Аеродинамічні спектри

Аеродинамічний спектрназивається видима оку картина обтікання тіла потоком повітря.

Для отримання аеродинамічного спектра існують такі методи:

1) введення у потік видимих частинок диму.

2) метод «шовковинок»;

3) метод в'язких покриттів;

4) оптичний метод.

Перший метод отримання спектра здійснюється у спеціальних димових каналах. Димовий спектр дозволяє досліджувати ламінарні та турбулентні течії, відрив прикордонного шару, управління прикордонним шаром.

Метод «шовковинок» дозволяє побачити порушення плавності обтікання. При безвідривному режимі течії шовковинки, прикріплені одним кінцем до поверхні, що обтікає, орієнтовані відносно потоку. При зриві потоку вони вагаються і змінюють напрямок.

На в'язкому покритті тіла, що обтікається, при тривалій продуванні його в аеродинамічній трубі прокреслюються лінії струму, що виявляють картину обтікання.

Оптичний метод дозволяє дослідити зміну густини повітря при великих швидкостях польоту. p align="justify"> При зміні щільності повітря плоскопаралельний пучок світла відхиляється, утворюючи на екрані світлі або темні смуги.

Спектри обтікання бувають такими:

Мал. 1.8. Спектри обтікання

Мал. 1.9. Несиметричний спектр

Наявність підвищеного тиску перед тілом і розрядження за ним призводить до виникнення повітряного опору, який називається опором тиску.

Чим більше обурення потоку, тим більше опір тиску відчуває тіло. Мінімальний опір тиску мають тіла з плавним спектром обтікання.

Тіла неплавної форми, що викликають інтенсивний вигин ліній струму та потужне вихроутворення за тілом, називаєтьсянезручними.

Тіла з плавним спектром обтікання називаєтьсяудобообтічними. Спектри обтікання залежать від: форми та розмірів тіла, орієнтації тіла щодо потоку повітря, швидкості потоку, що набігає.

При симетричному обтіканні тіла повітрям з'являється лише одна аеродинамічна сила — сила лобового опору X .

При несиметричному обтіканні виникає повна аеродинамічна сила R2, яку можна розкласти на дві складові по осях координат: лобовий опір X і підйомну силу Y .

Таким чином, підйомна сила може виникнути лише за несиметричного обтікання тіла.

Аеродинамічний спектр дає можливість зрозуміти фізичну сутність явища обтікання

Дослідження аеродинамічних спектрів дає можливість обрати найбільш зручні форми, визначити дефекти в тій чи іншій частині ЛА, визначити характер взаємодії близько розташованих частин і багато іншого.

Прикордонний шар

Аеродинамічний спектр будь-якого тіла можна розділити на кілька частин, у кожній з яких обтікання відбуватиметься по-різному.

На великій відстані від тіла потік не деформований, струмки течуть прямолінійно з однаковою швидкістю. Такий потік називаєтьсянезбуреним.

Поблизу тіла струмка змінюють свій напрямок і площу поперечного перерізу. Від цього змінюються швидкості повітря в цівках. Потік, цівки якого деформовані присутнім у ньому тілом, називається обуреним.

Мал. 1.10. Три характерні області потоку

У обуреній частиніпотоку можна виділити 3 області:

1 зовнішній нев'язкий потік (потенційний потік)

2 прикордонний шар;

3 супутній струмінь (вихровий слід).

Рух повітря у потенційному потоці плавний, лінійний.

Мал. 1.11.Причина завихрення прикордонного шару

Прикордонним шаромназивається тонкий шар повітря, що прилягає до поверхні будь-якого тіла, що рухається в нерухомому повітрі або обтікається рухомим повітрям, в якому швидкість потоку змінюється від нуля на поверхні тіла до швидкості незбуреного потоку на деякому видалення від тіла. Внаслідок сил внутрішнього тертя між шарами прикордонного шару частинки повітря у ньому мають прагнення до обертання. Тому прикордонний шар завжди завихрений. (Рис. 1.11).

У супутній струмені завихренність згладжується в міру віддалення від тіла.

Вихровимназивається такий рух потоку, при якому частки повітря, рухаючись поступально, одночасно беруть участь у обертальному русі.

Мал. 1.12. Структура прикордонного шару: 1 - ламінарний прикордонний шар; 2 - перехідний; 3 - турбулентний; 4 – ламінарний підшар: x – координата точки переходу ламінарного шару в турбулентний

Утворення прикордонного шару пояснюється тим, що внаслідок прояву в'язкості повітря близькі до тіла шари пригальмовуються. Швидкість частинок, що безпосередньо прилягають до тіла, дорівнює нулю (ефект прилипання). У міру віддалення від поверхні тіла гальмування частинок повітря поступово зменшується і на певній відстані повністю припиняється.

Характер руху частинок у прикордонному шарі відрізняється від характеру їхнього руху поза ним. Грунтуючись на результатах багаторічних досліджень обтікання різних тіл, німецький вчений Прандтль запропонував враховувати вплив в'язкості тільки в прикордонному шарі, поза ним газ можна вважати нев'язким.

При русі легкообтічних тіл в несжимаемом середовищі тертя в прикордонному шарі є основною причиною підстави сили лобового опору.

Товщина прикордонного шару δзалежить від форми тіла, положення його в потоці повітря, швидкості потоку, стану поверхні тіла, в'язкості та щільності повітря і збільшується від носової частини пластини до хвостової.

На крилі літака близько передньої кромки крила товщина прикордонного шару становить кілька міліметрів, а у задньої кромки досягає 100 мм і більше.

Чим рівніша поверхня тіла і що менше швидкість потоку, то тонше прикордонний шар.

Характер течії в прикордонному шарі залежить відчисла Рейнольдса

деV-швидкість набігаючого повітря;

l - характерний розмір тіла;

υ - кінематичний коефіцієнт в'язкості.

При невеликих числах Рейнольдса (що відповідає невеликій швидкості потоку) перебіг у прикордонному шарі спокійний, шаруватий. Такий прикордонний шар називаєтьсяламінарним.

При великих числах Рейнольдса, частинки повітря в прикордонному шарі, рухаючись поступально, в той же час переміщуються в поперечному напрямку і весь прикордонний шар безладно завихрений. Такий прикордонний шар називаєтьсятурбулентним.

При середніх числах Рейнольдса структура прикордонного шару така, що у передньої кромки течія ламінарна, яка потім переходить у турбулентну. Такий прикордонний шар називаєтьсязмішаним.

При переході від ламінарної течії до турбулентного спочатку відбувається втрата стійкості лінії струму, а потімрозвивається стійка турбулентна течія. Насправді вважається, що перехід відбувається раптово у точці Т, званоїточкою перехода. Положення точки переходу залежить від числа Рейнольдса Re.

Якщо формулу визначення числа Рейнольдса ввести як лінійного розміру координату точки переходу xT, це число Рейнольдса називатиметься критичним:

У вільній атмосфері

Число Рейнольдса Rе тим більше, ніж краще оброблена поверхня тіла і менше турбулентність зовнішнього потоку.