Отрывные течения. Том 2 - Чжен П.
Скачать (прямая ссылка):
Разрушение представляет собой структурное изменение потока от сильного
регулярного движения по спирали к более слабому турбулентному движению,
которое может возникнуть в некотором сечении вихря [151.
Разрушение вызывается положительным градиентом давления, приводящим
жидкость с малой энергией в состояние покоя. Его можно предотвратить
путем отсасывания жидкости в сечении непосредственно за началом
разрушения, как и в случае отрыва потока. Аналогия между разрушением
вихрей и прямым скачком уплотнения при сверхзвуковых скоростях почти
отсутствует, но оба случая связаны с неустойчивостью при замедлении
потока, обусловленном внезапным ростом давления.
Так как разрушение вихрей на крыле приводит к уменьшению местного
разрежения на его поверхности и к изменению положения отрыва пограничного
слоя под вихрем, это явление требует более глубокого исследования.
3.1. РАЗРУШЕНИЕ УСТАНОВИВШИХСЯ ВИХРЕЙ, СХОДЯЩИХ
С ПЕРЕДНЕЙ КРОМКИ
Краткое описание этого явления приводится в книге [16], а также в работе
[14].
Ранее это явление исследовалось экспериментально в водяных трубах или в
аэродинамических трубах малых скоростей [11, 17-33].
Теоретические исследования выполнены в работах [34-37, 39].
Из этих многочисленных экспериментальных и теоретических работ следует,
однако, что явление разрушения вихрей, сходящих с передней кромки, пока
еще окончательно не понято. Были проведены качественные исследования,
чтобы понять поведение потока и найти надлежащую основу для теоретических
расчетов установившегося и неустановившегося разрушения. В водяной трубе
исследовалось, каким образом сильно развитое турбулентное течение,
возникающее при отрыве потока с острой передней кромки нестреловидного
крыла, переходит в течение с устойчивыми вихревыми образованиями на крыле
с большой стреловидностью. Кроме того, изучалась структура вихря,
измерялись составляющие скорости, давление и уровень шума, а также
определялось положение ядра вихря.
При аппроксимации вихревой пелены парой дискретных вихрей теоретический
расчет потока оказывается довольно простым [34-36], однако результаты
расчетов плохо согласуются с экспериментальными данными. Теория крыла
малого удлинения Манг-лера и Смита наиболее полно отражает особенности,
обнаруженные экспериментально.
ОТРЫВ ПОТОКА С ПЕРЕДНЕЙ КРОМКИ
209
3.2. РАЗРУШЕНИЕ ВИХРЕЙ, СХОДЯЩИХ С ПЕРЕДНЕЙ КРОМКИ КРЫЛА
Разрушение вихрей, сходящих с передней кромки треугольного крыла,
происходит следующим образом [15]. Рассмотрим треугольное крыло в
дозвуковом потоке (фиг. 6).
Предположим, что каждый из пары вихрей на треугольном крыле образуется
при сворачивании конической вихревой пелены, сходящей с передней кромки.
В то же время этот вихрь можно
Фиг. 6. Формирование ламинарных вихрен на треугольном крыле [5].
рассматривать как ядро вихревого течения, вбирающее в себя завихренность
с передней кромки, размеры и интенсивность которого увеличиваются с
расстоянием вниз по потоку. Вихревые слои сбегают с передней кромки Si и
образуют линию вторичного отрыва S2 на верхней поверхности. Наблюдения
показывают, что перед разрушением каждая линия тока, подходящая к вихрю
после огибания передней кромки, принимает форму почти цилиндрической
спирали (фиг. 7).
Согласно теории Холла [30], вихревое ядро состоит из невязкой вихревой
оболочки и внутреннего вязкого ядра, окруженного этой оболочкой. Вихревую
оболочку можно рассматривать как область с приблизительно постоянной
скоростью вращения частиц жидкости, а вязкое ядро - как область, в
которой скорость вращения частиц жидкости снижается до нуля на оси. По-
видимому, разрушение возникает в ядре вихря, и течение вдоль оси внутри
ядра может быть чрезвычайно чувствительным к малым возмущениям внешнего
потока. Отношение скорости вращения частиц к осевой составляющей скорости
является важ-
210
ГЛАВА IX
ным фактором, влияющим на разрушение вихря. Форма носка оказывает слабое
влияние на значение угла атаки, при котором происходит разрушение вихрей.
Согласно результатам измерений, полное давление на оси почти постоянно по
всей длине вихря после резкого падения
Фиг. 7. Окрашенная вихревая нить на треугольной пластине с острыми
кромками [15].
Скорость воды в трубе 5 см/с.
у вершины. Величина полного давления на оси очень мала вследствие
уменьшения окружной составляющей скорости, обусловленной вязкой диффузией
в узком внутреннем ядре. Геометрическая форма оси вихря на крыле близка к
прямой линии, расположенной под некоторым углом к внешнему потоку, однако
при приближении к задней кромке ось вихря искривляется, стремясь совпасть
с направлением набегающего потока.
Различные исследования разрушения вихря при малых скоростях и числах
Рейнольдса показывают, что вихревые течения, распространяющиеся от
стреловидной передней кромки с острым носком, внезапно замедляются вдоль
оси вихря, отклоняются и совершают периодические вращательные движения, а
затем происходит разрушение вихрей с образованием турбулентности.
