетическая энергия пристенного слоя жидкости и, следовательно, его скорость становится равной нулю. В этой точке (∂u/∂y)_w = 0. Жидкость из области повышенного давления (от точки D) устремляется к точке С и оттесняет пограничный слой от стенки – происходит отрыв пограничного слоя. В точке отрыва (∂u/∂y)_w = 0 и, следовательно, τ_w = μ(∂u/∂y)_w = 0. Из изложенного следует, что отрыв пограничного слоя происходит в потоках с положительным градиентом давления dp/dx>0. Это необходимое условие отрыва пограничного слоя. Достаточные условия отрыва пограничного слоя (критерии отрыва пограничного слоя) несжимаемой жидкости имеют вид [2, 8]:

- для ламинарного пограничного слоя

или

- для турбулентного пограничного слоя

или .

Так как профиль скорости в турбулентном пограничном слой более наполненный, то отрыв турбулентного пограничного слоя происходит при больших значениях dp/dx > 0.

Отрыв пограничного слоя можно предотвратить, уменьшая dp/dx>0 и толщину пограничного слоя, а также искусственно турбулизуя ламинарный пограничный слой перед точкой отрыва. Для уменьшения толщины пограничного слоя следует охлаждать поверхность, отсасывать или сдувать пограничный слой. При этом увеличивается поперечный градиент скорости ¶u/¶y, т.е. наполненность поперечного профиля скорости. Искусственная турбулизация ламинарного пограничного слоя достигается с помощью установки на поверхности турбулизирующего ребра.

3.2. Лабораторная работа "Теоретическое и экспериментальное исследование пограничного слоя на поверхности"

Цели работы - теоретическое и экспериментальное определение безразмерных полей скорости и толщин ламинарного и турбулентного пограничных слоев, сопоставление экспериментальных данных с результатами теоретического расчета, ознакомление с отрывом пограничного слоя и методами его предотвращения.