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

ничного слоя располагаются за наибольшим сечением (см. рис. 3.11,s). Характер обтекания цилиндра приближается к полному обтеканию, и, несмотря на увеличение сил трения, коэффициент лобового сопротивления цилиндра резко падает, так как область разрежения значительно сузилась. Круглый цилиндр в закритической области как бы приближается к хорошо обтекаемым телам, что весьма важно для проектирования строительных конструкций.

Подобная картина наблюдается у цилиндров квадратного, прямоугольного, треугольного и ромбовидного сечений с радиусом скругления кромок, соизмеримым с характерным размером тела. При числах Рейнольдса около (3-=-10) -10 у них наступает, как и у круглого цилиндра, кризис обтекания, коэффициент лобового сопротивления их резко падает, достигает минимума, а затем возрастает значительно быстрее, чем коэффициент сопротивления круглого цилиндра. Кризис наступает тем раньше, чем больше радиус скругления кромок (НАСА).

Скругление острых кромок тел понижает их лобовое сопротивление и до кризиса. Это особенно заметно у прямоугольных цилиндров (призм), большой стороной направленных по потоку.

Сопротивление тела зависит от степени турбулентности потока, потому что с ростом ее ускоряется переход пограничного слоя из ламинарного в турбулентный. Турбулентность сильнее сказывается на сопротивлении хорошо обтекаемых тел, у которых оно определяется по преимуществу формой тела. У круглого цилиндра до кризиса турбулентность может понизить величину коэффициента лобового сопротивления до 50% значения в потоке с малой пульсацией скорости. После кризиса коэффициент Сх незначительно - до 10%-возрастает с ростом степени турбулентности даже до 8= 5-т-10%.

Влияние турбулентности на плохо обтекаемые пластинки и тела, у которых нет кризиса обтекания, незначительно.

Вообще коэффициент лобового сопротивления цилиндра зависит не только от числа Рейнольдса и шероховатости поверхности, но и от начальной турбулентности потока.

Строителя интересуют нагрузки на сооружения, расположенные на поверхности земли, т. е. в условиях сильной турбулентности. Поэтому мол<ег оказаться, что данные исследований моделей в аэродинамической трубе с малой, искусственно сниженной, турбулентностью окажутся в несоответствии с сопротивлением тела в действительных условиях.

Лобовое сопротивление разнообразных по форме тел, например приведенных на рис. 3.5, по старой теории (Ньютона), должно быть одинаковым, поскольку их наветренная площадь равна одной и той же площади круга. По современной гидродинамической теории сопротивления жидкости движущемуся в ней телу, лобовое сопротивление определяется в значительной мере процессами, происходящими позади тела и зависящими в основ-

4-1138 49

ном от формы его кормовой части. Вот почему при равной наветренной площади сопротивление стойки во много раз меньше сопротивления плоской пластинки (см. рис. 3.5). С увеличение.ад размеров тела по потоку его сопротивление становится меньше, затем оно немного растет вследствие увеличения сил трения.

Для создания хорошо обтекаемого тела ему придают такую форму, при которой струи жидкости, обтекающие его снизу и

сверху (справа и слева), отрываются на небольшом расстоянии друг от друга, как у тела в виде профильной пластинки с заостренной кормовой частью (рис. 3.14). У такого тела отрыв потока происходит у задней кромки, поэтому область разрежения очень мала. Иначе говоря, происходит почти полное обтекание, и лобовое сопротивление тела в основном определяется силами трения, которые малы. Если у профильной пластинки по рис. 3.14 оставить переднюю притуплённую (закругленную) часть, а заднюю (заостренную) отсечь, то ее сопротивление увеличится в десять раз. При отношении ширины к толщине, равном 3, коэффициент лобового сопротивления профильной пластинки, например стойки, равен 0,06-0,08.

Рис. 3.14. Хорошо обтекаемое тело

Of Oh 0.2

Рис. 3.15. Влияние шероховатости иа коэффициент лобового сопротивления круглого цилиндра (Штутгарт и др.)

Меньшие значения коэффициента относятся к пластинке с более гладкой поверхностью. Еще меньший коэффициент Са;=0,026 будет у веретенообразного тела вращения с передним притуплённым концом и задним вытянутым и заостренным.

При больших числах Рейнольдса коэффициент лобового сопротивления шероховатых круглых цилиндров больше, чем

гладких (рис. 3.15). Критическая область у цилиндра начинается тем раньше, чем больше его шероховатость, поэтому в определенном интервале чисел Re коэффициент шероховатого мол<ет быть меньше Сх гладкого.

В закризисной области коэффициент лобового сопротивление шероховатого цилиндра растет быстрее и становится в 2- 3 раза больше коэффициента сопротивления гладкого цилиндра.

Малая толщина пограничного слоя позволяет влиять на него с помощью небольших по высоте препятствий на пути двилсения слоя: создавать явную подъемную силу, препятствовать синхронным срывам вихрей по длине цилиндра и др. Таким активным вмешательством в характер обтекания тела можно изменять его поведение в нужном направлении, например для гашения вибрации.

Расположенные на гладкой трубе обстройки, даже малой высоты по сравнению с диаметром трубы, существенно повышают аэродинамическое сопротивление. Такие детали качественно изменяют картину обтекания цилиндра - отрыв пограничного слоя происходит с острых краев деталей. Область пониженного давления расширяется, что приводит к увеличению лобового сопротивления. Обтекание цилиндра становится как бы докризисным.

Строительные конструкции расположены на земле, в непосредственной близости от них часто размещены другие, поэтому учет взаимного влияния обязателен, так как поток будет сильно возмущенным. Профиль скорости у земли зависит от шероховатости ее поверхности, поэтому распределение давления по высоте натуры будет отличаться от условий в аэродинамической трубе. В этой связи размеры (высоту) зерен на поверхности модели делают пропорционально уменьшению характерного размера прототипа. Несоблюдение масштаба шероховатости поверхности земли приводит к существенным ошибкам при суждении о распределении давления по поверхности тела. Ошибка в величине давления в области разрежения может быть до 300%, например у здания с двускатной крышей. Ошибка в давлении на наветренную сторону (стену) этого здания меньше -до 30%,

Изучение объектов строительства проводят на геометрически и аэродинамически подобных моделях, включая одели ров а ние шероховатости и, что не менее важно, учитывая шероховатость поверхности земли вблизи объекта. Важно также выполнять требования одинаковой степени турбулентности потока в аэродинамической трубе и в свободной атмосфере.

Рассмотрим круглый цилиндр, в аэродинамическом - кильватерном следе которого и параллельно переднему распололсен другой цилиндр равного диаметра (рис. 3.16). При расстоянии между цилиндрами до М между ними образуется застойная зона интенсивной завихренности. Они как бы объединяются в одно, по более сложное, тело. Давление между ними менее статиче-