Пограничный слой

1.

ОСНОВЫ АЭРОДИНАМИКИ
ЛЕКЦИЯ № 6
Тема 6
Пограничный слой

2.

Рассматриваемые вопросы Л № 6
2
6.1 Понятие пограничного слоя.
6.2 Виды пограничного слоя.
6.3 Характеристики пограничного слоя.
6.4 Отрыв пограничного слоя.
Литература:
1. Гарбузов В. М., Ермаков А. Л., Кубланов М. С., Ципенко В. Г.
Аэромеханика: Учебник для студентов вузов гражданской авиации – М.:
МГТУГА, 2000, 288 с.
2. Логвинов И. И. Аэромеханика: Учебное пособие М. Иркутск: ИГТУ,
1998, 144 с.
3. Ништ М. И. Аэродинамика летательных аппаратов. Учебник для ВУЗов.
М.: ВВИА имени проф. Н. Е. Жуковского, 1994, 570 с.

3.

Основоположники теории пограничного слоя
3
Теорию ПС впервые разработал Людвиг Прандтль на
базе уравнений Л. Эйлера для несжимаемой жидкости.
Теория применяется в случае внешнего обтекания тел
при больших числах Рейнольдса велика скорость
течения, либо мала вязкость.
Теория Прандтля приближенный метод.
ТочностьТеории определена числом Рейнольдса.
Достоинство теории ПС Прандтля простота задачи
при сравнительно высокой точности.
В теорию ПС внесли вклад учёные Навье, Стокс,
Н.Е. Жуковский, Шлихтинг и др.
Основа современных методов - уравнения Навье-Стокса.

4.

6.1 Понятие пограничного слоя
4
Исследуем ключевые слова и их следствия:
«понятие»
определение ПС;
«граница»
определение ;
«среда(ы)»
указать среды;
«слой»
определение слоя.
Граница тонкая поверхность, разделяющая
различные среды, или единую среду,
характеризующуюся градиентами г/д. параметров, ...
Среда вещество (газ, жидкость, ...), заполняющее
исследуемое пространство.
Слой прослойка, слой среды у (на) границе
аэродинамического тела или внутри среды с иными
параметрами их состояния (скорости, температуры ...)

5.

Определение пограничного слоя 5
Классическое определение:
Пограничный слой тонкий слой на
поверхности обтекаемого
аэродинамического тела (ВС, ЛА),
в котором проявляется эффект вязкости.
Вязкость (вну́треннее тре́ние) — свойство
текучих сред (газа, жидкости) оказывать
сопротивление перемещению их частиц
относительно друг друга (между слоями,...).
Примечание:
Работа сил вязкости рассеивается в виде тепла??

6.

Другие определения пограничного слоя (ПС) 6
ПС тонкий слой заторможенного газа, образующийся на
поверхности тел, обтекаемых потоком.
ПС область течения вязкой жидкости (газа) с малой (по
сравнению с продольными размерами) поперечной
толщиной, образующаяся у поверхности обтекаемого тела.
ПС тонкая область течения вязкой жидкости (газа), образу
ющаяся в результате внутреннего трения у поверхности
обтекаемого ею твёрдого тела или на границе раздела двух
потоков жидкости с различными скоростью, температурой,
химическими свойствами и др.
ПС слой, тонкий по сравнению с характерным линейным
размером тела слой жидкости или газа, прилегающий к
твёрдой поверхности, в котором градиенты газодинамических
переменных в нормальном к стенке направлении столь
велики, что силы инерции и силы трения имеют один порядок.

7.

Типовой пример пограничного слоя
.
Ламинарное
течение
Потенциальное
течение
Точка
перехода
Турбулентное
течение
7

8.

Характерные участки и точки ПС. Распределение скорости по
нормали к омываемой поверхности профиля крыла
V
p
> 0;
<0
x
x
.
V
8
V
p
< 0;
> 0!!!
x
x

9.

Физическая сущность образования ПС
9
Причина возникновения ПС перенос между
слоями количества движения, теплоты и массы, в
поле вязкости, теплопроводности и диффузии.
РП динамического (скоростного) ПС:
Вязкая жидкость (газ) "прилипает" к поверхности
тела.
На стенке тнла скорость частичек Vn = V = 0.
Вне стенки V 0. Следовательно, V / у > 0.
Появился вертикальный разрыв скорости V .
В вязкой жидкости он существовать не может.
Результат переходная зона течения,
представляемая слоистой вихревой пленой. И
так до обнуления градиентов скорости V .

10.

Сущность образования ПС (дополнение к сл. 9) 10
В поле положительных градиентов скорости V/ x > 0 и отрицательных
градиентов давления р/ x < 0 совокупность слоёв потенциального потока
и вихревой пелены, его разделяющей, преобразуется в устойчивую
газодинамическую структуру ламинарный ПС.
В поле суживающего канала с отрицательными градиентами давления
p/ x < 0 происходит накопление активности вихревой пелены и
формирование в ней дискретных вихрей, готовых к смене качества
течения турбулизации (см. слайды 7 и 8).
По достижению меры дискретные вихри приобретают новое качество
свободу турбулентной вихревой активности. ПС становится
турбулентным (там же).
Особенность турбулентного вихревого слоя сходство множества
вихрей по знаку циркуляции. Следовательно, они находят единство в
вихревом срыве. Этому объединению способствуют положительные
градиенты давления и отрицательные градиенты скорости в зоне
канала тока, расширяющегося за точкой перехода ЛПС в ПС вихревой.
Примечание: Вихревой срыв потока имеет свойство перемещения
против основного потока в сторону носовой части профиля крыла.

11.

6.2 Виды пограничного слоя
11
Виды ПС обтекаемого тела определены РП его развития.
Сущность РП ПС заключена в переходе потенциального
потока плотностью тока V c нулевыми градиентами скорости,
давления и температуры
V V p T T
x
y
x
x
y
0
в градиентный поток ламинарного (слоистого) типа
V
V
p
0;
0;
0
x
y
x
с последующим преобразованием ламинарного слоя в слой
хаотичного турбулентного движения и в вихревой срыв.
Опираясь на определения и рабочий процесс,
ПС удобно представить в
виде его
квалификации.

12.

Квалификация пограничного слоя
ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ
По характеру
Аэродинамический ПС
(скоростной ПС)
По характеру
воздействия
Тепловой ПС, ....
движения РТ
Ламинарный ПС
Турбулентный ПС
Отрыв с носка
Срыв со спинки
Трансзвуковой ПС
Примеры ПС представлены ниже
12

13.

Характер пограничного слоя и его следствия
13
V
p
> 0;
<0
x
x
V
V
p
< 0;
> 0!!!
x
x
ТПС
ЛПС
ЛПС
Точка срыва ПС
Граница зоны срыва
[Фото А.С. Матвиенко], МВВАИУ, 1984

14.

Детализация структуры пограничного слоя
.
14

15.

Особенности трансзвукового ПС.
Волновой срыв
Самостоятельно!!!
Невозмущённый поток
Mкр <M<1.0
Mкр<M<1.0
Mкр<M=1.0
15

16.

6.3 Характеристики пограничного слоя
Общее определение характеристик:
Характеристики зависимости параметров эффективности от
режимных параметров.
Параметры эффективности ПС:
толщина ламинарного пограничного слоя лам:
5, 2 х
δ лам =
Re0,5
толщина турбулентного пограничного слоя турб:
δ турб =
толщина вытеснения ПС *:
δ* = (1 -
0, 37 х
Re0,2
u( x, z )
)dz
U
число Рейнольдса Re = Vb/
координата начала срыва потока хс ( , Re, Мкр ...)

17.

Характер и сущность течения в ламинарном и
турбулентном ПС
.

18.

Кинематическая сущность толщины
вытеснения *
.

19.

Дополнительные параметры эффективности
пограничного слоя
Параметры эффективности:
коеффициенты:
подъёмной силы Сy(М);
лобового сопротивления С0(М);
критического числа Маха Мкр( с ) и др.
16

20.

6.4 Отрыв и срыв пограничного слоя
17
Различают два типа образования вихрей ПС:
отрыв потока пограничного слоя;
вязкий срыв потока пограничного слоя.
Каждый из них отличается источником энергии Re = Vb = ρVb
ν
μ
и сущностью РП указанного ВО. А именно:
Отрыв потока ПС следствие проявления сил инерции Vсвойства воздуха сохранять исходное прямолинейное и
равномерное движение.
Место локализации на острых носовых кромках, изломах
поверхности спинки, генераторах ВО (вихрей).
Вязкий срыв потока ПС следствие проявления сил трения
(вязкости).
Место локализации у поверхности спинки от задней кромки
профиля.

21.

Рабочий процесс отрыва и срыва потока
18
Отрыв потока поток, обладая запасом
кинетической энергии (скоростным напором q = V2/2),
не может осуществить мгновенный поворот и
обогнуть переднюю кромку, генератор вихрей, ... Он
отрывается от неё и входит в вихревое движение у
поверхности спинки профиля.
Срыв потока поток, обладая запасом энергии
(скоростным напором q = V2/2), в зоне проявления
вязкости (трения), а также зону положительных
градиентов давления ( р/ x > 0) теряет исходную
энергию на преодоление сил трения и силы
избыточного давления и подчиняется встречному
переносу у поверхности спинки, формируя вихрь
вязкого срыва потока. (см. сл. № 13)

22.

Кинематика срыва потока у спинки профиля 19
У гладких крыльевых профилей точка хс 0,35b
(от начала хорды). Цель профилирования: хс.
Физическая сущность срыва потока
очевидна:

23.

ПС профиля крыла без и с предкрылком
.
20

24.

Примеры использования вихрей
пограничного слоя
Ту-144
21

25.

Сдув ТПС струёй предкрылка
.
22

26.

Сдув и отсос ПС со спинки профиля
.
23

27.

Иные способы управления пограничным слоем 24
.

28.

Спутный вихревой след за крылом
последствие процессов в ПС крыла
Домашнее задание: повторить темы 5 и 6.
Следующая тема занятия: 7. Аэродинамические характеристики крыла.
25