Разделение потоков

редактировать

Воздушный поток отделяется от крыло с большим углом атаки

Всякий раз, когда происходит относительное движение между жидкостью и твердой поверхностью, будь то снаружи вокруг тела или внутри замкнутого прохода, существует пограничный слой с силы вязкости, присутствующие в слое жидкости вблизи поверхности. Пограничные слои могут быть либо ламинарными, либо турбулентными. Разумную оценку того, будет ли пограничный слой ламинарным или турбулентным, можно сделать путем вычисления числа Рейнольдса местных условий потока.

Разделение потока или разделение пограничного слоя - это отделение пограничного слоя от поверхности в следе. Разделение происходит в потоке, который замедляется с повышением давления, например, после прохождения наиболее толстой части обтекаемого тела или прохождения через расширяющийся проход.

Течение против возрастающего давления известно как движение с неблагоприятным градиентом давления. Пограничный слой отделяется, когда он прошел достаточно далеко в отрицательном градиенте давления, чтобы скорость пограничного слоя относительно поверхности остановилась и изменила направление. Поток отрывается от поверхности и вместо этого принимает форму вихрей и вихрей. После отделения жидкость оказывает постоянное давление на поверхность вместо постоянно увеличивающегося давления, если она еще присутствует. В аэродинамике разделение потока приводит к уменьшению подъемной силы и увеличению сопротивления давления, вызванного разницей давления между передней и задней поверхностями объекта. Это вызывает удары по конструкциям самолета и рулям. Разделение внутренних каналов вызывает остановку и вибрацию лопастей оборудования и увеличение потерь (снижение эффективности) во впускных каналах и компрессорах. Много усилий и исследований было потрачено на разработку аэродинамических и гидродинамических контуров поверхности и дополнительных функций, которые задерживают отрыв потока и удерживают поток как можно дольше. Примеры включают мех на теннисном мяче, ямочки на мяче для гольфа, турбулизаторы на планере, которые вызывают ранний переход к турбулентному потоку; вихревые генераторы на самолетах.

Содержание

1 Неблагоприятный градиент давления
2 Параметры воздействия
3 Внутреннее разделение
4 Эффекты разделения пограничного слоя
5 См. Также
6 Сноски
7 Ссылки
8 Внешние ссылки

Обратный градиент давления

Графическое представление профиля скорости в пограничном слое. Последний профиль представляет обратный поток, который показывает отрывной поток.

Обратное движение потока в первую очередь вызвано неблагоприятным градиентом давления, накладываемым на пограничный слой внешним потенциальным потоком. Уравнение продольного импульса внутри пограничного слоя приблизительно формулируется следующим образом:

u ∂ u ∂ s = - 1 ρ dpds + ν ∂ 2 u ∂ y 2 {\ displaystyle u {\ partial u \ over \ partial s} = - { 1 \ over \ rho} {dp \ over ds} + {\ nu} {\ partial ^ {2} u \ over \ partial y ^ {2}}}

u {\ partial u \ over \ partial s} = - {1 \ over \ rho} {dp \ over ds} + {\ nu} {\ partial ^ {2} u \ over \ partial y ^ {2}}

где $s, y {\ displaystyle s, y}$ $s, y$ - продольные и нормальные координаты. Неблагоприятный градиент давления возникает, когда $dp / ds>0 {\ displaystyle dp / ds>0}$ $dp/ds>0$ , что затем приводит к уменьшению скорости $u {\ displaystyle u}$ $u$ вдоль $s {\ displaystyle s}$ $s$ и, возможно, обнулятся, если неблагоприятный градиент давления достаточно велик.

Параметры влияния

Тенденция пограничного слоя к разделению в первую очередь зависит от распределения неблагоприятного или отрицательного градиента скорости кромки $duo / ds (s) < 0 {\displaystyle du_{o}/ds(s)<0}$ $du_ {o} / ds (s) <0$ вдоль поверхности, которое, в свою очередь, напрямую связано с давлением и его градиентом посредством дифференциальной формы Соотношение Бернулли, которое аналогично уравнению количества движения для внешнего невязкого потока.

ρ uoduods = - dpds {\ displaystyle \ rho u_ {o} {du_ {o} \ over ds} = - {dp \ over ds}}

\ rho u_ {o} {du_ {o} \ over ds} = - {dp \ over ds}

Но общие величины $duo / d s {\ displaystyle du_ {o} / ds}$ $du_ {o} / ds$ , необходимые для разделения, намного больше для турбулентного, чем для ламинарного потока, причем первый способен выдерживать почти на порядок более сильное торможение потока. Второстепенное влияние оказывает число Рейнольдса. Для данного неблагоприятного распределения $d u o / d s {\ displaystyle du_ {o} / ds}$ $du_ {o} / ds$ сопротивление разделению турбулентного пограничного слоя немного увеличивается с увеличением числа Рейнольдса. Напротив, сопротивление разделению ламинарного пограничного слоя не зависит от числа Рейнольдса - факт, который несколько противоречит здравому смыслу.

Внутреннее разделение

Разделение пограничного слоя может происходить для внутренних потоков. Это может быть вызвано такими причинами, как быстро расширяющийся канал трубы. Разделение происходит из-за неблагоприятного градиента давления, возникающего при расширении потока, вызывая расширенную область разделенного потока. Часть потока, которая разделяет рециркулирующий поток и поток, проходящий через центральную часть канала, называется разделительной линией тока. Точка, в которой разделительная линия тока снова присоединяется к стене, называется точкой присоединения. По мере того, как поток идет дальше вниз по потоку, он в конечном итоге достигает состояния равновесия и не имеет обратного потока.

Эффекты разделения пограничного слоя

Когда пограничный слой отделяется, его остатки образуют сдвиговый слой, а наличие разделенной области потока между сдвиговым слоем и поверхностью изменяет внешний потенциал Поле потока и давления. В случае аэродинамических поверхностей изменение поля давления приводит к увеличению сопротивления давлению, и, если оно достаточно серьезное, также приводит к срыву и потере подъемной силы, что все нежелательно. Для внутренних потоков разделение потока приводит к увеличению потерь потока, а явления типа срыва, такие как помпаж компрессора, оба являются нежелательными явлениями.

Другой эффект разделения пограничного слоя - это регулярное выпадение вихрей., известная как вихревая улица Кармана. Вихри исходят от обрывистой поверхности конструкции ниже по потоку с частотой, зависящей от скорости потока. Вихревое образование создает переменную силу, которая может вызвать вибрацию конструкции. Если частота рассеивания совпадает с резонансной частотой конструкции, это может вызвать разрушение конструкции. Эти колебания могут возникать и отражаться на разных частотах в зависимости от их происхождения в соседних твердых или жидких телах и могут либо гасить, либо усиливать резонанс.

См. Также

Сноски

Ссылки

Андерсон, Джон Д. (2004), Введение в полет, McGraw-Hill. ISBN 0-07-282569-3.
L. Дж. Клэнси (1975), Aerodynamics, Pitman Publishing Limited, Лондон ISBN 0-273-01120-0.

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с к Разделение потоков.