Отрывные течения. Том 1 - Чжен П.
Скачать (прямая ссылка):
не всегда непосредственно связаны с отрывом потока, накопленные
экспериментальные данные могут оказаться очень полезными для понимания
нерешенных проблем отрыва внутренних течений.
В 1909 г. Гибсон [30] провел обширные эксперименты с водяным потоком в
диффузорах различного типа. Было исследовано двадцать пять различных
диффузоров (изготовленных из дерева) в интервале средних скоростей потока
1,2-8 м/с. Площадь поперечного сечения диффузоров круговой, квадратной и
прямоугольной форм изменялась вдоль оси по линейному закону. Отношение
площадей составляло 2,25, 4 и 9. Потери энергии максимальны при значении
угла, образованного противоположными сторонами диффузора, от 5,5 до 11°.
Потери минимальны (13,5%) в диффузоре с круговым поперечным сечением, в
диффузоре с квадратным поперечным сечением они составили 20-33%.
Аналогичные явления наблюдал Паттерсон [31]. При угле раскрытия,
образованном парами сторон диффузора, 2(c) = 10 -f- 14° потери в диффузорах
с прямоугольным поперечным сечением почти такие же, как в диффузоре с
круглым сечением при том же угле 20. При больших или меньших значениях
угла 20 потери в диффузорах с прямоугольным поперечным сечением
значительно выше.
Гибсон предложил три оптимальных типа профилированных диффузоров. Первый
имеет форму, обеспечивающую распределение скорости потенциального течения
dujdl - const по всей длине диффузора. Во втором dujdx = const. Третий
обеспечивает постоянную потерю полного напора на единицу длины диффузора.
174
ГЛАВА IV
Из этих трех типов последний оказался самым эффективным. Гибсон не ставил
перед собой задачу создания диффузора с оптимальной формой или улучшения
его эффективности, он просто показал, что эффективность диффузора при
заданных длине и отношении площадей в значительной степени зависит от
распределения площадей поперечного сечения. Это распределение является
важным фактором, влияющим на развитие пограничного слоя и отрыв потока.
Как показал Гибсон, диффузор с линейным распределением площадей по длине
не имеет других преимуществ, кроме простой формы.
В 1926 г. Ведерников [32] исследовал двумерный диффузор с прямолинейными
стенками, который мог быть использован в качестве элемента
аэродинамической трубы. Диффузор имел угол раскрытия 20 = 0-28°, длину 1
м и площадь входного сечения 0,1 м2. Скорость воздушного потока
составляла от 7 до 27 м/с. При 20 = 14° происходило образование вихрей, а
при 2 0= 16° в области отрыва возникало обратное течение. Минимум потерь
наблюдался при 20 = 8-10°. Паттерсон [31] рассмотрел экспериментальные
данные Гибсона [40], Петерса [15], Ведерникова [32], Вюллерса [33] и
предложил руководствоваться при разработке диффузоров следующими
рекомендациями:
1. Оптимальные углы раскрытия 20 для диффузора с круглым поперечным
сечением 6-8°, для диффузора с квадратным поперечным сечением 6°, для
диффузора с прямоугольным поперечным сечением, у которого две стенки
остаются параллельными, 11°.
2. При заданной степени расширения наиболее эффективен диффузор с круглым
поперечным сечением.
3. Чем тоньше пограничный слой на входе, тем больше эффективность
диффузора.
4. При угле раскрытия 15° 20 30° эффективность диффу-
зора можно увеличить за счет скругления угловых точек входного участка.
5. При углах раскрытия более 50° потери в диффузоре можно снизить на 40-
50% путем закручивания потока по закону "твердого тела" либо с помощью
дефлекторов, отклоняющих и закручивающих поток.
Проблемы отрыва потока в работе Паттерсона рассматриваются лишь косвенно.
Качественно отрыв потока в диффузорах исследовал Полцин [34], используя
метод визуализации. Воздушный поток можно наблюдать с помощью шлирен-
метода [35, 36], или, как его еще называют, метода Теплера, и с помощью
теневого метода, или метода Дворжака. Модель двумерного дозвукового
диффузора имела прямоугольное поперечное сечение, так как из-за
искривления смотрового окна при круглом поперечном сечении были бы
невозможны наблюдения с помощью шлирен-
ОТРЫВ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА ЖИДКОСТИ
175
метода. Интервал чисел Рейнольдса воздушного потока, вычисленных по
средней скорости во входном сечении диффузора и по гидравлическому
диаметру, составлял 5-103 < Re < 75-103. Тем не менее приведенные ниже
результаты наблюдений могут быть полезны для изучения свойств потока в
диффузоре.
Эксперимент проводился при углах раскрытия диффузора до 2(c) = 20°. При
больших углах раскрытия отрыв потока не мог стабилизироваться на верхней
стенке, и точка отрыва внезапно начинала перемещаться к входному сечению.
Результаты исследований отрыва на гладкой и шероховатой поверхностях
представлены на фиг. 11 и 12 в зависимости не только от угла раскрытия
диффузора, но и от отношения площадей, т. е. от расстояния вниз по
потоку.
Как и ожидалось, отрыв возникает ниже по потоку при уменьшении угла
раскрытия и наоборот. Как видно из фиг. 12, отрыв возникает раньше на
шероховатой поверхности, чем на гладкой. (Эта тенденция заметнее
