69202

ОСНОВИ АЕРОДИНАМІКИ ТА ДИНАМІКИ ПОЛЬОТУ

Лекция

Астрономия и авиация

При обтіканні повітряним потоком різних тіл частин літальних апаратів виникають сили і моменти які залежать від форми літальних апаратів і впливають на їх льотнотехнічні характеристики. Аеродинаміка вивчає умови виникнення аеродинамічних сил тобто повітряних...

Украинкский

2014-10-01

2.97 MB

12 чел.

(Л3)   ТЕМА 2. ОСНОВИ АЕРОДИНАМІКИ ТА ДИНАМІКИ ПОЛЬОТУ

2.1. Аеродинаміка, як наука        [1], c. 25-26

Слово “аеродинаміка” походить від двох грецьких слів: “аеро” — повітря і “динамис” — сила. Аеродинаміка — це наука, що вивчає закони руху повітря (газів) і що досліджує взаємодію повітряного потоку з тілом, яке він обтікає. При обтіканні повітряним потоком різних тіл (частин літальних апаратів) виникають сили і моменти, які залежать від форми літальних апаратів і впливають на їх льотно-технічні характеристики. Аеродинаміка вивчає умови виникнення аеродинамічних сил, тобто повітряних сил, що діють на тіла при їх русі відносно повітряного середовища. Таким чином, аеродинаміка складає теоретичну основу авіації.

Аеродинаміка є розділом аерогідродинаміки - більш ширшої науки, яка вивчає рух рідин та газів. Рідини та гази за своєю фізичною структурою мають багато спільного, тому закони течії рідин та газів часто виявляються приблизно одними і тими ж. Основна відмінність газу від рідини є в тому, що газ здатний значно змінювати свій об’єм, а отже і густину під дією тиску і температури, тобто газ володіє стисливістю. Рідина змінює свій об’єм не суттєво тільки під дією дуже великих тисків та температур і практично вважається нестисливою. Коли швидкості течії газу не великі порівняно зі швидкістю розповсюдження звуку, вважають, що газ нестисливий, і при різних аеродинамічних розрахунках не враховують зміну густини і температури газу в середині потоку.

При великих швидкостях газового потоку (близьких до швидкості розповсюдження звуку) явищем стисливості газу знехтувати не можна, тому що значні зміни густини і температури в самому потоці приводять до необхідності розгляду теплових процесів і пов’язаних з ними механічних явищ.

Розділ аеродинаміки, який вивчає рух тіл при швидкостях, близьких до швидкості розповсюдження звуку, називається аеродинамікою великих швидкостей, або газовою динамікою. Таким чином, залежно від швидкості течії газового потоку аеродинаміка як наука підрозділяється на два розділи: аеродинаміку малих швидкостей і аеродинаміку великих швидкостей.


Принциповою відмінністю цих розділів є те, що розділ аеродинаміки малих швидкостей не враховує явища стисливості газів, а розділ аеродинаміки великих швидкостей враховує зміну густини і температури в середині потоку. Рівняння руху газів з великими швидкостями є загальними, ніж рівняння руху газів з малими швидкостями, і останні можуть бути отримані з перших як окремий випадок, якщо приймати густину і температуру за постійні величини.

В процесі розвитку аеродинаміки (як малих, так і великих швидкостей) склалися два методи досліджень:  теоретичний  і  експерементальний.

Теоретична аеродинаміка базується на теоретичній механіці і вивчає рух повітря та дію його на тіла, які він обтікає, чисто математичним шляхом. Теоретичні основи аеродинаміки були закладені всередині XVIII сторіччя працями академіків Російської Академії наук Данііла Бернуллі (1700—1782) і Леонарда Ейлера (1707—1783). Виведені ними рівняння течії рідин лягли в основу не тільки гідравліки, але і аеродинаміки. Особливий внесок в розвиток теоретичної аеродинаміки вніс великий російський вчений, професор Микола Єгорович Жуковський. М. Є. Жуковський розробив теорію утворювання піднімальної сили крила, вихрову теорію повітряних гвинтів, якою користуються при розрахунку повітряних гвинтів у всьому світі й в даний час. Учень і соратник М. Є. Жуковського професор Сергій Олексійович Чаплигін розвинув теорію профілю крила. Його робота “Про газові струмені” стала основою сучасної аеродинаміки великих швидкостей. Багато зробили для розвитку теоретичної аеродинаміки радянські вчені С.А. Христіанович, Б. М. Юр’єв, В. П. Ветчинкін, М. В. Келдиш, М. А. Лаврент’єв та ін. Теоретична аеродинаміка через складність процесів, що відбуваються підчас обтікання тіл потоком повітря, особливо при великих швидкостях, не завжди може дати повні відповіді на ті чи інші явища. Крім того, теоретична аеродинаміка змушена робити деякі спрощення, відходити від реальних умов. Наприклад, підчас обтікання тіл потоком повітря з малими швидкостями вважають, що повітря нестисливе, хоча стисливість буде мати місце підчас будь-яких швидкостях течії. Тому всі теоретичні висновки потребують експериментальної перевірки.

Експериментальна аеродинаміка для проведення аеродинамічних досліджень в даний час використовує два шляхи: випробування в аеродинамічних трубах і льотні випробування, що проводяться безпосередньо на літальному апараті при польоті в атмосфері. Льотні випробування дозволяють отримати найбільш достовірні результати. Проте, враховуючи складність і небезпеку льотних випробувань, їх, як правило, проводять для перевірки остаточних результатів, тобто вже після випробувань в аеродинамічних трубах.

В даний час існують аеродинамічні труби прямої дії і замкнуті. На рис. 2.1 показана аеродинамічна труба прямої дії із закритою робочою частиною.

Рис. 2.1. Аеродинамічна труба прямої дії.

В цій трубі електродвигун  4  приводить в обертання вентилятор  3. Вентилятор втягує повітря в трубу і проганяє його через робочу частину  6, де встановлюється випробовувана модель  5. Перед робочою частиною встановлюються грати  7, для випрямлення повітряного потоку, що обтікає випробувальне тіло. Випробувальна модель кріпиться в робочій частині й на аеродинамічних вагах за допомогою підвіски. Аеродинамічні ваги заміряють аеродинамічні сили і моменти, що виникають при обтіканні моделі повітряним потоком. В трубі визначаються також оптимальні форми ЛА, досліджуються їх стійкість і керованість. Сопло  1, що звужується, призначено для отримання потоку повітря із заданими по перетину швидкістю, густиною і температурою. Дифузор  2, що розширюється, зменшує швидкість і відповідно підвищує тиск струменя, унаслідок чого економиться енергія, що витрачається на привід вентилятора.

Якщо сопло  1, що звужується, з'єднати трубою з дифузором  2, що розширюється, (замкнути їх), а замість вентилятора  3  на валу електродвигуна  4  розмістити компресор, то вийде замкнута аеродинамічна труба постійної дії. У такій трубі, змінюючи продуктивність компресора, можна отримати надзвуковий повітряний потік.


2.2. Основні параметри та фізичні властивості повітря

Повітря як суміш газів володіє певними фізико - механічними властивостями, але аеродинаміка вивчає тільки ті з них, які роблять вплив на закони руху і на силову взаємодію між повітряними потоками і твердими тілами при їх взаємному переміщенні. До таких властивостей можна віднести стисливість, інертність, в'язкість, теплоємність та інші.

З погляду молекулярної фізики повітря є сукупність хаотично рухомих молекул, лінійні розміри яких значно менше відстані між ними. Енергія хаотичного руху молекул і міжмолекулярні відстані визначають стан повітря. Величини, що характеризують фізично-механічні властивості і стан повітря, називаються параметрами. До них відносяться тиск, густина, температура та інші.

Тиск (статичний) представляє силу, що діє на одиницю площі перпендикулярно до поверхні. Молекули повітря, знаходячись в безперервному хаотичному русі, ударяються одна об одну або об які-небудь предмети, тому тиск можна вважати за сумарний ефект ударів молекул повітря об перешкоди. При хаотичному русі всі напрями рівно вірогідні. Тому в рідинах і газах статичний тиск передається рівномірно на всі боки і сили тиску направлені перпендикулярно поверхні тіл.

Молекулярно-кінетична теорія добре пояснює фізичну сутність зміни тиску при нагріванні повітря в закритій судині: підвищення температури приводить до збільшення середньої кінетичної енергії руху молекул і, отже, сумарного ефекту їх ударів об стінку судини. З позицій цієї теорії стає зрозумілим і зменшення атмосферного тиску повітря при підйомі на висоту: на великих висотах зменшується кількість молекул повітря в одиниці об'єму і, отже, зменшується сумарний ефект їх ударів. Статичний тиск позначається буквою  р  і вимірюється в: мм рт. ст., кгс/м2, Н/см2, Н/м2 (Паскаль).

Тиск, що викликається силою 1 кгс (9,8 Н), рівномірно розподіленою по нормальній до неї поверхні площею 1 см2, називається технічною атмосферою (9,8 Н/см2 = 735,6 мм рт. ст.). Між одиницями вимірювання тиску існують наступні співвідношення 735,6 мм рт. ст. = 1 кгс/см2 = 10 000 кгс/м2 = 9,8 Н/см2 = 98 000 Н/м2 = 98 000 Па.

У фізиці за одиницю виміру тиску прийнята фізична атмосфера, яка дорівнює 10,13 Н/см2 і відповідає тиску повітря на рівні моря. В даному випадку співвідношення між одиницями вимірювання тиску будуть наступними: 1 атм = 760 мм рт. ст. =
10,13 Н/см2 = 101300 Н/м2 = 101300 Па.

Густина або масова густина повітря, поміщеного в одиниці об'єму, визначається масою повітря в одиниці об'єму:

ρ = m / υ,

де    ρ – густина повітря, кг/м3;

m – маса повітря, кг;

υ – об’єм повітря, м3.

Окрім масової густини, часто користуються ваговою густиною або питомою вагою. Питомою вагою називається вага повітря, поміщеного в одиниці об'єму

γ = G / υ,

де   γ – питома вага повітря, Н/м3;

G – вага повітря, Н;

υ об’єм повітря, м3.

Залежність між питомою вагою і густиною така ж, як між вагою і масою:

= g,     γ = ρ·g,

де   g прискорення вільного падіння, м/с2.

Користуватися поняттям густини зручніше, ніж поняттям питомої ваги, оскільки питома вага залежить від географічної широти і висоти над рівнем моря. В аеродинаміці часто користуються висловом відносна густина повітря  Δρ, яка є відношенням масової густини на заданій висоті    до маси повітря на рівні моря  ,тобто

.

Температура - ступінь нагрітости повітря. Вона характеризує внутрішню енергію повітря, тобто енергію хаотичного (теплового) руху молекул. Чим вище температура, тим швидше рухаються молекули, і, навпаки. Нагрівання або охолоджування повітря зв'язане, таким чином, зі зміною середній кінетичній енергії руху молекул.

Для виміру температури прийняті міжнародна практична температурна шкала МПТШ–1968 (Цельсія) і термодинамічна температурна шкала (абсолютних температур Кельвіна).

За шкалою Цельсія за  0°  прийнята температура танення льоду, а за 100° – температура кипіння води. Одиниця виміру температури - градус (1° С). Заміряна за цією шкалою температура позначається через  . За шкалою Кельвіна за  0°  прийнята температура вакууму, при якій припиняється тепловий рух молекул. Одиницею виміру є кельвин (К)  1 °К = 1 °С. Зміряна за термодинамічною шкалою температура називається абсолютною і позначається через  Т. Співвідношення між температурою за Цельсієм і температурою по Кельвіну  виглядає таким чином:

Т = + 273.

При  Т = 0 °К  повністю припиняється рух молекул, подальше пониження температури неможливе.

Як відомо з елементарної фізики, тиск, об'єм і температура зв'язані залежністю (рівнянням стану газу або рівнянням Клапейрона)

,

де   R = 287 Дж/(кг∙К) універсальна газова стала повітря;

р – тиск повітря, Па;

питомий об’єм, м3/кг;

Т термодинамічна температура, К.

Оскільки питомий об'єм  є величиною, зворотною масовій густині:    = 1/, то після підстановки цього виразу рівняння стану газу набуває вигляд:

.

З погляду аеродинаміки найбільш важливим параметром повітря є густина, оскільки вона підсумовує вплив тиску і температури і, кінець кінцем, визначає величину аеродинамічних сил.

З фізичних властивостей повітря розглянемо тільки такі, які роблять вплив на закони його руху. До них слід віднести: стисливість, інертність, в'язкість і теплоємність.

Стисливість - це властивість повітря змінювати свій первинний об'єм і масову густину при зміні тиску і температури. Стисливістю володіють всі речовини, але одні з них стискаються легко, інші практично не стискаються.

Сили зчеплення між молекулами повітря невеликі, а відстані між ним значні й легко змінюються при приростах тиску або температури, що і викликає збільшення або зменшення густини. На відміну від повітря і інших газів краплинні рідини практично не стискуються, оскільки молекули їх вже стислі величезними силами поверхневого натягнення.

Кількісно стисливість повітря характеризується відношенням приросту густини до приросту тиску: Δ / Δр.

Інертність - це властивість повітря чинити опір зміні стану відносного спокою або прямолінійного рівномірного руху його частинок.

Інертність повітря є причиною його опорів руху тіл. Мірою інертності може служити густина повітря. Чим вона більша, тим більша сила необхідна для того, щоб вивести частинки повітря із стану рівноваги, і тим більше буде сила, що діє з боку повітря на рухоме в нім тіло. Подібно до води, повітря „змочує” поверхні тіл. Тому при русі тіла в повітрі виникає відносний зсув (зрушення) шарів повітря.

В'язкість - це здатність рідин і газів чинити опір взаємному зсуву (зрушенню) двох сусідніх шарів.

Фізичною причиною в'язкості рідин і газів є взаємодія їх молекул між собою. Природа в'язкості рідин і газів різна. В'язкість рідин викликана силами зчеплення (механічними зв'язками) молекул, а в'язкість газів обумовлена обміном молекулами (дифузією) між сусідніми шарами. Температура по-різному впливає на в'язкість рідин і газів. В'язкість рідин при підвищенні температури знижується, оскільки зменшуються сили зчеплення молекул, а в'язкість газів, у тому числі і повітря, зі збільшенням температури збільшується, оскільки підвищується кінетична енергія молекул і вони глибше проникають з одного шару в іншій.

Вплив в'язкості виявляється при зсуві шарів рідини (газу) щодо один одного або при взаємному переміщенні твердого тіла в рідині (газі). Із-за в'язкості рідини (газу) при русі її біля твердої поверхні з'являється дотична сила тертя.

Якщо в якому-небудь перетині потоку, обтікаючого поверхню зі швидкістю V, заміряти зміну швидкості потоку по нормалі до цієї поверхні, то можна відмітити, що швидкість змінюється від  0  до  V  (рис. 2.2). У точці  А  швидкість потоку дорівнює нулю внаслідок зчеплення частинок повітря з поверхнею тіла.

Таким чином, на ділянці  АВ  сильно змінюється величина швидкості. Значить, тут найбільшою мірою виявляється в'язкість повітря.

Рис. 2.2. До визначення в'язкості рідини.

Сила тертя  τ, що доводиться на одиницю площі поверхні, прямо пропорційна градієнту швидкості по нормалі , тобто швидкості зрушення сусідніх шарі повітря:

τ = µ,

де   µ - коефіцієнт пропорційності, званий динамічним коефіцієнтом в'язкості.

Динамічний коефіцієнт в'язкості залежить від температури. Чим більше температура, тим він більший. При  t = 15 ºС для повітря  µ = 17,84·10-6 Н·с/м2.

В аеродинаміці часто використовують коефіцієнт кінематичної в'язкості . При  t = 15 ºС для повітря   = 1,45·10-5 м2/c.

Критерієм, що характеризує в'язкість рідини (газу), є число Рейнольдса

Re = ,

де   L – характерний лінійний розмір твердого тіла, щодо якого рухається рідина (газ), зі швидкістю  V.

Для порівняння двох рідин (газів), рухомих з однаковою швидкістю поблизу тіл з однаковим лінійним розміром, у рідини (газу) з більшою в'язкістю число  Re  менше.

У аеродинаміці часто користуються поняттям “ідеальний газ” або “ідеальна рідина”, яке характеризується повною відсутністю в'язкості. Це роблять для спрощення рішення задачі про рух малов'язких рідин і повітря.

Теплоємність слід розглядати як властивість повітря поглинати деяку кількість тепла при нагріванні і віддавати при охолоджуванні. Характеристикою цієї властивості є питома теплоємність.

Питома теплоємність - кількість тепла, необхідна для нагрівання 1 кг повітря на 1°К. Одиницею виміру питомої теплоємності в системі СІ є Дж/кг·К.

Питома теплоємність залежить від хімічного складу, стану повітря і процесу підведення йому тепла (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Умови нагрівання повітря:

а) при постійному об’ємі  υ = const (ізохора);  б) при постійному тиску   р = const (ізобара).

При  р = const теплота витрачається не лише на підвищення температури, але і на здійснення механічної роботи розширення, тому       ср > cυ ,

де   ср - питома теплоємність при постійному тиску, Дж/кг·К;

cυ - питома теплоємність при постійному об'ємі, Дж/кг·К.

Різниця  ср - cυ = R  є кількістю тепла, перетвореного в механічну роботу розширення, де   R - універсальна газова стала, така, що є роботою розширення 1 кг повітря при нагріванні його на 1º К, Дж/кг·К.

Відношення  ср / cυ = k   називається показником адіабати.


2.3. Земна атмосфера, її склад та структура. Міжнародна стандартна атмосфера         [1], c. 26-28

Атмосферою Землі називається повітряна оболонка, що оточує нашу планету. Вона забезпечує можливість життя на землі, захищає її від ультрафіолетової і космічної радіації, різких коливань температури. Перша спроба вивчення атмосфери була зроблена в глибокій старовині Аристотелем (384–322 рр. до нашої ери), але і до цих пір складні атмосферні явища до кінця не вивчені.

Стан атмосфери на різній висоті в основному характеризується густиною, тиском і температурою. Нижньою межею атмосфери служить поверхня Землі. Верхня її межа точно не встановлена. Умовно за верхню межу атмосфери прийняті висоти
2000–3000 км, де густина повітря в 16·1017 раз менше, ніж у Землі.

Атмосфера Землі складається з суміші газів. Сухе очищене від пилу повітря поблизу земної поверхні за об'ємом складається з 78,09% азоту, 20,95% кисню, 0,93% аргону, 0,03% вуглекислого газу. Кількість інших газів (водню, гелію, криптону, радону, йоду, озону, метану), що входять до складу повітря, дуже невелика.

До висоти 100 км склад атмосфери не змінюється, оскільки розділенню газів перешкоджає безперервний турбулентний рух повітря. Цей шар називається гомосферою (однорідний). Непостійним є тільки вміст вуглекислого газу, водяного пару і пилу. Вміст вуглекислого газу в нижніх шарах атмосфери постійно збільшується за рахунок спалювання палива і життєдіяльності фауни. Пил поступає в атмосферу як з поверхні землі (заводи, безводні пустелі, степи, вулкани), так і з космосу. Космічний пил утворюється головним чином при згоранні метеоритів.

Вище 100 км розташована гетеросфера (неоднорідний шар). Тут під дією ультрафіолетової радіації Сонця молекули газів розщеплюються на атоми. Склад повітря по висоті значно змінюється. На висотах 500–1000 км переважає газ гелій.

Тиск і густина повітря з висотою швидко зменшуються. Основна маса повітря (90%) зосереджена в шарі до висоти 30 км.

Атмосфера Землі схильна до постійної дії ультрафіолетового, електромагнітного і корпускулярного випромінювання Сонця і дії магнітного поля Землі. Сонячна енергія є джерелом іонізаційних, хімічних, фотохімічних і метеорологічних перетворень в атмосфері.

По характеру зміни температури з висотою і іншими фізичними властивостями атмосферу прийнято ділити на декілька шарів (сфер).

У 1962 р. Всесвітня метеорологічна організація (ВМО) встановила наступні назви шарів атмосфери:

1. Тропосфера - це шар повітря, безпосередньо прилеглий до Землі. Висота тропосфери коливається в межах від  7  до  8 км  над полюсами і від 16 до 18 км  над екватором. У середніх широтах висота тропосфери складає приблизно 11 км. Оскільки густина повітря швидко зменшується з висотою, то в тропосфері зосереджено близько  80%  всієї маси атмосфери. Для неї характерні дуже інтенсивне вертикальне переміщення повітря, вітри, хмарність, випадання опадів. Серйозну небезпеку для польотів літака представляють такі атмосферні явища в тропосфері, як обмерзання, грози, поривчасті вітри, запорошені бурі. Ці явища можуть викликати небезпечні вібрації літака, створити перевантаження, порушити його балансування, стійкість і керованість. Особливо небезпечні струменеві течії, що виникають на висоті 8–10 км. Ці течії є ураганними вітрами зі швидкістю 30–100 км/год.

Для короткохвильового випромінювання Сонця атмосфера є „прозрачной” і нагрівання повітря походить від поверхні землі. Тому в міру видалення від поверхні землі температура повітря в тропосфері знижується приблизно на 6,5°С на кожні  1000 м. Вертикальний температурний градієнт схильний до сезонних і добових коливань, значення його може змінюватися від  3  до  7°С  на кожні  1000 м. Температура повітря у землі може змінюватися в широких межах: від  –70°С  у районах Якутії до  +55°С  у пустелях.

2. Стратосфера розташована вище за тропосферу і тягнеться до висоти приблизно 50–55 км. Температура повітря верхнього шару тропосфери і до висоти 25–30 км стратосфери майже постійна і рівна –56,5°С. Після  30 км  температура повітря підвищується на 1–2°С  на кожний кілометр і на верхній границі стратосфери сягає +0,8°С. Підвищення температури пов'язане з тим, що під впливом ультрафіолетової радіації Сонця утворюється озон (О3). У верхній тропосфері і нижній стратосфері зустрічаються струменеві течії шириною в сотні кілометрів, в межах яких вітер досягає
150500 км/год. Опади в стратосфері майже відсутні.


3. Мезосфера  розташована вище за стратосферу і тягнеться до висоти 80 км. Для неї характерне зниження температури повітря. На верхній межі мезосфери температура стає рівною  –75°С. У мезосфері міститься близько  0,3%  всієї маси атмосфери.

4. Термосфера  розташована на висоті від  80  до  800 км. У цьому шарі під впливом ультрафіолетового і корпускулярного випромінювань Сонця відбувається іонізація молекул повітря, що приводить до підвищення його температури. На висоті
150 км  температура рівна  +220–240°С, а на висоті 200 км - більш +500°С і далі збільшується, досягаючи  +750°С. У нижній термосфере згорають метеоритні потоки.

5. Екзосфера знаходиться на висотах більше  800 км  і є перехідною зоною до космічного простору. Температура зростає до +2000°С.

Внаслідок сильної іонізації повітря верхня область атмосфери  (від 40 до 800 км)  отримала назву іоносфери.

Основні шари атмосфери один від одного відділяються перехідними шарами - паузами  (тропопауза, стратопауза, мезопауза і термопауза).

На рис. 2.4 показані шари атмосфери і зміна температури повітря атмосфери залежно від висоти над Землею.

Рис. 2.4. Зміна параметрів атмосфери Землі.

В даний час польоти літаків проходять в межах від початку стратосфери до висот  20–25 км, де температура постійна і складає  –56,5°С. Тут немає хмарності, опадів і відсутня небезпека обмерзання. На політ літального апарату впливають параметри повітря, які непостійні за часом і залежать від географічного місця розташування. Таким чином, випробування літака у польоті, проведені в різний час і в різних географічних умовах, не будуть однаковими, та і порівнювати їх буде дуже важко. Тому стало необхідним наводити результати льотних випробувань до одних і тих же атмосферних умов (до стандартної атмосфери). Це умовна атмосфера, фізичний стан якої відповідає деякому середньому за часом і географічній широті стану дійсної атмосфери. За початкові умови міжнародної стандартної атмосфери (МСА) прийняті параметри повітря, відповідні умовам на рівні моря:

тиск                            р0 = 101300 Па = 760 мм рт.ст.;

температура              Т0 = 288 °К;   t0 = 15 °С;

густина                       = 1,225 кг/м3 = 0,125 кгс∙с24;

швидкість звуку       а0 = 340,2 м/с = 1224 км/год.

Для висот, що не виходять за межі тропосфери (до 8 км над полюсами і до 18 км над екватором), параметри повітря можна обчислити по формулах В.П. Ветчинкина:

де  H – висота в км.

Зміна параметрів повітря з підйомом на висоту (згідно МСА).

Висота, м

Барометричний тиск

Температура, ºС

мм рт. ст.

кгс/см2

0

760,0

1013,25

+ 15,00

2500

560,24

794,98

- 1,27

11000 - 25600

170,19 - 18,95

226,90 - 25,26

- 56,50 = const

26000

16,22

21,62

- 53,76

46000 - 54000

1,04 - 0,39

1,38 – 0,52

+ 0,84 = const


(Л4)    2.4. Основні закони гидроаеродинаміки     [1], c. 28-31

Гідроаеродинамікою називається наука про загальні закони руху рідин і газів. Основоположниками гідроаеродинаміки по праву вважаються Л. Ейлер (1707-1783 рр.) і Д. Бернуллі (1700-1782 рр.).

Гідродинамікою Данііл Бернуллі вперше назвав науку про закони руху рідини. Але оскільки закони руху повітря і рідини виявилися багато в чому однаковими, пізніше почав використовуватися узагальнений термін „гідроаеродинаміка”.

2.4.1. Основні поняття гидроаеродинаміки

Потоком називається середа, що здійснює рух в певному напрямі. Річка, вітер, морська течія - приклади потоку.

Основними параметрами, що характеризують потік, є густина, площа поперечного перетину, швидкість, тиск, об'ємний росхід, масовий розхід, питомий розхід.

Об'ємним розходом називається об'єм рідини (повітря), що протікає через перетин потоку за 1 секунду          Qυ = V·S,

де   Qυ – об’ємний розхід;

V – швидкість частинок в перетині;

S - площа пересічного перетину.

Масовим розходом називається маса рідини (повітря), що протікає через перетин потоку за 1 секунду       Qm = ·V·S,

де   Qm — масовий розхід;

— густина.

Питомим розходом називається маса рідини (повітря), що протікає через одиницю площі перетину потоку за 1 секунду

Qпит = Qm / S = (·V·S) / S = ·V.

Траєкторія руху частинки - це лінія, по якій рухається частинка потоку в просторі та в часі.

Лінія струменя - це деяка лінія, в кожній точці якої напрям дотичної (рис. 2.5) збігається з напрямом вектора швидкості. Через кожну точку потоку може проходити тільки одна лінія струменя, оскільки інакше вектор швидкості однієї частинки повинен мати два (або декілька) різних напрямів, що фізично неможливе.

Рис. 2.5. Лінія струменя.

Лінії струменя від траєкторій частинок відрізняються тим, що показують напрям руху різних частинок в даний момент часу, а траєкторія фіксує положення однієї і тієї ж частинки в різні моменти часу.

Рух потоку може бути сталим або несталим.

Сталим називається такий рух рідини або газу, при якому в даній точці простору, займаного потоком, швидкість і тиск не змінюються в часі. Це означає, що через дану точку простору всі частинки проходять з однаковою швидкістю.

У природі частіше зустрічається несталий рух, що відрізняється надзвичайною складністю. При такому русі траєкторії частинок заплутані, перетинаються самі з собою і одна з одною. І лише при сталої (стаціонарної) течії лінії струменя і траєкторії співпадають.

Якщо рух сталий, то швидкості частинок в даній точці повинні залишатися постійними в часі  V= const. Отже, якщо деяка частинка послідовно переміщатиметься від А до В, від В до С і так далі, як по траєкторії, то її швидкість прийматиме значення  VA;  VB;  VС; ; ... . А це означає, що траєкторія поєднається з лінією струменя.

Струйка - частка потоку, обмежена поверхнею, утвореною лініями струменя, що проходять через деякий малий замкнений контур (рис. 2.6). Тому струйка має таку дуже важливу властивість: через її бічну поверхню розхід рідини (газу) неможливий. Сукупність елементарних струйок утворює потік.

Рис. 2.6. Струйка.


2.4.2. Моделі обтічності

Реальні явища природи дуже складні і недоступні для строго теоретичного аналізу. Тому для побудови теорії того або іншого явища доводиться схематизувати дійсність і брати як об'єкт вивчення не реальне явище, а його спрощену фізичну модель. У теоретичній аеродинаміці прийнятий цілий ряд моделей обтікання тіл потоком повітря.

Перша модель - корпускулярна - була запропонована І.Ньютоном. При побудові своєї теорії він виходив з припущення, що повітря складається з окремих, не зв'язаних між собою частинок - корпускул, які при взаємодії з тілом втрачають повністю свою кінетичну енергію і прилипають до тіла, а частинки, що не зіткнулися з тілом, не змінюючи напряму, проходять мимо нього. За тілом утворюється застійна область, що йде в нескінченність.

Ця модель мала великий недолік. Вона не розглядувала обтікання тіла і тому давала велику помилку при обчисленні сили опору для щільних шарів повітря.

Останнім часом ця модель почала використовуватися при вивченні явищ обтікань тіл розрідженими газами. Якщо газ є сильно розрідженим, то молекули знаходяться одна від одної на значній відстані і довжина їх вільного пробігу велика. Так, наприклад, на висоті приблизного 160 км над рівнем моря в 1 мм3 повітря міститься всього одна молекула, тобто в 2,7·1016 раз менше, ніж у землі за нормальних умов. Така газова середа не може вважатися за безперервну, а дійсно складається з розрізнених частинок.

Друга модель - „ідеальна рідина”. Рідина, оточуюча тверде тіло, вважається за суцільну середу, позбавлену властивостей в'язкості і стисливості. Вона не має такого недоліку, як модель Ньютона. Математичне дослідження цієї моделі привело до трьох диференціальних рівнянь руху рідин (рівняння Л.Ейлера), вирішення яких дає можливість визначення швидкості в будь-якій точці потоку (середовища), оточуючого тіло.

Пізніше модель „ідеальна рідина” вивчалася М.Є. Жуковським і його учнями. В результаті дослідження цієї моделі була розроблена теорія, що пояснює причину виникнення піднімальної сили. Виводи теорії, побудованої на моделі „ідеальна рідина”, справедливі, якщо відношення розмірів тіла до довжини вільного пробігу молекул не менше 105.

Третя модель - „стислива рідина” - досліджувалася С.А. Чаплигиним і його послідовниками. В результаті цих досліджень створена наука - газова динаміка, що вивчає закони руху тіл в повітрі і газах зі швидкостями, при яких необхідно враховувати стисливість.

Четверта модель - „в'язка рідина” - вивчалася Л. Прандтлем. В результаті виникла теорія межового шару. В даний час вчені-аеродинаміки досліджують складні моделі обтікання тіла в'язкою стисливою середою і модель обтікання тіла плазмою. Остання є високотемпературним середовищем, що складається з суміші електрично заряджених і нейтральних частинок. Будучи четвертим агрегатним станом матерії, плазма електропровідна і взаємодіє з магнітними полями. Середовище, подібне до плазми, утворюється при гальмуванні в атмосфері космічних об'єктів.

Кожна модель враховує тільки істотні (головні) ознаки явищ і відкидає другорядні. Чим більше ознак явищ зберігає модель, тим точніше виводи побудованої на її основі теорії, але тим більше труднощів виникає при її дослідженні.


2.4.3. Рівняння для ідеальної рідини

Застосував закон збереження матерії до струйки рідини, Л.Ейлер вивів і в 1756 р. опублікував рівняння постійності масового розходу або рівняння нерозривності для ідеальної рідини. Рівняння нерозривності встановлює залежність між швидкістю течії рідини в струйке  V  і площею поперечного перетину струйки  S. Виділимо в струйці ідеальної рідини довільний перетин  S  (рис. 2.7). За 1 секунду через цій перетин пройде деякий об'єм рідини, який є об'ємним розходом  Qυ.

Рис. 2.7. До виведення рівняння нерозривності.

Оскільки рідина ідеальна, стискування і розширення її виключене. Розхід через бічну поверхню струйки неможливий (з визначення струйки), тому для нерозривності струйки необхідно і достатньо, щоб об'ємний розхід рідини  Qυ  через всі перетини струйки був постійним  Qυ = const або  S·V = const. Звідки витікає, що при сталому русі ідеальної рідини швидкість обернено пропорційна площі поперечного перетину струйки     V = const / S.

З рівняння видно, що якщо площа поперечного перетину стуйки (потоку) зменшується у декілька разів, то швидкість течії в це ж число разів збільшується і, навпаки. Ця закономірність справедлива для малих швидкостей течії рідини і повітря. Збільшення швидкості все більше впливатиме на зміну густини. Наприклад, при надзвуковій швидкості течії повітря зменшення його густини зі зростанням швидкості стає таким значним, що змінюється якісна залежність між змінами поперечних перетинів труби і змінами швидкості.

Рівняння нерозривності виражає закон нерозривності або закон постійності масового розходу рідин і газів. Закон нерозривності дуже часто підтверджується явищами природи. Ріка на мілинах, перекочуваннях, в теснинах завжди має велику швидкість течії. В ущелинах дмуть сильні вітри. У техніці закон нерозривності використовують у форсунках, пульверизаторах, соплових апаратах, аеродинамічних трубах.


Рівняння Бернуллі, що виражає закон збереження енергії для рухомого ідеального рідкого середовища, назване по імені академіка Петербурзької академії наук
Д. Бернуллі. Вперше воно було опубліковане Д. Бернуллі в 1738 р. в праці „Гідродинаміка”. Рівняння Бернуллі встановлює залежність між тиском  р  і швидкістю  V  струйки (потоку) для ідеальної рідини (газу).

Розглянемо струйку ідеальної рідини в припущенні, що обміну енергією між струйкою і навколишнім середовищем немає (струйка нестислива). На підставі закону збереження енергії можна стверджувати, що енергія струйки в усіх перетинах постійна:

Е1 = Е2 = Е3 =  Е4 = ,.. = Еn = const.

Повна енергія струйки  Е  складається з кінетичної  Екін  і потенційної  Епот. Отже, попереднє рівняння можна записати як

Е = Екін + Епот = const.

Кінетична енергія повітря, що пройшло через довільний перетин струйки за час  Δt, дорівнює:  Екін = m·. Після підстановки  m = Qm Δt  в цей вираз отримаємо

Екін = Qm·Δt·,

де   Qm – масовий розхід повітря;

Δt – час руху струйки.

Потенційна енергія складається з енергії положення  ЕG, енергії тиску  Ет і внутрішній тепловій енергії  Евн, тобто   Епот = ЕG + Ет + Евн.

Енергія положення - це здатність рідини або повітря проводити роботу при зміні висоти центру маси. При обтіканні літака потоком повітря висоту центрів маси перетинів струйок можна вважати за постійну

ЕG = G·h = m·g·h = Qm·Δg·h = const,

де   G - вага повітря;

h – відстань від центру маси даного перетину струйки до деякої горизонтальної плоскості;

g - прискорення вільного падіння.

Енергія тиску повітря, що проходить через довільний перетин струйки за час Δt, дорівнює роботі сили тиску  Ад  за цей час (рис. 2.8):

Ет = Ад = p·S·V·Δt,

де   р – тиск в даній течії струйки;

S – площа пересічного перетину струйки;

V Δt - шлях частинок за час  Δt.

Рис. 2.8. До виведення рівняння Бернуллі.

Помножимо і розділимо цей вираз на густину повітря  

Ет = Ад = p·S·V·Δt·.

Враховуючи, що  S·V· = Qm,  то

Ет = Qm·Δt·.

Внутрішня енергія вимірюється кількістю тепла і характеризує здатність повітря (або іншого газу) проводити механічну роботу при зниженні температури, яке можливе за рахунок теплообміну з навколишнім середовищем, або розширення (зменшення густини) повітря. Оскільки за умовою теплообмін із зовнішньою середою відсутній, а ідеальна рідина нестислива, то температура, а отже, і внутрішня енергія газу у всіх перетинах струйки залишаються незмінними

Евн = const.

Після підстановки виразів для всіх видів енергії повна енергія потоку Е запишеться як:

Е = Екин + Епот = Екин + ЕG + Ет + Евн = Qm·Δt· + const + Qm·Δt    + const = const.

Припустимо, що Qm·Δt = const, приводимо рівняння до наступного вигляду:

+  = const.

Помноживши обидві частки цього рівняння на   = const, отримаємо остаточну форму рівняння Бернуллі для ідеальної рідини:

р +  = const,

де   р – статичний тиск;

- швидкісний натиск.

Статичний тиск рідини або газу рівномірно передається на всі боки. Тому тиск, що діє на поверхню, паралельну потоку, є статичним. Статичний тиск визначає потенційну енергію потоку (рис. 2.9).

Швидкісний натиск є додатковий тиск на поверхню, перпендикулярну руху потоку, і визначає його кінетичну енергію (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Фізична суть статичного тиску і швидкісного натиску.

Закон Бернуллі для ідеальної рідини читається так: „При сталому русі ідеальної рідини сума статичного тиску і швидкісного натиску є величина постійна в будь-якому перетині даної струйки”.

Таким чином, встановлюється зв'язок між швидкістю в даному перетині струйки і тиском в цьому ж перетині. Як випливає з рівняння, чим більше швидкість повітря в струйці, тим менше його тиск, і навпаки. Закон Бернуллі дає пояснення багатьом явищам природи.

На законі Бернуллі заснований принцип виміру швидкості польоту (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Вимір швидкості польоту.

Приймач повітряного тиску (ППТ) складається з двох трубок. Внутрішня трубка  1  є приймачем повного тиску  р + , а зовнішня трубка  2  приймає статичний тиск  р. Обидва штуцери ППТ сполучені з покажчиком швидкості  6, розташованим в кабіні пілота.

Під дією різниці тиску, яка дорівнює швидкісному натиску, мембранна коробка  4, що є чутливим елементом покажчика швидкості, деформується і через проміжну передачу пересуває стрілку  5  приладу, шкала  3  якого градуюється в одиницях швидкості. Градуювання шкали покажчика швидкості проводиться для умов польоту у землі, тобто при Но = 0 м  і   = 1,225 кг/м3.

Зміряна швидкість називається приладовою (Vприл.). Вона визначає величину аеродинамічних сил, що діють на літак. З підйомом на висоту, у зв'язку із зменшенням густини повітря, свідчення покажчика швидкості виявляються невірними.

Повітряна (істинна) швидкість літака  Vн  на висоті  Н  більша, ніж швидкість, що показується приладом, і визначається таким чином:

Vн = Vприл.·.

Рівнянням Бернуллі користуються для визначення граничної швидкості течії потоку. Зі збільшенням швидкості тиск в потоці зменшується і при деякому її значенні потік виявляється на межі розриву. Швидкість, відповідна цьому стану, називається граничною швидкістю течії (Vгран.  на  рис. 2.11).

Рис. 2.11. Кавітація рідини.

Запишемо рівняння Бернуллі для двох перетинів, між якими швидкість змінюється від  Vо = 0  до  V = Vгран., а тиск змінюється від  ро  до  р = 0:

ро +  = р + .

Підставив в це рівняння Vо = 0  и  р = 0,  отримаємо:     ро = , звідки

Vгран. = .

Експерименти і практичний досвід свідчать про те, що при досягненні Vгран. настає якісно нове явище, зване кавітацією. Кавітація супроводжується утворенням розривів і порожнин в струмені і гідравлічними ударами при їх з'єднанні і замиканні на стінку труби. При цьому виникають великі втрати енергії потоку, збільшується опір.

При експлуатації літаків кавітація може виникати в рідинних системах (гідросистемі, паливній системі) при польоті на великих висотах, оскільки  Vгран. зменшується при падінні атмосферного тиску.

При кавітації знижується К.П.Д. гідравлічних механізмів і машин (насосів, гребних гвинтів), збільшуються корозія і руйнування матеріалів. Тому при проектуванні паливних, масляних, гідравлічних літакових систем доводиться визначати граничну швидкість і приймати спеціальні заходи для виключення цього небезпечного явища.

Кавітація може виникнути і як наслідок неправильного технічного обслуговування, недбалого поводження з технікою, наприклад - зім'яття і різкий перегин трубопроводів, забруднення дренажу і тому подібне.


2.5. Обтікання тіл потоком повітря       [1], c. 34-37

2.5.1. Принцип оборотності

При русі будь якого тіла в нерухомому повітрі виникає сила опору  R1, яка залежить від швидкості  V  переміщення тіла щодо повітря (рис. 2.12, а).

Рис. 2.12. Принцип оборотності.

Якщо закріпити тіло нерухомо і направити на нього потік повітря, зберігши таку саму швидкість  V, то сила опору  R2  буде така ж (рис. 2.12, б), що і в першому ви-падку (рис. 2.12, а). Такий прийом називається зверненням руху. Отже, принцип оборотності полягає в тому, що величина, напрям і точка додатка аеродинамічних сил не залежать від того, чи обтикається тіло потоком повітря, або рухається в нерухомому повітрі.

Принцип оборотності дає можливість проводити аеродинамічні дослідження в лабораторних умовах, коли тіло нерухомо закріплене в аеродинамічній трубі, а повітряний потік, що створюється трубою, обтікає тіло з необхідною швидкістю. Це значно спрощує вимір аеродинамічних сил і моментів, які діють на тіло.

До історії аеродинаміки увійшов так званий парадокс Дюбуа. Він поставив під сумнів справедливість принципу оборотності, оскільки виявив, що опір тіла, що покоїться в каналі з рухомою водою, більше, ніж опір того ж тіла, що протягається в нерухомій воді з тією ж швидкістю. М. Є. Жуковський довів, що причиною парадоксу є система вихорів, що утворюються на стінках каналу, при русі в нім води.


2.5.2. Аеродинамічні спектри

Аеродинамічним спектром називається видима картина обтікання тіла потоком повітря. Спектри обтікання тіл повітряним потоком отримують за допомогою димових труб, гідроканалів або методом „шовковинок”, в'язких покриттів, оптичним методом.

У димових трубах візуалізація течії забезпечується введенням в потік повітря струйок диму. Димовий спектр дозволяє досліджувати ламінарні й турбулентні течії, відрив межового шару, управління межовим шаром. Картини обтікання різних профілів крила при різних кутах атаки α, отримані в аеродинамічної димової трубі, приведені на фотографіях (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Фотографії димових спектрів обтікання профілю крила.

Метод „шовковинокдозволяє виявити „дефекти” обтікання. При безвідривному режимі течії шовковинки, прикріплені одним кінцем до обтічної поверхні, спокійні і орієнтовані у напрямі потоку. При зриві потоку вони коливаються і міняють напрям.

На в'язкому покритті обтічного тіла при достатньо тривалому продуванні його в аеродинамічній трубі прокреслюються „лінії струменя”, що виявляють картину обтікання.

Оптичні методи отримання аеродинамічних спектрів використовують ефект зміни густини повітря (стисливості) при великих швидкостях потоку. При зміні густини повітря плоскопаралельний пучок світла відхиляється, утворюючи на екрані світлі або темні смуги.

На великій відстані від тіла потік не деформований, струйки течуть прямолінійно з однаковою швидкістю. Такий потік називається незбуреним. Поблизу тіла струйки змінюють свій напрям і площу поперечного перетину. Від цього змінюються швидкості повітря в струйках. Потік, струйки якого деформовані присутнім в нім тілом, називається збуреним.

Аеродинамічний спектр будь-якого тіла складається з незбуреного і збуреного потоків. Збурений потік у свою чергу складається із зовнішнього нев'язкого (потенційного) шару  1, межового шару  2 і супутнього струменя  3 (рис. 2.14, а). Аеродинамічні спектри дають можливість зрозуміти фізичну суть обтікання тіла потоком повітря. За своєю будовою аеродинамічні спектри бувають плавні і віхрьові (рис. 2.14, б), симетричні і несиметричні.

      

Рис. 2.14. Аеродинамічні спектри:

а) елементи спектру;          б) види спектру.

Чим більше збурення потоку, тим більший опір випробовує тіло. Таким чином, дослідження аеродинамічних спектрів дає можливість вибрати найбільш зручнообтічні форми, визначити дефекти в обтіканні тієї або іншої частини літального апарату, визначити характер взаємодії близько розташованих частин ЛА одна на одну і багато що інше.

Вчені і авіаконструктори знайшли засоби направленої дії на спектри обтікання частин ЛА з метою поліпшення його льотних характеристик і забезпечення безпеки польотів.


2.6. Межовий шар     [1], c. 35-37

Теорія межового шару була розроблена німецьким ученим Л. Прандтлем в 1904 р.,
пізніше розвинена в роботах англійського вченого
Т. Кармана і радянських вчених: Л.С. Лейбензона, Н. Е. Кочина, А.А. Дородніцина, Л.Г. Лойдянського та ін.

Внаслідок в'язкості повітря близько розташовані до тіла шари повітряного потоку пригальмовуються. Тому в міру видалення від поверхні тіла гальмування частинок повітря поступово зменшується і на деякій відстані припиняється повністю.

Межовим називається тонкий пригальмований шар повітря поблизу поверхні рухомого тіла, який утворюється під впливом в'язкості. Безпосередньо на поверхні тіла, обтічного в'язкою рідиною (газом), частинки її (його) загальмовуються повністю, і їх швидкість стає рівної нулю. В міру віддалення від поверхні тіла швидкість частинок збільшується і на деякій відстані, рівній товщині межового шару, стає практично рівній швидкості незбуреного потоку. Зовнішню границю межового шару точно визначити неможливо. Можна прийняти, що зовнішня границя знаходиться від поверхні тіла на відстані, на якої швидкість частинок досягає  99,5 %  швидкості зовнішнього нев'язкого потоку (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Розподіл швидкостей в межовому шарі.

Товщина межового шару (відстань від поверхні обтічного тіла до зовнішньої границі межового шару) залежить від форми тіла, положення його в потоці повітря, швидкості потоку, стану поверхні тіла, в'язкості і густині повітря та збільшується від носової частини тіла до хвостової. Поблизу передньої кромки крила товщина межового шару дорівнює декільком міліметрам, а у задньої кромки крила досягає 100 мм і більш. Чим рівніше поверхня тіла і чим менше швидкість потоку, тим межовий шар тонший.

Характеристикою межового шару може служити градієнт швидкості (рис. 2.15)

ΔV / Δn,

де   Δn - відстань між частинками, що взяті на одній нормалі, мм;

ΔV - різниця швидкостей цих частинок, м/с.

Градієнт швидкості показує зміну швидкості на 1 мм товщини межового шару.

Частинки повітря межового шару унаслідок зростання їх швидкості від нуля (на поверхні тіла) до швидкості незбуреного потоку  V  (на зовнішній границі межового шару) мають прагнення до обертання. Якщо в межовому шарі виділити деякий об'єм повітря, то на верхній грані цього об'єму повітря швидкість потоку буде більша, ніж на нижній грані. Шар, що примикає до нижньої грані даного об'єму повітря, викликає сповільнення руху цього об'єму, а шар, що примикає до верхньої грані, викликає прискорення руху. Таким чином, виникає пара сил  ΔN, яка призводить даний об’єм повітря до обертання, створюючи вихор межового шару (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Причина утворення вихору межового шару.

Поблизу передньої кромки обтічного тіла і в межовому шарі на передній частині поверхні тіла течія повітря складається з шарів (усі струйки переміщаються паралельно одна одної). Ця ділянка обтікання називається ламінарним межовим шаром (ламінарна течія). На деякій відстані від передньої кромки (в місці найбільшої висоти тіла) частинки повітря починають інтенсивно перемішуватися по товщині шару, переходячи в турбулентний межовий шар (турбулентна течія). Механізм турбулентної течії дуже складний. Перехід ламінарного межового шару (течії) в турбулентний здійснюється на деякій ділянці – в області переходу, але для зручності розрахунків цю ділянку замінюють однією точкою – точкою переходу. Положення точки переходу від ламінарній течії до турбулентній залежить від форми, стану поверхні і швидкості руху тіла. Наприклад, для крила літака точка переходу визначається абсцисою максимальної товщини профілю крила  хс  (рис. 2.17).


Рис. 2.17. Види течій в межовому шарі:

1 - ламінарна течія;      2 - турбулентна течія.

Якщо на обтічному тілі є ламінарний і турбулентний шар, то в цьому випадку межовий шар називається змішаним.

Для збільшення ламінарній частини межового шару застосовують особливі ламінірізовані форми крила, фюзеляжу і оперення, підвищують гладкість поверхні, управляють межовим шаром.

При обтіканні тіла потоком рідини (повітря) може спостерігатися відрив межового шару, що спричиняє за собою, наприклад, зменшення піднімальної сили крила. Це явище спостерігається на тих ділянках поверхні обтічного тіла, де по довжині обтічного тіла швидкості зменшуються, а тиск збільшується. В цьому випадку підвищений тиск примушує частинки повітря, які втратили кінетичну енергію, рухатися вбік, протилежний потоку, що набігає. Рух частинок повітря назустріч набігаючому потоку викликає появу зворотних швидкостей і вихорів, що відокремлюють межовий шар від поверхні обтічного тіла. Відрив межового шару спостерігається при обтіканні криволінійних поверхонь. Схематично це явище при обтіканні профілю крила на великих кутах атаки показано на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Явище відриву межового шару.

Явище відриву межового шару змінює всю картину обтікання крила, а це дуже небезпечно, оскільки приводить до різкого зменшення несучої здатності крила, погіршенню стійкості і керованості літака. Розвиток зриву потоку залежить від форми і стану поверхні тіла, а також від характеру течії повітря в межовому шарі. Тіла, що мають витягнуту по потоку форму з плавними контурами (зручнообтічні), не схильні до зриву потоку на відміну від незручнообтічних тіл з великими поперечними розмірами.

При турбулентній течії відбувається інтенсивне перемішування межового шару і до нижніх найбільш загальмованих струйок підводиться додаткова кінетична енергія. Це перешкоджає появі зворотних течій і утворенню вихорів. Тому турбулентний межовий шар стійкіший до зриву потоку, чим ламінарний. Щоб зменшити небезпеку зриву потоку, межовий шар піддають штучній турбулізації. Для цього на поверхні крила розташовують спеціальні виступи - турбулізатори.

На злітно-посадочних режимах при великих кутах атаки запобігання зриву потоку досягається збільшенням кінетичної енергії межового шару за допомогою систем управління межовим шаром.

Зрив потоку може виникнути в результаті порушення правил експлуатації літака, виходу на заборонені режими польоту та порушення центрування.

При недбалому технічному обслуговуванні із-за нещільного прилягання кришок люків, неповного закриття стулок і інших причин виникають місцеві зриви потоку („дефекти обтікання”), наслідком яких можуть стати небезпечні вібрації частин літака. Стікаючи з поверхні тіла, межовий шар утворює супутний струмінь, який є масою завихреного повітря.

На структуру межового шару впливають багато експлуатаційних чинників, таких як: обмерзання літака, пошкодження і забруднення обшивки, спотворення теоретичної форми профілю та ін.

Потенційним називається такий шар повітря, в якому кожен елементарний об'єм переміщається тільки поступально, без обертання. Сили внутрішнього тертя в потенційному потоці не виявляються, і тому на будь-якій відстані від тіла по нормалі до його поверхні швидкості частинок повітря однакові.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5794. Особенности спектрального представления непериодических сигналов 51.5 KB
  Особенности спектрального представления непериодических сигналов. Разложение в ряд Фурье. Рассмотрим некоторую функцию, отличную от нуля в интервале времени от t1 до t2. Этой функцией описывается непериодическое колебание S(t). По...
5795. Изучение законов колебательного движения с помощью физического маятника 154.5 KB
  Изучение законов колебательного движения с помощью физического маятника Цель работы: Изучить колебательный процесс на примере физического маятника. Определить приведенную длину и моменты инерции физического маятника. Оборудование: ...
5796. Определение момента инерции тела методом крутильных колебаний. Лабораторная работа 88.2 KB
  I. Цель работы: определение момента инерции тела методом крутильных колебаний. II. Приборы и принадлежности: экспериментальная установка, секундомер, штангенциркуль, измерительная линейка. III. Теоретическая часть. При изучении вращатель...
5797. Классическая музыка в системе развития и воспитания детей раннего возраста 879.58 KB
  Актуальность исследования. Роль и значение музыкального искусства в цивилизованном обществе исключительно велика, поскольку музыка служит уникальным по своей природе средством коммуникации в социуме она передает в мировом сообществе мысли,...
5798. Технологічний процес виробництва пробіотичного препарату на основі мікроорганізму Enterococcus faecium 1.53 MB
  Проект виробництва пробіотичного препарату на основі мікроорганізму Enterococcus faecium в ліофільно висушеній формі складається зі вступу,чотирьох розділів,графічних матеріалів та списку використаної літератури...
5800. Особенности нормирования труда в рыночных условиях на примере ЦШИ ОАО Носта 590.35 KB
  Многолетний период реформирования директивно-управляемой экономической системы к настоящему времени практически завершен, в результате чего фактически сложился новый тип экономики. Предприятиям, независимо от форм собственности, предоставле...
5801. Чай и его товароведческая характеристика 191.11 KB
  Чай Потребление чая связано с национальными и историческими традициями разных стран.Для многих народов чай является продуктом первой необходимости,а некоторые народы считают его наравне с хлебом как жизненно важный,ничем не з...
5802. Анализ PR-деятельности по продвижению предприятия и разработка путей и способов повышения эффективности ООО Вкусный Урал Pizza to Pizza 718.11 KB
  Введение Усиление динамичности внешней и внутренней среды компаний в условиях нестабильной рыночной экономики требует специальных подходов к совершенствованию бизнеса ориентированных на постоянное повышение его конкурентоспособность...