Пусть круглый цилиндр, способный свободно вращаться на своей оси, вносится в струю воды или в область границы воздушного потока. В некотором интервале погружений, в противоположность упомянутому эффекту Коапда, цилиндр выталкивается из потока и при этом вращается в направлении, обратном ожидаемому, - против «мельничного колеса»! Такой эффект наблюдается только при условии двухстороннего обтекания цилиндра. Если цилиндр заглублен настолько мало, что обтекает лишь с одной стороны, он вращается «правильно». Но величина этого порогового заглубления весьма мала. При продолжении заглубления направление вращения становится «встречным», затем достигается максимум скорости, ее падение и, наконец, полная остановка, когда цилиндр полностью погружается в поток.

Если речь идет о тонкой струе, сравнимой по толщине с диаметром цилиндра, то при аномальном вращении струя сильно отклоняется от цилиндра, который может быть далеко заглублен за геометрическую ось невозмущенной струи. Однако в некоторый момент струя скачком перебрасывается по другую сторону цилиндра, и он начинает вращаться в обратном направлении, так что явление носит гистерезисный характер. Как выяснилось, эффект наблюдается не только для цилиндра, но и для шара и на границе плоских и осесимметричных струй, как водяных, так и воздушных .

Рассматриваемое явление, благодаря сочетанию вращения и выталкивающей силы, внешне напоминает эффект Магнуса, однако имеет совершенно иную природу. Эффект Магнуса состоит в том, что принудительно вращающийся цилиндр или шар испытывает со стороны набегающего потока действие поперечной силы, связанной с принудительной циркуляцией. Если поток однороден, то при нулевой скорости вращения поперечная сила отсутствует. Рассматриваемые здесь эффекты аномального вращения и силового взаимодействия возникают спонтанно, под действием механизма, обусловленного неоднородностью потока. При этом сила действует и на неподвижное обтекаемое тело. Угловая скорость вращения свободного цилиндра оказывается точно пропорциональной скорости натекающего потока. Это позволяет считать обтекание приближенно невязким, но с некоторой циркуляцией, для определения которой необходимо обобщить постулат Жуковского - Чаплыгина о конечности скорости на острой кромке крыла на случай гладкого контура. Такое обобщение предполагает, что вырабатываемая циркуляция минимизирует максимум скорости на контуре обтекаемого тела. Данный минимаксный принцип позволяет качественно и отчасти количественно верно предсказывать направление и величину циркуляции в различных условиях обтекания.

Пример: Qэл = 10000 Вт; Qпеч = 90000 Вт; Qв = 50000 Вт;

Qогр = 100000 Вт; Qинф = 20000 Вт; Qс. р. = 25000 Вт.

Решение. Для теплого периода уравнение теплового баланса (2.1) примет вид

https://pandia.ru/text/78/162/images/image038.gif" width="388" height="24 src=">

Для холодного периода

Ассимиляция" href="/text/category/assimilyatciya/" rel="bookmark">ассимилировать вентиляцией :

DIV_ADBLOCK99">

Воздушные потоки – струи, образующиеся в помещении, переносят поступающие в воздух вредные выделения и формируют в объеме воздуха помещения поля скоростей, температур и концентраций.

Знание того, как изменяются в струе по мере ее распространения скорости, температуры и концентрации, позволяет проектировать экономичные и эффективные системы вентиляции и воздушного отопления.

Воздушной струей называют направленный поток с конечными поперечными размерами.

В технике вентиляции струи воздуха истекают в помещение, также заполненное воздухом. Такие струи называются затопленными .

Струю называют свободной , если она истекает в достаточно большое пространство и не имеет никаких помех для своего свободного развития. Если на развитие струи ограждающие конструкции помещения оказывают какое-либо воздействие, то такую струю называют несвободной или стесненной.

Струя, истекающая из отверстия, расположенного вблизи какой-либо плоскости (например, потолка помещения), параллельно этой плоскости называется настилающейся .

Различают струи изотермические и неизотермические. В изотермической струе температура во всем ее объеме одинакова и равна температуре окружающего воздуха. В неизотермической струе начальная температура приточного воздуха ниже или выше температуры окружающего воздуха.

В зависимости от гидродинамического режима струя может быть ламинарной или турбулентной. Приточные вентиляционные струи всегда турбулентны.

На перемещение воздуха затрачивается энергия: тепловая, источником которой являются нагретые поверхности, или механическая, источником которой можно считать вентилятор , или сочетание тепловой и механической энергии вместе. Следовательно, по виду энергии, расходуемой на образование струи, различают механические и конвективные струи.

Все приточные струи можно разделить на 2 группы: 1 – с параллельными векторами скоростей истечения; 2 – с векторами скоростей истечения, составляющими между собой некоторой угол.

Конструкция воздухораспределительного устройства, в том числе воздуховыпускного отверстия, определяет форму и направление приточной струи и характер ее развития в помещении.

В зависимости от конструкции воздухораспределителя струи могут быть прямоточными или закрученными.

Прямоточные струи подразделяются на компактные и плоские , у которых векторы скорости на истечении параллельны между собой, а также веерные и конические , у которых векторы скорости на истечении образуют некоторой угол.

Закрученные струи , у которых векторы скорости на истечении складываются из векторов скорости поступательного и вращательного движения, подразделяются на компактные и конические.

Компактные струи образуются при истечении воздуха из отверстий круглой формы или формы, близкой к квадратной.

Струя, истекающая из круглого отверстия, остается осесимметричной по всей длине своего развития (круглая струя). При истечении из квадратного или прямоугольного отверстия струя в начале не будет осесимметричной, но на некотором расстоянии от насадка преобразуется в осесимметричную. При истечении воздуха из круглого отверстия с диффузорами для принудительного расширения образуется также компактная струя, которая будет осесимметрична по всей длине; такую струю называют конической.

Плоские струи образуются при истечении воздуха из щелевых отверстий бесконечной длины (в реальных условиях – при соотношении сторон больше 20).

Струя, истекающая из щелевого отверстия из плоской постепенно трансформируется в эллипсовидную и на расстоянии в круглую (за d усл . принимают корень квадратный из площади щели).

Веерные струи образуются при принудительном увеличении угла раскрытия струи. Различают полные веерные струи, у которых угол раскрытия составляет 360 0 и неполные, у которых этот угол менее 360 0.

Закрученные струи образуются при установке закручивающих устройств в подводящем патрубке воздухораспределителя или при тангенциальном подводе воздуха к воздухораспределителю. Они имеют форму компактной или конической струи.

Независимо от формы, струи, у которых при истечении нет принудительного изменения их направления, на некотором расстоянии от насадка расширяются; угол бокового расширения α = 12025".

Изучение струй проводилось многими исследователями. Наиболее глубокое и полное исследование струй принадлежит, .

Свободная изотермическая струя

Турбулентная струя, как и всякое турбулентное истечение, характеризуется интенсивным поперечным перемещением частиц. Вследствие этого периферийные слои струи подтормаживаются, а слои окружающего неподвижного воздуха, находящиеся вблизи струи, приходят в движение. В результате создается пограничный слой струи, который по направлению течения непрерывно утолщается. Таким образом, размеры струи по течению увеличиваются, масса ее растет, а скорость убывает.

Перенос вихревых масс, обуславливающий изменение скоростей в струе, обуславливает также распределение в струе концентраций (а для неизотермических струй – и температур).

Упрощенная схема свободной турбулентной изотермической струи представлена на рис. 3.1.

Воздух, вытекая из сопла, образует струю с криволинейными границами АВС и ДЕF. В струе различают два участка: начальный АВЕД и основной CBEF. Сечение ВЕ называют переходным сечением.

Границы основного участка ВС и EF при их продолжении пересекаются в точке М, называемой полюсом струи. При равномерном начальном поле скоростей полюс находится в плоскости начала истечения, т. е. х0 ≈ 0. боковой угол расширения основного участка струи α = 12025".

На начальном и основном участках закономерности развития струи различны.

https://pandia.ru/text/78/162/images/image045.gif" width="176" height="63">, (3.1)

где υос – осевая скорость в рассматриваемой точке;

υ0 – начальная скорость;

β0 – поправочный коэффициент на количество движения в

воздуховыпускном сечении. При равномерном поле скоростей

- относительное расстояние, т. е. отношение расстояния от

отверстия х к радиусу отверстия R 0 ; ;

https://pandia.ru/text/78/162/images/image049.gif" width="55" height="52">.

Основываясь на экспериментальных данных, можно принимать следующие значения относительного полюсного расстояния:

Длину начального участка l 0 при равномерном поле скоростей истечения можно определить по формуле

Плоская свободная изотермическая струя

В плоской струе так же, как и в круглой, различают полюсное расстояние, начальный и основной участки.

Понятие полюса плоской струи условно; обычно полюс представляет собой точку; в данном же случае - это прямая линия, образованная пересечением граничных плоскостей основного участка струи.

Относительная осевая скорость воздуха в рассматриваемой точке поперечного сечения струи по теории в обработке.

, (3.3)

где β0 – то же, что в формуле (3.1); β0 = 1;

https://pandia.ru/text/78/162/images/image052.gif" width="63 height=55" height="55">;

Относительное полюсное расстояние, т. е. отношение

полюсного расстояния х0 к полуширине воздуховыпускной

щели В0 ; .

При равномерном поле скоростей истечения =0; β0 =1 длина начального участка

Свободная неизотермическая струя

В неизотермической струе действуют инерционные и гравитационные силы; действие гравитационных сил искривляет струю вверх или вниз (рис.3.2).

https://pandia.ru/text/78/162/images/image056.gif" width="456" height="304">

Рис. 3.2. Искривление неизотермической струи

Характеристикой неизотермической струи служит безразмерный комплекс, предложенный и, называемый критерием Архимеда

, (3.5)

где g – ускорение свободного падения;

R 0 – радиус насадка; для щели принимается половина ширины щели

t 0 и t окр – температура воздуха соответственно в начале струи и в

окружающем пространстве;

Токр – абсолютная температура воздуха в окружающем

пространстве;

υ0 – начальная скорость.

Этот комплекс характеризует соотношение инерционных и гравитационных сил.

В слабо нагретых или слабо охлажденных струях, для которых критерий Архимеда по абсолютному значению меньше 0,0005, влияние гравитационных сил сказывается незначительно, и такие струи развиваются в пространстве без заметного искривления.

Если бы струя, вытекающая из насадка под начальным углом α0 , была изотермическая или слабо нагретая, то ее ось была бы прямолинейна и направлена к горизонту под углом α0 , т. е. была бы представлена линией S. Под действием архимедовой силы струя искривляется, и уравнение оси искривленной оси по теории в обработке имеет вид:

где а – коэффициент, характеризующий начальную турбулентность

струи, принимаемый по экспериментальным данным (табл. 3.1)

Таблица 3.1

Конструкция насадка
Цилиндрический
Щелевидный
Квадратный

Разность температур на оси струи и окружающего воздуха (по)

. (3.6)

Задача 3.1. Воздух в количестве L, м3/ч, со скоростью υо, м/с подается в помещение из воздухораспределителя, создающего компактную струю. Определить величину осевой скорости υос на расстоянии от воздуховыпускающего отверстия х, м, и длину начального участка lо (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Исходные данные к задаче 3.1

Рис. 49. Воздушная струя из конца круглой трубы.

На рис. 49 показана структура воздушной струи, вытекающей из открытого конца цилиндрической трубы. Струя по выходе из отверстия расширяется. Измерения показывают, что по мере удаления от отверстия скорость в расширяющемся потоке уменьшается, а температура и концентрация газовых примесей изменяются в тех случаях, когда температура воздуха в помещении и содержание в нем одноименных газов отличаются от начальных, характеризующих струю. Расширение струи, падение скорости, а также изменение температуры и концентрации примесей происходят вследствие того, что приточной струей вовлекается в поток (подсасывается) окружающий воздух. Подмешивание начинается у внешних границ и постепенно проникает в глубь струи. В результате по длине струи образуются два участка - начальный и основной. В начальном участке, где массы воздуха из помещения еще не успели полностью смешаться со струей, сохраняется конусообразное ядро (незаштрихованная часть на рис. 49) с начальными параметрами потока. В основном участке струи ядро уже полностью размыто.

Указанные особенности строения струи очень важны с точки зрения гигиены. Если голова рабочего попадает в начальный участок струи приточного воздуха, то он будет дышать чистым воздухом, даже если атмосфера помещения значительно загрязнена.

То обстоятельство, что концентрация примесей и температура не только в начальном, но в основном участке струи могут отличаться от соответственных в окружающей среде, позволяет приточную струю в целом использовать для создания ограниченной зоны более чистого, чем в помещении, воздуха и в зависимости от гигиенических требований более теплого (в холодных помещениях) или более холодного (в горячих цехах).

Установлено, что угол расширения начального участка струи зависит от формы приточного насадка. Наименьшим угол оказывается при вытекании воздуха из открытого сечения цилиндрической трубы. Если принять отверстие другой формы, а также если снабдить отверстие решеткой или другим приспособлением, возмущающим течение струи, то угол расширения увеличится, а скорости течения воздуха вдоль струи будут уменьшаться быстрее, так как подмешивание окружающего воздуха окажется более интенсивным. При этом соответственно укоротится начальный участок - наиболее чистая область струи. К увеличению угла расширения начального участка струи прибегают, если необходимо увеличить площадь зоны, обдуваемой струей. Угол расширения основного участка струи практически не зависит от формы приточного насадка и во всех случаях примерно равен 22°.

Характерным свойством приточной струи является ее дальнобойность. Скорость в струе, хотя и уменьшается по мере отдаления от приточного отверстия, но может быть ощутима еще на значительных расстояниях. При этом уменьшение скорости происходит тем медленнее, чем (при прочих равных условиях) больше размеры отверстия.

Дальнобойность приточной струи является положительным свойством в тех случаях, когда гигиеническое задание требует обдувания тела воздушным потоком при значительном удалении рабочего от приточного отверстия. Дальнобойность используется также при устройстве воздушной завесы и в случаях, когда струей можно отклонить поток загрязненного воздуха в зону действия вытяжного воздухоприемника.

Если необходимо избежать ощущения неприятного дутья, например при устройстве общеобменной вентиляции, дальнобойность стремятся уменьшить и выпускать воздух с малыми скоростями, чтобы на рабочем месте получить допускаемую подвижность (0,2-0,5 м/сек). Быстрого уменьшения начальной скорости и рассеяния потока можно добиться путем применения специальных конструкций воздухораспределителей. На условия распространения приточной струи влияет ее температура. Если температура струи и окружающей среды одинакова, ось струи прямолинейна. Если воздух струи теплее, чем воздух помещения, то ось струи загибается вверх, а при температуре воздуха струи более низкой, чем в помещении, ось струи искривляется книзу.

Изложенные положения относятся к так называемой свободной струе, вытекающей в неограниченное пространство, т. е. практически при распространении вдали от ограждений помещения. Если расширяющаяся струя касается поверхности стены, потолка или пола, то она «налипает» на эту поверхность. Структура струи при этом изменяется - она начинает расширяться односторонне и дальнобойность ее увеличивается.

Ламинарный - это воздушный поток, в котором струйки воздуха движутся в одном направлении и параллельны друг другу. При увеличении скорости до определенной величины струйки воздушного потока кроме поступательной скорости также приобретают быстро меняющиеся скорости, перпендикулярные к направлению поступательного движения. Образуется поток, который называется турбулентным, т. е. беспорядочным.

Пограничный слой

Пограничный слой - это слой, в котором скорость воздуха изменяется от нуля до величины, близкой к местной скорости воздушного потока.

При обтекании тела воздушным потоком (Рис. 5) частицы воздуха не скользят по поверхности тела, а тормозятся, и скорость воздуха у поверхности тела становится равной нулю. При удалении от поверхности тела скорость воздуха возрастает от нуля до скорости течения воздушного потока.

Толщина пограничного слоя измеряется в миллиметрах и зависит от вязкости и давления воздуха, от профиля тела, состояния его поверхности и положения тела в воздушном потоке. Толщина пограничного слоя постепенно увеличивается от передней к задней кромке. В пограничном слое характер движения частиц воздуха отличается от характера движения вне его.

Рассмотрим частицу воздуха А (Рис. 6), которая находится между струйками воздуха со скоростями U1 и U2, за счет разности этих скоростей, приложенных к противоположным точкам частицы, она вращается и тем больше, чем ближе находится эта частица к поверхности тела (где разность скоростей наибольшая). При удалении от поверхности тела вращательное движение частицы замедляется и становится равным нулю ввиду равенства скорости воздушного потока и скорости воздуха пограничного слоя.

Позади тела пограничный слой переходит в спутную струю, которая по мере удаления от тела размывается и исчезает. Завихрения в спутной струе попадают на хвостовое оперение самолета и снижают его эффективность, вызывают тряску (явление Бафтинга).

Пограничный слой разделяют на ламинарный и турбулентный (Рис. 7). При установившемся ламинарном течении пограничного слоя проявляются только силы внутреннего трения, обусловленные вязкостью воздуха, поэтому сопротивление воздуха в ламинарном слое мало.

Рис. 5

Рис. 6 Обтекание тела воздушным потоком - торможение потока в пограничном слое

Рис. 7

В турбулентном пограничном слое наблюдается непрерывное перемещение струек воздуха во всех направлениях, что требует большего количества энергии для поддерживания беспорядочного вихревого движения и, как следствие этого, создается большее по величине сопротивление воздушного потока движущемуся телу.

Для определения характера пограничного слоя служит коэффициент Cf. Тело определенной конфигурации имеет свой коэффициент. Так, например, для плоской пластины коэффициент сопротивления ламинарного пограничного слоя равен:

для турбулентного слоя

где Re - число Рейнольдса, выражающее отношение инерционных сил к силам трения и определяющее отношение двух составляющих - профильное сопротивление (сопротивление формы) и сопротивление трения. Число Рейнольдса Re определяется по формуле:

где V - скорость воздушного потока,

I - характер размера тела,

кинетический коэффициент вязкости сил трения воздуха.

При обтекании тела воздушным потоком в определенной точке происходит переход пограничного слоя из ламинарного в турбулентный. Эта точка называется точкой перехода. Расположение ее на поверхности профиля тела зависит от вязкости и давления воздуха, скорости струек воздуха, формы тела и его положения в воздушном потоке, а также от шероховатости поверхности. При создании профилей крыльев конструкторы стремятся отнести эту точку как можно дальше от передней кромки профиля, чем достигается уменьшение сопротивления трения. Для этой цели применяют специальные ламинизированные профили, увеличивают гладкость поверхности крыла и ряд других мероприятий.

При увеличении скорости воздушного потока или увеличении угла положения тела относительно воздушного потока до определенной величины в некоторой точке происходит отрыв пограничного слоя от поверхности, при этом резко уменьшается давление за этой точкой.

В результате того, что у задней кромки тела давление больше чем за точкой отрыва, происходит обратное течение воздуха из зоны большего давления в зону меньшего давления к точке отрыва, которое влечет за собой отрыв воздушного потока от поверхности тела (Рис. 8).

Ламинарный пограничный слой отрывается легче от поверхности тела, чем турбулентный.

Уравнение неразрывности струи воздушного потока

Уравнение неразрывности струи воздушного потока (постоянства расхода воздуха) - это уравнение аэродинамики, вытекающее из основных законов физики - сохранения массы и инерции - и устанавливающее взаимосвязь между плотностью, скоростью и площадью поперечного сечения струи воздушного потока.

Рис. 8

Рис. 9

При рассмотрении его принимают условие, что изучаемый воздух не обладает свойством сжимаемости (Рис. 9).

В струйке переменного сечения через сечение I протекает за определенный промежуток времени секундный объем воздуха, этот объем равен произведению скорости воздушного потока на поперечное сечение F.

Секундный массовый расход воздуха m равен произведению секундного расхода воздуха на плотность р воздушного потока струйки. Согласно закону сохранения энергии, масса воздушного потока струйки m1, протекающего через сечение I (F1), равна массе т2 данного потока, протекающего через сечение II (F2), при условии, если воздушный поток установившийся:

m1=m2=const, (1.7)

m1F1V1=m2F2V2=const. (1.8)

Это выражение и называется уравнением неразрывности струи воздушного потока струйки.

F1V1=F2V2= const. (1.9)

Итак, из формулы видно, что через различные сечения струйки в определенную единицу времени (секунду) проходит одинаковый объем воздуха, но с разными скоростями.

Запишем уравнение (1.9) в следующем виде:

Из формулы видно, что скорость воздушного потока струи обратно пропорциональна площади поперечного сечения струи и наоборот.

Тем самым уравнение неразрывности струи воздушного потока устанавливает взаимосвязь между сечением струи и скоростью при условии, что воздушный поток струи установившийся.

Статическое давление и скоростной напор уравнение Бернулли

воздух самолет аэродинамика

Самолет, находящийся в неподвижном или подвижном относительно него воздушном потоке, испытывает со стороны последнего давление, в первом случае (когда воздушный поток неподвижен) - это статическое давление и во втором случае (когда воздушный поток подвижен) - это динамическое давление, оно чаще называется скоростным напором. Статическое давление в струйке аналогично давлению покоящейся жидкости (вода, газ). Например: вода в трубе, она может находиться в состоянии покоя или движения, в обоих случаях стенки трубы испытывают давление со стороны воды. В случае движения воды давление будет несколько меньше, так как появился скоростной напор.

Согласно закону сохранения энергии, энергия струйки воздушного потока в различных сечениях струйки воздуха есть сумма кинетической энергии потока, потенциальной энергии сил давления, внутренней энергии потока и энергии положения тела. Эта сумма - величина постоянная:

Екин+Ер+Евн+Еп=сопst (1.10)

Кинетическая энергия (Екин) - способность движущегося воздушного потока совершать работу. Она равна

где m - масса воздуха, кгс с2м; V-скорость воздушного потока, м/с. Если вместо массы m подставить массовую плотность воздуха р, то получим формулу для определения скоростного напора q (в кгс/м2)

Потенциальная энергия Ер - способность воздушного потока совершать работу под действием статических сил давления. Она равна (в кгс-м)

где Р - давление воздуха, кгс/м2; F - площадь поперечного сечения струйки воздушного потока, м2; S - путь, пройденный 1 кг воздуха через данное сечение, м; произведение SF называется удельным объемом и обозначается v, подставляя значение удельного объема воздуха в формулу (1.13), получим

Внутренняя энергия Евн - это способность газа совершать работу при изменении его температуры:

где Cv - теплоемкость воздуха при неизменном объеме, кал/кг-град; Т-температура по шкале Кельвина, К; А - термический эквивалент механической работы (кал-кг-м).

Из уравнения видно, что внутренняя энергия воздушного потока прямо пропорциональна его температуре.

Энергия положения En - способность воздуха совершать работу при изменении положения центра тяжести данной массы воздуха при подъеме на определенную высоту и равна

где h - изменение высоты, м.

Ввиду мизерно малых значений разноса центров тяжести масс воздуха по высоте в струйке воздушного потока этой энергией в аэродинамике пренебрегают.

Рассматривая во взаимосвязи все виды энергии применительно к определенным условиям, можно сформулировать закон Бернулли, который устанавливает связь между статическим давлением в струйке воздушного потока и скоростным напором.

Рассмотрим трубу (Рис. 10) переменного диаметра (1, 2, 3), в которой движется воздушный поток. Для измерения давления в рассматриваемых сечениях используют манометры. Анализируя показания манометров, можно сделать заключение, что наименьшее динамическое давление показывает манометр сечения 3-3. Значит, при сужении трубы увеличивается скорость воздушного потока и давление падает.

Рис. 10

Причиной падения давления является то, что воздушный поток не производит никакой работы (трение не учитываем) и поэтому полная энергия воздушного потока остается постоянной. Если считать температуру, плотность и объем воздушного потока в различных сечениях постоянными (T1=T2=T3;р1=р2=р3, V1=V2=V3), то внутреннюю энергию можно не рассматривать.

Значит, в данном случае возможен переход кинетической энергии воздушного потока в потенциальную и наоборот.

Когда скорость воздушного потока увеличивается, то увеличивается и скоростной напор и соответственно кинетическая энергия данного воздушного потока.

Подставим значения из формул (1.11), (1.12), (1.13), (1.14), (1.15) в формулу (1.10), учитывая, что внутренней энергией и энергией положения мы пренебрегаем, преобразуя уравнение (1.10), получим

Это уравнение для любого сечения струйки воздуха пишется следующим образом:

Такой вид уравнения является самым простым математическим уравнением Бернулли и показывает, что сумма статического и динамического давлений для любого сечения струйки установившегося воздушного потока есть величина постоянная. Сжимаемость в данном случае не учитывается. При учете сжимаемости вносятся соответствующие поправки.

Для наглядности закона Бернулли можно провести опыт. Взять два листка бумаги, держа параллельно друг другу на небольшом расстоянии, подуть в промежуток между ними.

Рис. 11

Листы сближаются. Причиной их сближения является то, что с внешней стороны листов давление атмосферное, а в промежутке между ними вследствие наличия скоростного напора воздуха давление уменьшилось и стало меньше атмосферного. Под действием разности давлений листки бумаги прогибаются вовнутрь.

Аэродинамические трубы

Экспериментальная установка для исследования явлений и процессов, сопровождающих обтекание тел потоком газа называется аэродинамической трубой. Принцип действия аэродинамических труб основан на принципе относительности Галилея: вместо движения тела в неподвижной среде изучается обтекание неподвижного тела потоком газа В аэродинамических трубах экспериментально определяются действующие на ЛА аэродинамические силы и моменты исследуются распределения давления и температуры по его поверхности, наблюдается картина обтекания тела, изучается аэроупругость и т д.

Аэродинамические трубы зависимости от диапазона чисел Маха М разделяются на дозвуковые (М=0,15-0,7), трансзвуковые (М=0,7-1 3), сверхзвуковые (М=1,3-5) и гиперзвуковые (М=5-25), по принципу действия - на компрессорные (непрерывного действия), в которых поток воздуха создается спец компрессором, и баллонные с повышенным давлением, по компоновке контура - на замкнутые и незамкнутые.

Компрессорные трубы имеют высокий кпд, они удобны в работе, но требуют создания уникальных компрессоров с большими расходами газа и большой мощности. Баллонные аэродинамические трубы по сравнению с компрессорными менее экономичны, поскольку при дросселировании газа часть энергии теряется. Кроме того, продолжительность работы баллонных аэродинамических труб ограничена запасом газа в баллонах и составляет для различных аэродинамических труб от десятков секунд до несколько минут.

Широкое распространение баллонных аэродинамических труб обусловлено тем, что они проще по конструкции а мощности компрессоров, необходимые для наполнения баллонов, относительно малы. В аэродинамических трубах с замкнутым контуром используется значительная часть кинетической энергии, оставшейся в газовом потоке после его прохождения через рабочую область, что повышает КПД трубы. При этом, однако, приходится увеличивать общие размеры установки.

В дозвуковых аэродинамических трубах исследуются аэродинамические характеристики дозвуковых самолетов вертолетов а также характеристики сверхзвуковых самолетов на взлетно-посадочных режимах. Кроме того, они используются для изучения обтекания автомобилей и др. наземных транспортных средств, зданий, монументов, мостов и др. объектов На рис показана схема дозвуковой аэродинамической трубы с замкнутым контуром.

Рис. 12

1- хонейкомб 2 - сетки 3 - форкамера 4 - конфузор 5 - направление потока 6 - рабочая часть с моделью 7 - диффузор, 8 - колено с поворотными лопатками, 9 - компрессор 10 - воздухоохладитель

Рис. 13

1 - хонейкомб 2 - сетки 3 - форкамера 4 конфузор 5 перфорированная рабочая часть с моделью 6 эжектор 7 диффузор 8 колено с направляющими лопатками 9 выброс воздуха 10 - подвод воздуха от баллонов

Рис. 14

1 - баллон со сжатым воздухом 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - выравнивающие сетки 5 - хонейкомб 6 - детурбулизирующие сетки 7 - форкамера 8 - конфузор 9 - сверхзвуковое сопло 10 - рабочая часть с моделью 11 - сверхзвуковой диффузор 12 - дозвуковой диффузор 13 - выброс в атмосферу

Рис. 15

1 - баллон с высоким давлением 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - подогреватель 5 - форкамера с хонейкомбом и сетками 6 - гиперзвуковое осесимметричное сопло 7 - рабочая часть с моделью 8 - гиперзвуковой осесимметричный диффузор 9 - воздухоохладитель 10 - направление потока 11 - подвод воздуха в эжекторы 12 - эжекторы 13 - затворы 14 - вакуумная емкость 15 - дозвуковой диффузор

ЛАМИНАРНЫЙ И ТУРБУЛЕНТНЫЙ ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК

УСТАНОВИВШИЙСЯ ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК

Установившимся воздушным потоком называется такое течение воздуха, при котором скорость потока в любой точке, а также основные параметры (давление, температура и плотность) не изменяются с течением времени. То есть, если через определенные промежутки времени мы в одной и той же точке будем измерять скорость и другие параметры воздуха и при всех измерениях величины параметров одинаковы, то этот воздушный поток установившийся. Если же измеряемые величины меняются, то поток - неустановившийся. В аэродинамике рассматривают только установившийся воздушный поток. Основным понятием аэродинамики является понятие элементарной струйки воздуха.

Элементарная струйка - это мысленно выделенный поток (небольшой замкнутый контур в виде трубки), через боковую поверхность которого воздух протекать не может ни вовнутрь, ни наружу.

Ламинарный - это воздушный поток, в котором струйки воздуха движутся в одном направлении и параллельны друг другу. При увеличении скорости до определенной величины струйки воздушного потока кроме поступательной скорости также приобретают быстро меняющиеся скорости, перпендикулярные к направлению поступательного движения. Образуется поток, который называется турбулентным, т. е. беспорядочным.

Пограничный слой - это слой, в котором скорость воздуха изменяется от нуля до величины, близкой к местной скорости воздушного потока.

При обтекании тела воздушным потоком (Рис. 5) частицы воздуха не скользят по поверхности тела, а тормозятся, и скорость воздуха у поверхности тела становится равной нулю. При удалении от поверхности тела скорость воздуха возрастает от нуля до скорости течения воздушного потока.

Толщина пограничного слоя измеряется в миллиметрах и зависит от вязкости и давления воздуха, от профиля тела, состояния его поверхности и положения тела в воздушном потоке. Толщина пограничного слоя постепенно увеличивается от передней к задней кромке. В пограничном слое характер движения частиц воздуха отличается от характера движения вне его.

Рассмотрим частицу воздуха А (рис.5), которая находится между струйками воздуха со скоростями U 1 и U 2 , за счет разности этих скоростей, приложенных к противоположным точкам частицы, она вращается и тем больше, чем ближе находится эта частица к поверхности тела (где разность скоростей наибольшая). При удалении от поверхности тела вращательное движение частицы замедляется и становится равным нулю ввиду равенства скорости воздушного потока и скорости воздуха пограничного слоя.

Позади тела пограничный слой переходит в спутную струю, которая по мере удаления от тела размывается и исчезает. Завихрения в спутной струе попадают на хвостовое оперение самолета и снижают его эффективность, вызывают тряску (явление Бафтинга).

Пограничный слой разделяют на ламинарный и турбулентный (рис. 6). При установившемся ламинарном течении пограничного слоя проявляются только силы внутреннего трения, обусловленные вязкостью воздуха, поэтому сопротивление воздуха в ламинарном слое мало.

Рис. 5. Изменение скорости течения воздуха в пограничном слое

Рис. 6. Обтекание тела воздушным потоком - торможение потока в пограничном слое

Рис. 7. Ламинарное и турбулентное течение

В турбулентном пограничном слое наблюдается непрерывное перемещение струек воздуха во всех направлениях, что требует большего количества энергии для поддерживания беспорядочного вихревого движения и, как следствие этого, создается большее по величине сопротивление воздушного потока движущемуся телу.

Для определения характера пограничного слоя служит коэффициент C f . Тело определенной конфигурации имеет свой коэффициент. Так, например, для плоской пластины коэффициент сопротивления ламинарного пограничного слоя равен:

для турбулентного слоя

где R e - число Рейнольдса, выражающее отношение инерционных сил к силам трения и определяющее отношение двух составляющих - профильное сопротивление (сопротивление формы) и сопротивление трения. Число Рейнольдса R e определяется по формуле:

где V - скорость воздушного потока,

I - характер размера тела,

γ - кинетический коэффициент вязкости сил трения воздуха.

При обтекании тела воздушным потоком в определенной точке происходит переход пограничного слоя из ламинарного в турбулентный. Эта точка называется точкой перехода. Расположение ее на поверхности профиля тела зависит от вязкости и давления воздуха, скорости струек воздуха, формы тела и его положения в воздушном потоке, а также от шероховатости поверхности. При создании профилей крыльев конструкторы стремятся отнести эту точку как можно дальше от передней кромки профиля, чем достигается уменьшение сопротивления трения. Для этой цели применяют специальные ламинизированные профили, увеличивают гладкость поверхности крыла и ряд других мероприятий.

При увеличении скорости воздушного потока или увеличении угла положения тела относительно воздушного потока до определенной величины в некоторой точке происходит отрыв пограничного слоя от поверхности, при этом резко уменьшается давление за этой точкой.

В результате того, что у задней кромки тела давление больше чем за точкой отрыва, происходит обратное течение воздуха из зоны большего давления в зону меньшего давления к точке отрыва, которое влечет за собой отрыв воздушного потока от поверхности тела (рис. 7).

Ламинарный пограничный слой отрывается легче от поверхности тела, чем турбулентный.