Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 [ 14 ] 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

цилиндра силы нормального давления действуют на стенки цилиндра (направление сил показано на рис. 3.10 стрелками).

Действительные жидкости обладают вязкостью, поэтому не может быть полного (плавного) обтекания. В результате влияния сил вязкости поток реальной жидкости оказывает телу сопротивление. Это происходит потому, что слой, непосредственно прилегающий к цилиндру, не скользит свободно, а как бы прикипает к стенке, в результате чего возникают тангенциальные

Поток V

Рис. 3.10. Распределение давления по поверхности

круглого цилиндра в потоке идеальной жидкости

Рнс. 3.11. Обтекание круглого цилиндра потоком вязкой жидкости

й - при малых скоростях (Re< <10); б-до кризиса обтекания; в - после кризиса

силы, направленные по касательной к поверхности тела. Эти силы и являются собственно силами трения. У воздуха они малы, поэтому при незначительном изменении картины обтекания сила сопротивления в реальной жидкости .мало отличалась бы от нуля. Важно то, что силы вязкости вносят качественные изменения в картину обтекания.

Силы вязкости приводят к отрыву пограничного слоя и образованию позади тела вихреобразного движения жидкости (рис. 3.11). Давление вязкой жидкости на цилиндр у точки А почти не отличается от давления при обтекании его идеальной жидкостью. Существенно то, что движение в пограничном слое тормозится и частицы жидкости приходят в точки Б и В с меньшими скоростями, чем в случае обтекания идеальной жидко-

стью, т. е. они будут обладать меньшей кинетической энергией. В точках Д и Д" давление поэтому будет больше, чем в точках Б и В, но меньше рл- В результате этого струи воздуха отрываются от цилиндра, так как не могут проникнуть в область ДДД", заполненную вихреобразно движущейся жидкостью с давлением

Рд <РА.

Как видно на рис. 3.12, распределение давления по поверхности цилиндра при обтекании его потоком вязкой жидкости существенно отличается в области задней половины цилиндра от картины при обтекании идеальной жидкостью (см. рис. 3.10). Равнодействующая распределенных сил, действующих на стенки цилиндра, становится не равной нулю. Эту силу называют лобовым сопротивлением, составляющими которого являются силы трения и собственно давление.

Отрыв пограничного слоя вносит качественное изменение в обтекание тела потоком жидкости, которое не ограничивается лишь появлением лобового сопротивления, а сопровождается образованием вихрей, срывающихся с цилиндра и уносящихся потоком жидкости. Они рассеиваются далеко позади цилиндра. Явление вихреобразования происходит так: по любой нормали к поверхности цилиндра скорость жидкости постепенно возрастает от нулевой, которую имеет слой, непосредственно прилегающий к стенке, до скорости потока за пределами пограничного слоя, толщина которого мала. На рис. 3.2, а показано распределение скоростей при ламинарном течении в пограничном слое, а на рис. 3.2,6 - при турбулентном течении, которое характеризуется более быстрым нарастанием скоростей у пластинки.

Объем жидкости в пограничном слое обладает моментом количества движения относительно оси, нормальной к плоскости потока и проходящей через центр объема. Такое движение жидкости обладает завихренностью, поэтому наряду с поступательным движением объема жидкости происходит и вращательное движение. Топкие слои неустойчивы, они распадаются на отдельные вихри, уносимые потоком. Вихри располагаются за цилиндром в шахматном порядке (рис. 3.13), так как симметричное расположение вихрей-один над другим в дорожке - неустойчиво, что подтверждается многочисленными опытами и наблюдениями натуры. Вихри срываются не только с круглого цилиндра, но и с тел любой формы. Вихревую дорожку за круглым цилиндром называют дорожкой Бенара - Кармана, а часто- просто Кармана.

Рис. 3.12. Давление на круглый цилиндр в потоке вязкой жидкости

; - до кризиса; 2 - после кризиса

Подобная же картина распределения скоростей воздушного потока наблюдается у поверхности земли (см. рис. 3.2,в). Градиент скорости ветра уменьшается по мере удаления от поверхности земли, т. е. поток воздуха с высотой делается более раз-еомерным.

Опыты по продувке гладких круглых труб - цилиндров <ЦАГИ, Геттинген и др.) показывают, что коэффициент лобового сопротивления Сх в интервале чисел Рейнольдса приблизитель-«о Re= 1,6-lO-f-1,8-10 остается примерно постоянным и равным •1,2, затем резко падает в области Re= 1,8-105-f-3,5-10 (см. рис. 3.8), достигает минимума при Re-=5,5-10, а потом он мед-

-------------------

( t\ I С:Г- Скорость виирей и = ОМ V

-- 1,43а -

Л I = 0.7S

Рис. 3.13. Схема вихревой дорожки за круглым цилиндром

ленно возрастает. Для гладкого полированного круглого цилннд-ра наименьшее значение коэффициента Сх равно 0,3. Область резкого падения коэффициента Сх называется критической. Положение ее в ряде чисел Рейнольдса зависит, что очень важно, «от начальной степени турбулентности потока воздуха и шероховатости поверхности цилиндра, с увеличением которых кризис обтекания наступает раньше (см. рис. 3.8).

Коэффициент лобового сопротивления гладкого круглого цилиндра до кризиса обтекания, не считая области малых чисел Re, принимается многими равными 1,2, по другим данным, он немного более единицы (НАСА - Национальный совещательный комитет по аэронавтике, США).

При числах Re<10 силы вязкости играют преобладающую роль по сравнению с силами давления; здесь поток, окружающий цилиндр, имеет ламинарный характер, а линии тока приближаются к линиям тока в условиях полного обтекания. За цилиндром тянется колеблющаяся струя воздуха (см. рис. 3.11,а), распадающаяся в дальнейшем на отдельные вихри. В области чисел Рейнольдса 2,5-102<Re<10 т. е. до кризиса, движение в пограничном слое ламинарное, а за цилиндром образуется вих-реобразная область с пониженным давлением. Отрыв пограничного слоя происходит несколько впереди наибольшего (миделе-вого) сечения цилиндра (см. рис. 3.11,б). Давление на цилиндр в этой области чисел Рейнольдса определяется главным образом давлением от разрежения р<ро за цилиндром. При дальнейшем увеличении чисел Рейнольдса (Re= 1,8-10*-=-3,5-10*) происходит кризис: точки Б и В (точнее, линия) отрыва погра-