Пограничный слой

Аэродинамический спектр любого тела можно разделить на несколько частей, в каждой из которых обтекание будет происходить по-разному.

На большом расстоянии от тела поток не деформирован, струйки текут прямолинейно с одинаковой скоростью. Такой поток называется невозмущенным.

Вблизи тела струйки изменяют свое направление и площадь поперечного сечения. От этого изменяются скорости воздуха в струйках. Поток, струйки которого деформированы присутствующим в нем телом, называется возмущенным.

Рис. 1.10. Три характерные области потока

В возмущённой части потока можно выделить 3 области:

1 внешний невязкий поток (потенциальный поток)

2 пограничный слой;

3 спутная струя (вихревой след).

Движение воздуха в потенциальном потоке плавное, линейное.

Пограничным слоем называется тонкий слой воздуха, прилегающий к поверхности любого тела, движущегося в неподвижном воздухе или обтекаемого движущимся воздухом, в котором скорость потока меняется от нуля на поверхности тела до скорости невозмущённого потока на некотором удалении о от тела. В результате сил внутреннего трения между слоями пограничного слоя частицы воздуха в нем имеют стремление к вращению. Поэтому пограничный слой всегда завихрен. (рис. 1.11).

В спутной струе завихренность сглаживается по мере удаления от тела.

Вихревым называется такое движение потока, при котором частицы воздуха, двигаясь поступательно, одновременно участвуют во вращательном движении.

Рис. 1.12. Структура пограничного слоя: 1 — ламинарный пограничный слой, 2 — переходный; 3 — турбулентный; 4 – ламинарный подслой:
x – координата точки перехода ламинарного слоя в турбулентный

Образование пограничного слоя объясняется тем, что вследствие проявления вязкости воздуха близко расположенные к телу слои притормаживаются. Скорость частиц, непосредственно прилегающих к телу, становится равной нулю (эффект прилипания). По мере удаления от поверхности тела торможение частиц воздуха постепенно уменьшается и на некотором расстоянии прекращается полностью.

Характер движения частиц в пограничном слое отличается от характера их движения вне его. Основываясь на результатах многолетних исследований
картины обтекания различных тел, немецкий ученый Прандтль предложил учитывать влияние вязкости только в пограничном слое, вне его газ можно считать невязким.

При движении удобообтекаемых тел в несжимаемой среде трение в пограничном слое является основной причиной основания силы лобового сопротивления.

Толщина пограничного слоя δ зависит от формы тела, положения его в потоке воздуха, скорости потока, состояния поверхности тела, вязкости и плотности воздуха и увеличивается от носовой части пластины
к хвостовой.

На крыле самолёта близи передней кромки крыла толщина пограничного слоя составляет несколько миллиметров, а у задней кромки достигает 100 мм
и более.

Чем ровнее поверхность тела и чем меньше скорость потока, тем тоньше пограничный слой.

Характер течения в пограничном слое зависит от числа Рейнольдса

.

где V— скорость набегающего воздуха;

l — характерный размер тела;

υ — кинематический коэффициент вязкости.

При небольших числах Рейнольдса (что соответствует небольшой скорости потока) течение в пограничном слое спокойное, слоистое. Такой пограничный слой называется ламинарным.

При больших числах Рейнольдса, частицы воздуха в пограничном слое, двигаясь поступательно, в то же время перемещаются в поперечном направлении
и весь пограничный слой беспорядочно завихрён. Такой пограничный слой называется турбулентным.

При средних числах Рейнольдса, структура пограничного слоя такова, что у передней кромки течение ламинарное, которое затем переходит в турбулентное. Такой пограничный слой называется смешанным.

При переходе от ламинарного течения к турбулентному вначале происходит потеря устойчивости линии тока, а затем развивается устойчивое турбулентное течение. На практике считается, что переход происходит внезапно в точке Т, называемой точкой перехода. Положение точки перехода зависит от числа Рейнольдса Re.

Если в формулу для определения числа Рейнольдса ввести в качестве линейного размера координату точки перехода x_T, то это число Рейнольдса будет называться критическим:

В свободной атмосфере

Число Рейнольдса Rе тeм больше, чем лучше обработана поверхность тела и чем меньше турбулентность внешнего потока.