Отрыв пограничного слоя

Продольный градиент давления dр/∂х, действующий в пограничном слое, имеет ту же величину, что и за его пределами, так как статическое давление в направлении, перпендикулярном стенке, сохраняет одно и то же значение. Поэтому величина dр/∂х определяется обычно во внешнем потоке. Так, например, при расчете пограничного слоя на крыле, турбинной лопатке и т.п. продольный градиент давления отыскивается в результате решения задачи о внешнем потенциальном обтекании, а в диффузорах или соплах, т.е. в условиях внутренней задачи, — в результате определения параметров течения в ядре потока.

Продольный градиент давления оказывает влияние на профиль скоростей, вызывая его деформацию. Отрицательный градиент давления, существующий в конфузорах и соплах, а также в области спинки носовой части профиля крыла, соответствует увеличению скорости потока. При dр/∂х<0 пограничный слой устойчив. Положительный градиент давления, свойственный диффузорам, а также течению в области спинки хвостовой части профиля крыла, соответствует уменьшению скорости потока. Профиль скорости деформируется в этом случае таким образом, что при определенных условиях может появиться отрыв потока.

Рассмотрим явление отрыва более подробно.

На рисунке 125 изображена схема обтекания стенки в области положительного градиента давления. Заметим, что здесь безразлично, принадлежит ли стенка каналу диффузора или хвостовой части крыла, важно, что dр/∂х>0. Рассматривая какой - либо элементарный объем жидкости, можно заметить, что он движется из области меньших давлений в область больших. Уменьшение его количества движения, а следовательно, и скорости, происходит вследствие двух причин: 1) действия сил вязкости, 2) действия разности давлений спереди и сзади. На различных расстояниях от стенки это уменьшение происходит не пропорционально самой скорости, в результате чего эпюра деформируется, становясь все более остроконечной. Нужно заметить, что при dр/∂х=0 профили скорости в различных поперечных сечениях по длине пограничного слоя остаются подобными друг другу. Значит причиной их деформации является именно градиент давления dр/∂х≠0.

В некоторой точке S эпюра скоростей принимает такую форму, что угол между касательной к эпюре и нормалью к стенке в этой точке равен нулю, т.е.

(6.102)

Это значит, что в точке S скорость уже не нарастает по мере удаления от стенки. Элементарный жидкий объем, находящийся в этой точке, полностью утратил кинетическую энергию, на него не действуют касательные напряжения, так как dw/∂у = 0, но он подвержен действию положительного градиента давлений. Под действием последнего он начинает двигаться в обратную сторону, в результате чего возникает обратный ток. Эпюры, построенные правее точки S, имеют зону отрицательных скоростей. Линия SА на рис. 125 разделяет зоны прямого и обратного токов. Появление обратного тока вызывает отрыв основного потока. Точку S поэтому называют точкой отрыва. Она находится в том месте, где выполняется условие отрыва (6.102).

При отрыве потока от стенки восстановление скорости в давление происходит в значительно меньшей степени, чем при безотрывном течении. Кинетическая энергия образовавшихся вихрей при дальнейшем течении не преобразуется в давление, а переходит в тепло, увеличивая энтропию газа. Изучение эпюр распределения статических давлений по контуру обтекаемого тела показывает, что за точкой отрыва давления получаются ниже, чем в тех же местах при безотрывном обтекании, тогда как в носовой части тела различия почти не наблюдается. Поэтому при обтекании с отрывом равнодействующая сил давления всегда имеет составляющую, направленную назад, т.е. по направлению потока. Эта составляющаяназывается сопротивлением давления [21].

Таким образом, сопротивление обтекаемого тела слагается из сопротивления трения и сопротивления давления. У хорошо обтекаемых тел отрыв пограничного слоя незначителен, поэтому преобладает первая составляющая. У плохо обтекаемых тел отрыв весьма интенсивен, и поэтому главной составляющей является сопротивление давления.