Аэродинамика «на пальцах»
From: Олег Музальков
Subject: Турбулизатор
Date: Fri, 27 Jun 2003
Любознательный Камиль вновь и вновь вопрошает:
А я думал, что турбулентное обтекание это уже срыв.
Что же тогда срыв? Катасрофически турбулентное обтекание что-ли?
Попытаюсь в меру своего разумения объяснить, что такое срыв(отрыв)
погранслоя, который в свою очередь может быть как ламинарным, так и
турбулентным.
ПочуЙствовать погранслой летом может кажНый. Для этого надо выйти во чисто
поле в умеренно ветренную погоду (4-8м/сек) и лечь в траву кверху воронкой
ротового отверстия.
И вы заметите, что ветерок вблизи земли слабее, чем на высоте вашего роста,
ну а для муравьев и прочих земляных букашек на расстоянии несколько мм от
земли ветра словно и нет. На высоте 10-20-100м от поверхности земли скорость
ветра достигает какого-то определенного значения и дальше уже практически не
растет с высотой.
При одном и том же ветре высота погранслоя меньше над гладкой водной
поверхностью, а над неровной и заросшей кустами и деревьями землей высота
погранслоя больше.
Высота, на которой скорость потока составляет 99% от скрости на очень
большом расстоянии и есть толщина погранслоя.
Погранслой, но гораздо меньшей толщины, можно наблюдать с помощью
специальных приборов и на крыле дельтаплана, где толщина слоя, как уже
выясняли, растет на передней кромке от нуля до нескольких десятков мм вблизи
задней кромки.
Движение струек воздуха в этом самом погранслое может быть как гладким и
плавным при ламинарном течении, так и беспорядочным и хаотическим при
турбулентном.
Здесь ламинарное течение можно сравнить со стройным маршем войск на параде,
а турбулентное - с несущейся толпой болельщиков выигравшей/проигравшей
команды. И та и другая масса людей может двигаться в среднем с одинаковой
поступательной скоростью, но энергия движения разгоряченных болельщиков
будет гораздо выше.
Это надо запомнить.
Чтобы увидеть, как ламинарное течение переходит в турбулентное-достаточно
сесть в кресло, открыть бутылку любимого пива, затянуться сигаретой,
стряхнуть пепел и внимательно посмотреть на струйку дыма, идущую вверх от
сесть в кресло, открыть бутылку любимого пива, затянуться сигаретой,
стряхнуть пепел и внимательно посмотреть на струйку дыма, идущую вверх от
горящего конца сигареты.
Если ваши руки не дрожат, то вы увидите ровные гладкие струйки дыма,
поднимающиеся вертикально вверх. На высоте нескольких см (уж забыл, скоко
точно на самом деле) струйки начинают перепутываться, завихряться, и течение
дыма становится турбулентным.
Спустя какое-то время после приема пива можно наблюдать и другую мощную
струю, которая на расстоянии нескольких десятков см от выходного отверстия
начинает терять устойчивость, дробиться, разлетаться на мелкие или
крупные -у кого как - янтарные капли.
Ламинарное течение, конечно, лучшее турбулентного, но не все так просто.
Ламинарное-это порядок, который трудно организовать и легко разрушить, а вот
бардак-он неистребим. Хаос в природе на самом деле гораздо более устойчив,
чем порядок.
И история наших стран тому подтверждение.
Ну а в ранее упоминавшейся книжке Г. Шлихтинга «Теория пограничного слоя» на
стр. 615 применительно к крыловым профилям записано: «...турбулентный
пограничный слой в состоянии преодолеть в 2,5 раза больший градиент
давления, чем ламинарный пограничный слой...».
И турбулентные погранслои лучше «прилипают» к поверхности и хуже отрываются.
А профили, на которых поддерживается различными мерами ламинарный
слой на возможно большей длине хорды (ламинарные профили) , имеют меньшее
(вредное) сопротивление, но потеря несущих свойств -срыв - там развивается
более резко, чем на обычных профилях.
Сопротивление обычных профилей выше, потому что свою энергию турбулентный
погранслой черпает из набегающего потока, съедая его энергию и создавая тем
самым повышенное сопротивление. Но потому то такие течение более устойчивые,
и для учебных аппаратов лучше применять обычные профили пусть с бОльшим
сопротивлением, но с плавным ходом поляры в области большИх углов атаки.
и для учебных аппаратов лучше применять обычные профили пусть с бОльшим
сопротивлением, но с плавным ходом поляры в области большИх углов атаки.
Для повышения несущих свойств крыльев иногда ( при определенных числах
Рейнольдса - т. е скорости полета и длине хорды крыла) применяются
турбулизаторы.
В некоторых случаях за счет большей устойчивости турбулентного слоя к
отрыву, можно получить заметный выигрыш несущих свойств и/или СНИЖЕНИЕ
сопротивления (см. классические опыты Г. Прандля с проволочным кольцом на
шаре).
Вот почти дошли до самого отрыва.
Но ПРО ЭТО - в следующий раз, как будет время.
From: Олег Музальков
Subject: Турбулизатор
Date: Mon, 7 Jul 2003
Вернемся к нашим баранам.
И, так как имеется некоторое непонимание по сабжу, придется немного
повториться. Увы, материал настолько сложный и неоднозначный, что даже
простые на вид вещи трудно познаются. У чела ведь нет опыта птиц, рыб, нет
органов ощущения турбулентности течений.
Предположим у учебного Аэродинамическое Качество=7,
а у спротивного А.К.=15, означает ли это, что срыв на
спортивном, грубо говоря, в 2 раза резче чем на учебном?
С.Сергеев это уже пояснил, а я продолжу по профилям.
На безмоторных летательных аппаратах тяжелее воздуха и с применением обычных
профилей в тридцатые годы прошлого века было достигнуто и превзойдено
качество 30ед.
(По данным Wissman, Gerhard: Abenteuer in Wind und Wolken. Die Geschichte
des Segelfluges. - Berlin: Transpress, 1988.-548S.)
Первым был очень интересный планер братьев Хортен Horten III 1937г. с
самопальным профилем.
В 1938г. О.К. Антонов на РФ-7 (это не Российская Федерация, а Рот
Фронт -«Красный Фронт» мировой революции!) повторил это достижение с
классическим профилем ЦАГИ P-III.
А вот достижение 40 ед. произошло тоже в Германии в 1943 г. благодаря
усилиям тех же впёртых братьев на аппарате Horten IV с ламинарным профилем.
Повторить их конструкторское достижение удалось только в 1950г. американцам
Ross&Johnson на одноименном;-) планере RJ-5 с ламинарным профилем NACA
63-2-615. Этот планер строился с 1947 по 1950г., и в начале его качество
было чуть выше 30ед, и только после большого объема по вылизыванию крыла качество
превзошло 40 ед. На эту работу они затратили около 1650 часов-это почти
третья(!) часть всего объема работ по строительству аппарата.
Еще раз вспомним и запомним: при полете наших ДП/ПП на передней кромке
образуется ламинарный слой с малым трением, который постепенно утолщается, и
примерно на 30% своего пути становится турбулентным с гораздо большим
трением.
Но специальными конструкторскими примемами стараются дотянуть длину
ламинарного участка до 60-65%.
«...это достигают прежде всего тем, что повышают устойчивость ламинарного
движения в пограничном слое выбором ФОРМЫ ПРОФИЛЯ крыла, чтобы
максимальная толщина профиля располагалась на 40-60% хорды от носка крыла...
...кроме того, подвергают тщательной полировке лобовую часть поверхности
крыла, чтобы свести к минимуму возмущения, имеющие своим источником
шероховатость крыла или отдельные выступы на его поверхности в лобовом
участке крыла, где пограничный слой еще относительно тонок. Опыт показывает,
что такие крылья с затянутым ламинарным пограничным слоем действительно
обладают весьма малым споротивлением, но легко теряют свои преимущества при
малейшем налете на поверхности крыла пыли, капель дождя или даже прилипании
насекомых...».
Механика жидкости и газа. Лойцянский Л.Г., Главная редакция физ-мат.
литературы изд-ва «Наука». М., 1973, изд. 4-е.
Сомневаюсь, что на гибком крыле спортивного ДП/ПП удасться точно выдержать
нужный профиль, и скорее всего у спортивных крыльев те же «турбулентные»
профили, а качество достигается другим путем.
Хотя и трудный путь ламинаризации профиля паруса нельзя исключить. Ведь
давно известно, что на гибкой демпфирующей поверхности паруса переход ламинарного
слоя в турбулентный достигается при бОльших числах рейнольдса, чем на
таком-же жестком крыле. И вполне возможно применение лобика с жесткой
вставкой и тонкой упругой высокопрочной ткани в остальной части профиля.
Возможен и другой путь которым пошли, точнее, поплыли дельфины в своей
эволюции: какие-то бороздки на шершавой коже и жирное мягкое тело позволяют
им поддерживать ламинарный профиль на всей своей поверхности и двигаться с
большой скоростью затрачивая гораздо меньше усилий, чем, например, на
буксировку точно такого-же деревянного чучела.
Может попробовать нарастить жировую прослойку на месте груди?
Увы, у меня что-то так и не наращивается:-(((
И опять вернемся к качеству. Это не только отношение расстояния по горизонтали (которое
пролетит ЛА в неподвижном воздухе), к высоте, с которой началось движение.
Это еще и отношение подъемной силы [полезной;-) ] к силе сопротивления [вредной:-((( ]
Подъемная сила-это полный вес ЛА, а сопротивление наших ЛА складывается из
сопротивления трения и индуктивного сопротивления.
Сопротивление трения возникает на поверхности ЛА при его взаимодействии с
воздухом и пока мы только об энтом и говорили. И снижают его разными способами.
Я намеренно не сказал, что планеры Horten-III и Horten IV были выполнены по
схеме летающее крыло, т.е они выглядели точно так же и очень круто, как
современные ДП, и неспроста именно эта схема дала в свое время 30 и 40 ед.
качества.
У летающих крыльев сопротивление трения минимально, поскольку у них
отсутствует сопротивление трения фюзеляжа, горизонтального и вертикального
оперения, а кабина пилота вписана профиль крыла.
У летающих крыльев осталась только та часть, которая, собственно и дает подъемную силу.
Ничего лишнего.
А вот что такое индуктивное сопротивление-в следующий раз.
Если хватит терпения вам и усидчивости мне.
Там, глядишь, и до отрыва дело дойдет.
По полной программе;-)
From: Олег Музальков
Subject: Турбулизатор
Date: Wed, 16 Jul 2003
Cпасибо за лишение иллюзии №3 относительно того, что до предела
упрощенная практическаю аэродинамика без формул интересна только
молодым бойцам и неофитам.
Вроде, остались вопросы по подъемной силе и индуктивному сопротивлению, но
хотя эти две вещи неотделимы друг от друга как курица и яйцо - в смысле, что
раньше было - начну с образования подъемной силы.
Для этого нам (и вам) понадобиться бутылка пива. Лучше две. Стеклянные. Уже
пустые.
Мысленно отрежем у них донышки и соединим открытыми горлышками.
Теперь представьте, что через эту конструкцию с сужением в середке протекает
жидкость или газ. Совершенно очевидно и без формул типа VxS=Const, что в
узком месте скорость течения будет больше, чем в широком. И если взять и
выделить внутри течения какой-то кусочек/объем и проследить его движение от
широкой части к узкой, то по мере приближения к узкому участку скорость его
будет возрастать, т.е движение будет ускоренным.
( Это лето во многих местах дождливое, и вместо бутылок можно попробовать
перегородить ручеек и воочию убедиться, что в узкой части скорость больше.)
А а кто учил и помнит физику где-то за 8-й класс школы, тот знает, что
тела-то ускоряются потому, что на них действуют силы. И поэтому на наш
кусочек/объем давление со стороны широкой части бутылки будет больше, чем со
стороны узкой. Собственно, за счет этого и идет разгон жидкости/газа:
скорость растет =>давление падает.
Вот поэтому давление в самой узкой части будет наименьшим. Для этого можно и
не вспоминать закон Блэза Паскаля, именем которого названа не только единица
давления, но и популярный алгоритмический язык.
Кстати, схожая ситуация наблюдается и в больших очередях при входе в метро,
на футбол, хоккей, мавзолей и пр. В самой толпе давление сильное со всех сторон, а
скорость движения мала. При прохождении самого узкого участка скорость
заметно возрастает, а давление со стороны соседей падает. Особенно это
хорошо заметно на эскалаторе метро в час пик. При сходе с эскалатора можно
наблюдать и обратную картину: скорость падает, плотность толпы и ее давление растет.
Но вернемся к нашим состыкованным бутылкам. И продолжим мысленный эксперимент дальше.
У кого богатое воображение и образование позволяет предствить квадратный
трехчлен - тот легко может мысленно вывернуть нашу конструкцию наизнанку. Ну
а для остальных предлагаю мысленно рассмотреть обтекание вот такой «пули»: ()
Условимся, что газ движется снизу вверх.
Точно так же, как и в случае бутылок, по мере приближения к самой широкой
части газ разгоняется =>давление падает; в середке сорость наибольшая,
давление наименьшее; после прохождения- скорость замедляется =>давление
растет.
Заметьте, что движущимся частицам после прохождения наиболее широкой части
приходится преодолевать все возрастающее давление. В идеале скорость и
давление должны восстановиться до исходных величин. И в невязкой жидкости
такое тело не испытывает никакого сопротивления: давление на переднем и
заднем конце одинаково, и силы давления на зад и перед компенсируют
друг-друга.
Но в реальной жизни не все так просто. Мы ведь уже знаем, что вблизи
поверхности в погранслое из-за сил вязкости скорость движения жидкости
меньше, чем в свободном потоке. И поэтому этим «усталым» частицам иногда не
хватает скорости преодолеть возрастающее давление.
И вот тут то и происходит отрыв потока, когда в пристеночном слое жидкость
начинает двигаться против течения (это часто бывает видно вблизи берега
рек-ручейков виде водоворотов), а давление в конце тела не восстанавливается
до исходной величины. И возникшая разность давлений на перед и зад создает
дополнительное сопротивление давления. Которое тоже заметно ухудшает
качество ЛА.
Ну и, наконец, рассмотрим обтекание длинного крыла с плоской -для
простоты-нижней частью и выпуклой верхней.
В нижней плоской части жидкость/газ бежит своей дорогой и там давление
постоянно.
А вот в верхней - газу приходится на длине 1/3 для простых или до 2/3 хорды
для ламинарных профилей разгоняться с падением давления, и затем по
прохождении наивысшей точки плавненько замедляться до исходной скорости и
поднимать давление до исходного. Поэтому давление на верхней части крыла
меньше, чем на нижней, что собственно и дает подъемную силу.
Т.е крыло не «опирается на воздух», как иногда говорят не только поэты, а
«подсасывается» вверх потому, что давление на верхней части меньше, чем на
нижней.
И еще чуть-чуть. Если бы у нас было бесконечно длинное крыло, то падение
давление на верхней части было бы везде постоянным, а у реальных «коротких» крыльев
наибольшее падение давления и подъемная сила середке, а дальше газ ведь тоже
не хочет зря делать нужную для нас подъемную силу, и начинает перетекать
из-под концов крыльев наверх, где давление меньше. Поэтому на концах крыльев
падение давления не такое большое как в середке, подъемная сила меньше, а
перетекание снизу вверх создает заметные вихри и то самое вредное
индуктивное сопротивление.
Трудно объяснить на пАльцах природу индуктивного сопротивления, но кажется,
и на пальцАх можно. Попробуй растопыренными пальцами наскрести кучку
золотого;-) песка. Это плохо получится, поскольку песок обтекает отдельные
растопыренные пальцы. А вот если копнуть СОМКНУТЫМИ пальцами-то перетекания
межпальцевого не будет, а будет только у крайних пальцев, и мы загребем
песка поболее. Двумя сомкнутыми ладонями-еще более. Лучше, конечно, грести
совковой лопатой:-) Так и у «коротких» крыльев перетекание воздуха снизу вверх
гораздо больше, чем у длинных и узких. Они как бы хужее «присасываются к небу».
За счет этого холостого перетекания формируются по бокам так называемые присоединенные
вихри (как пенные «усы» у глиссирующего катера) , которые отбирают энергию из
потока и увеличивают вредное сопротивление крыла. Для уменьшения перетекания
нужно либо увеличивать длину крыла, либо ставить концевые шайбы, которые
иногда можно видеть на крыльях трансконтинентальных лайнеров.
Подобное влияние концевого обтекания иногда бывает заметно на так называемых
«пупках»- горках в виде конуса. Там тоже ветер стремится не подниматься
вдоль слона и создавать нам восходящий поток, а все пытается обогнуть склон
сбоку. Потому на таких горках очень узкая зона парения. А вот если склон
стоит поперек потока и имеет большую длину-ветру деваться некуда, и он
создает замечательные широкие восходящие потоки обтекания. Но в конце хребта
лучше не летать, так там подъемая сила потока падает, ветер поворачивает, ну
и другие могут лучше сказать, что там происходит.;-)
From: Олег Музальков
Subject: Турбулизатор
Date: Fri, 18 Jul 2003
И спасибо всем-всем за ответ: тяжело заочно что-либо объяснять не видя
выражения собеседника, его горячего пытливого взора.
Но кое-что объяснить, увы, не удалось:-(
«Камиль» обратно спрашивает:
Вот тут немного туманно для меня.Это срыв или возникновение турбулентности?
Срыв в моем воображении это когда поток из-под нижней части крыла пройдя
заднюю кромку крыла засасывается в разряженность над верхней частью крыла.
Попытаюсь дать свое самое общее определение срыва/отрыва потока: при срыве
или отрыве поток не повторяет форму обтекаемого (этим потоком) тела.
Поясню человеческим примером. В исторических фильмах часто показывают, как
стройными рядами и колоннами идет в атаку отряд поручика Ржевского. Если на
пути такого отряда окажется, положим, круглая копна сена - перед копной ряды
будут размыкаться, плавненько огибать препятствие, а потом также плавно
смыкаться.
И пусть, допустим, солдаты должны касаться копны рукой с какой-то силой.
При медленном огибании препятствия результирующая солдатских рук будет
где-то около 0.
А вот когда отряд побежит или поскачет в атаку-тогда бойцы уже не будут
успевать завернуть за копну. Где-то после прохождения наиболее широкой части
им придется бежать дальше, «отрываться» от препятствия. За копной образуется
свободная зона (разряжения), а поскольку давление рук в передней части не
будет скомпенсировано давлением в задней- возникнет и СОПРОТИВЛЕНИЕ
ДАВЛЕНИЯ - еще одна вредная составляющая обтекания.
При виде сверху будет отчетливо видно, что людской поток не повторяет форму
препятствия. Кстати, это пустое на несколько диаметров копны место можно заполнить
соломой, а взаимодействие отряда с такой уже большой копной будет такое-же,
как и с маленькой. К стати, огибать препятствие и уплотнять шеренгу будут только ближайшие к
копне ряды (погранслой), а вдали от копны солдаты ничего и не заметят.
Второй вопрос Камиля.
Срыв в моем воображении это когда поток из-под нижней части крыла пройдя
заднюю кромку крыла засасывается в разряженность над верхней частью крыла.
Почти как индуктивное сопротивление, только по ходу движения сзади.
Здесь ты не совсем не прав: струи воздуха в нижней плоской (мы ранее
договаривались для простоты рассматривать плоский снизу профиль) практически
не тормозятся. Хотя внизу воздух тормозится из-за трения о поверхность
крыла, - ему не приходится преодолевать рост давления в конце. Поэтому
нижние струи просто проскакивают напрямую и не успевают завернуть наверх.
Но в воздухе образуется невидимая волновая (а точнее говоря, вихревая)
система, чем то отдаленно похожая на кормовую систему корабля. И если ты
ходил на моторке, то вероятно, видел, как при выключении мотора лодка
достаточно резко тормозится, задние волны догоняют корму и бьют в нее.
Иногда и заливают зад.
И нечто похожее бывает, когда ДП, например, резко тормозит на посадке в
тихую погоду-тогда область разряжения в верхней части резко заполняется
воздухом со всех сторон, в том числе и сзади, и парус со страшной силой как бы
прихлопывается сверху могучей ладонью.
Еще один третий интересный вопрос:
Это срыв или возникновение турбулентности?
Срыв и турбулентность- разные вещи, но очень близкие по духу.
Например, образование на крыле сначала ламинарного слоя, переход его в
турбулентный, вовсе не обязательно приводит к срыву потока.
Т. е когда погранслой идет без отрыва вдоль тела-обтекание при этом такое,
как у тела, увеличенного на толщину погранслоя. Для ДП в конце корневой
хорды это составляет несколько см толщины. А вот когда поток оторвался -
размеры образовавшейся зоны отрыва уже могут быть и больше крыла. Сравни,
например, со стогом сена.
Но отрываться может как ламинарный, так и турбулентный слой.
И здесь опять предлагаю закурить или хотя-бы посмотреть, как курят другие,
т.е заняться не менее вредным пассивным курением.
Положи сигарету на край стола и приглядись-ка повнимательнее к струйке дыма.
В начале на длине 10-15 см движение дыма ламинарное. Затем струйка начинает
довольно регулярно колебаться на участке 2-3 см, ну а потом идет
классический турбулентный запутанный-перепутанный столбик дыма. Если эту
дымовую струю растянуть на длину центральной хорды ДП-то получим некоторое
представление о поведении погранслоя вдоль крыла.
Но этим аналогия не ограничивается. Она шЫрше и глыбже.
Попробуем мысленно повторить классический опыт Л. Прандтля с обтеканием
гладкой сферы. Закрепим на тонком подвесе гладкий шар размером с теннисный мяч.
При медленном течении среды струйки плавно расходятся перед шаром и плавно
смыкаются сзади. На поверхности шара медленно растет ламинарный погранслой,
шар испытывает только сопротивление трения. Струйки воздуха такие-же
спокойные, как и на первом сигаретном участке.
С ростом скорости потока слой может еще оставаться ламинарным, но он уже
теряет устойчивость, и то с одной, то с другой стороны начинают сходить
периодические вихри, располагающиеся в шахматном порядке. Такое явление
можно наблюдать вокруг опор мостов, из-за этого явления «поют и гудят
провода», полощутся флаги на ветру.
По мере увеличения скорости ламинарный поток отрывается от шара чуть ниже по
потоку экватора. След за шаром становится похожим на дым сигареты в его
последней части. Из-за отрыва потока давление в задней части шара низкое, и
резко возрастает сопротивление давления.
Вот он-срыв!
Изюминка опыта Л. Прандтля в том, что он укрепил чуть впереди экватора шара
тонкое кольцо из проволоки. И получил резкое снижение общего сопротивления
шара. Наличие такого кольца вызвало искусственную турбулентность погранслоя,
который стал далеко заходить в кормовую часть тела, где зона низкого
давления резко уменьшилась.Поэтому хотя и сопротивление трения (турбулентного)
возросло, сопротивление давления упало гораздо сильнее.
Искусственную турбулентность можно получить и создавая искусственную
шероховатость шара. Например, покрыть его клеем и посыпать затем
калиброванным песком. Который, кстати, получают на единственном на всю
Россию карьере недалеко (ок. 40км) от нас.Или просто поверхность мяча
покроется ссадинами и царапинами. Как в случае,
описанном Камилем.
Искусственную турбулентность иногда применяют в летающих моделях. При этом
достигается увеличение коэффициента подъемной силы в 1.5-2 раза при
незначительном увеличении сопротивления.
Это хорошо катит при характерных для моделей размерах крыльев и скоростях
полета. Для ДП это - я думаю - не актуально.
Вот теперь, кажется, ВСЕ!!!
Что знал-сказал!
И пусть меня поправит умнейший.
|