Механика жидкости и газа (стр. 4 из 5)

Турбулентное течение в трубах.

Течение вязкой жидкости вдоль границы может оказаться неустойчивым по отношению к малым возмущениям, если число Рейнольдса превысит некоторое значение. Так, например, течение в трубе постоянного диаметра устойчиво ко всем возмущениям, если число Рейнольдса VDr/m меньше приблизительно 2000, и тогда формула Пуазейля дает соотношение между перепадом давления и скоростью независимо от плотности. Но когда число Рейнольдса превышает указанное критическое значение, любое локальное возмущение вызывает колебания скорости или образование завихрений, которые быстро распространяются по всему потоку, создавая беспорядочное вторичное движение, называемое турбулентным течением. Из-за бесчисленных вихрей турбулентное течение характеризуется значительно большей затратой энергии (более высокими потерями давления), чем устойчивое, или ламинарное, течение, и формула Пуазейля в этом случае заменяется формулой

где коэффициент f зависит от числа Рейнольдса и относительной шероховатости поверхности трубы. В случае гладкой трубы, например, f = 0,316/Re^1/4, тогда как при аналогичных условиях формула Пуазейля дает f = 64/Re. Чем больше шероховатость поверхности, тем, очевидно, больше величина f ; если шероховатость трубы достаточно велика, то при больших числах Рейнольдса коэффициент f перестает зависеть от вязкого сдвига и полностью определяется неровностями стенок, вызывающих завихрения.

Гидравлический удар.

С точки зрения гидроаэромеханики жидкости и газы очень схожи между собой. Однако, плотность жидкости во много раз больше плотности газа. Поэтому гребные винты морских и речных судов сравнительно меньше пропеллеров самолётов – тяжёлая жидкость «работает» эффективнее, чем лёгкий воздух. По той же причине жидкость может оказаться опаснее и привести к аварии.

При внезапном перекрывании воды, давление в трубе возрастает на величину pva, где р – плотность жидкости или газа, v – скорость течения и а – скорость звука. Скорость звука в трубе с водой равна 1400 м/с, поэтому именно с такой скоростью будет распространяться повышенное давление по трубопроводу. Если где-то обнаружиться непрочный участок трубы, он будет прорван. Газ, в сравнении с жидкостью, имеет гораздо меньшую плотность, да и скорость звука в нём в несколько раз меньше, поэтому газ, даже находящийся под большим давлением, не может создать удар, подобный гидравлическому.

Гидравлический удар может быть направлен и в обратную (от заслонки) сторону. Это произойдёт, если резко перекрыть воду, поток которой достаточно протяжённый. Жидкость, двигаясь по инерции, оторвётся от заслонки, а пространство между заслонкой и жидкостью заполниться водяным паром под очень низким давлением (сродни вакууму). В конечном итоге, поток жидкости под действием внешнего давления затормозится, остановится и с нарастающей скоростью двинется в противоположном направлении.

Гидравлический удар может также сыграть полезную роль. Если повреждение уже имеется, отыскать его расположение поможет небольшой гидравлический удар. Он создаст волну, бегущую по трубопроводу, которая, отразившись от места повреждения, вернётся через некоторое время. По этому времени легко определить расстояние до повреждённого участка.

Явления в пограничном слое.

В случае течения указанного вида по длинной трубе влияние стенок на характер течения распространяется и на центральную часть трубы. В случае же обтекания тела средой замедляющее действие вязкого сдвига вдоль поверхности тела (на которой скорость равна нулю) обычно распространяется в окружающую среду лишь на сравнительно небольшое расстояние. Относительная толщина этого т.н. пограничного слоя зависит от числа Рейнольдса, составленного из относительной скорости, плотности и вязкости текучей среды и расстояния от рассматриваемой точки до передней кромки тела. При малых значениях Re пограничный слой будет ламинарным, но течение становится неустойчивым по отношению к малым возмущениям, когда Re приближается к 4×10⁶, а после этого развивается турбулентность. Вязкий сдвиг вдоль граничной поверхности теперь аналогичен перепаду давления вдоль трубы и точно так же зависит от числа Рейнольдса. Полная сила сопротивления течению F_D, создаваемая участком поверхности длиной L и шириной B, дается выражением

где C_f – коэффициент сопротивления, зависящий от Re = VLr/m и от шероховатости поверхности. Для гладкой поверхности C_f = 1,33/Re^1/2, если пограничный слой ламинарный, и C_f = 0,074/Re^1/5, если пограничный слой полностью турбулентный. Это соотношение играет очень важную роль в расчетах сопротивления крыла и фюзеляжа самолета, а также корпуса речного или морского судна. Теория пограничного слоя разработана Л.Прандтлем (1875–1953).

Наряду с поверхностным сопротивлением, возникающим в пограничном слое, в этом слое наблюдается еще одно важное явление – отрыв течения от стенки при резком изменении ее геометрии. Вязкая текучая среда при больших числах Рейнольдса не следует точно за изломом стенки и не смыкается без возмущений даже позади хорошо закругленного тела, например сферического. Для предотвращения отрыва потока задней части тела придают обтекаемую форму и точно так же сглаживают (профилируют) трубу переменного диаметра (сопло Лаваля). Явление отрыва связано с высокими градиентами давления и скорости течения в пограничном слое, и такая тенденция заметно ослабевает, если отводить текучую среду из пограничного слоя. Поэтому, в частности, предусматривают прорези на крыльях и фюзеляже самолета для слива пограничного слоя.

Отрыв потока, вообще говоря, нежелателен, поскольку он обычно возникает в точках максимальной скорости и, следовательно, минимального давления, после чего это низкое давление доминирует во всей зоне отрыва ниже по течению. В результате течение воздействует на поверхность тела (стенку) с некоторой силой, добавляющейся к поверхностному сопротивлению (создавая «сопротивление формы», обусловленное повышенным давлением спереди обтекаемого тела и пониженным – сзади), а энергия течения «непроизводительно» расходуется на интенсивную турбулентность, возникающую в неустойчивой зоне отрыва. Для погруженных в поток тел сочетание поверхностного сопротивления и сопротивления формы дает полную силу сопротивления движению, зависящую, таким образом, от формы тела и от числа Рейнольдса, а именно, если обозначить площадь поперечного сечения тела через A:

Для сферы при малых числах Рейнольдса (менее 1) формула Стокса принимает вид C_D = 24/Re; при Re £ 10⁵ пограничный слой является ламинарным и C_D = 0,5; при Re £ 10⁶ пограничный слой становится турбулентным и C_D = 0,2. Для парашюта сопротивление должно быть максимальным и C_D = 1,3, тогда как для высокоскоростного самолета коэффициент C_D может составлять лишь 0,05.

Вихревые колебания.

В случае удлиненных тел, скажем цилиндрических, закономерности сопротивления среды оказываются примерно такими же, как и для сфер, но, кроме того, происходят поперечные колебания зоны отрыва течения. Поскольку при этом зона пониженного давления оказывается то с одной, то с другой стороны от направления движения (вихревая дорожка фон Кармана), на тело действует не только продольная сила лобового сопротивления, но и переменная поперечная сила. Этим объясняются вибрация перископов высокоскоростных подлодок и гудение проводов при сильном ветре. Частота такой вибрации тоже зависит от числа Рейнольдса; например, для цилиндра при Re = 10⁵ и ламинарном пограничном слое период колебаний t определяется равенством Vt/D = 5; когда же пограничный слой становится турбулентным, этот численный множитель уменьшается в два раза.

Плоская поверхность.

Сходную поперечную силу отрыв потока вызывает в случае плоской поверхности, наклоненной, подобно воздушному змею, относительно направления течения, но в этом случае боковая сила не меняет периодически своего направления. На тонкую пластину, находящуюся в потоке под углом атаки к нему, также действует заметная сила сопротивления, обусловленная понижением давления в зоне отрыва, но эту силу можно существенно уменьшить (при одновременном увеличении поперечной силы), если придать пластине утолщенный профиль, закругленный спереди и слегка искривленный («вогнуто-выпуклый»). Такое тело, называемое аэродинамической поверхностью или попросту крылом, создает подъемную силу, за счет которой летают самолеты (теория крыла разработана русскими учеными Н.Е.Жуковским (1847–1921) и С.А.Чаплыгиным (1869–1942)), а в виде подводного крыла используется на скоростных речных и морских судах. Искусство проектирования таких профилей достигло столь высокого уровня, что легко обеспечиваются подъемные силы, в 30 и более раз превышающие лобовое сопротивление