Въздушно течение
ВЪЗДУШНО ТЕЧЕНИЕ
Различни потоци
Движението на въздуха спрямо даден обект се нарича Поток. Има три основни типа потоци.
Ламинарен поток
Въздушните частици се плъзгат перфектно една по друга, без да има обмен на частици между тях. Те следват праволинейно и паралелно движение.
Турбулентен поток
Въздушните частици имат пътеки, които са почти успоредни една на друга, но които вече не са прави, докато обикновено се движат в една и съща посока със същата скорост.
Вихров поток
Потокът е много неуреден, частиците се смесват и не следват прав или паралелен път, а някои частици могат да се движат нагоре по течението и по този начин да образуват вихри.
Въздушно съпротиление
Всяко тяло, движещо се във въздуха, е подложено на последното на съпротива, която е склонна да се противопостави на това движение. Това съпротивление води началото си от свойствата на въздуха, но зависи и от характеристиките на съответното тяло (повърхност, форма).
Силите на натиск зависят от формата на тялото и разположението, което то заема спрямо посоката на относителната скорост на въздушния поток.
Силите на триене, дължащи се на вискозитета на въздуха, имат ефект, пряко свързан с обхвата на повърхността на тялото, а също и със състоянието на тази повърхност.
Поставяйки плоска плоча, перпендикулярна на въздушния поток, откриваме, че въздухът оказва силно налягане отпред, докато отзад се образува вакуум.
Чрез инсталиране на устройство (динамометър), свързано към плочата, можем да измерим тази сила, упражнявана от въздуха и какви са факторите, които ще я променят.
Фактори, влияещи на въздушното съпротивление
Изразяване на въздушно съпротивление
Съпротивлението на въздуха е пропорционално на площта, представена перпендикулярно на потока, на квадрата на скоростта на потока, на плътността на въздуха и на формата на тялото.
Следователно можем да напишем, че: R = K.ρ.V 2 S
с:
- R въздушно съпротивление, изразено в Нютон
- K коефициент, който отчита формата на тялото и състоянието му на повърхността
- ρ плътност на въздуха, изразена в kg.m -3
- V скорост, изразена в ms -1
- S, изразено в m 2 повърхност, представена перпендикулярно на потока
Номер на Рейнолдс
Граничен слой
Когато течността се движи около препятствие, полетата на скоростта и налягането се нарушават от последното. Граничният слой е зоната на течността, съседна на стената, в която се извършва настаняване между нулевата скорост на стената и локалната пълна скорост на свободната течност. Много свойства на потока (триене, пренос на топлина и евентуално наличие на откъсвания) зависят от този граничен слой. Идеята за граничния слой се дължи на Л. Прандлт, 1904 г. Той направи възможно да се даде интерпретация на голям брой явления, които теорията за перфектните течности не беше достатъчна за обяснение. Това е граничният слой, който пряко обуславя устойчивостта на триене на тялото. От друга страна, извън граничния слой, ще бъде възможно да се счита, че течността има нулев вискозитет.
Следователно в близост до стената има област, в която скоростта преминава от 0 на стената до скоростта на перфектния поток течност на разстояние от порядъка на ℜe - 1/2 от стената.
(Теза на Себастиан Бургуа - 2006)
Дебелината на граничния слой варира в зависимост от състоянието на повърхността (колкото по-гладка е повърхността, толкова по-тънък е слоят); но и според скоростта на течността. Ускорението на потока извън граничния слой допринася за изтъняване на граничния слой, от друга страна, ако има забавяне на потока извън граничния слой, течността се пренася от стената към външния поток и се добавя до удебеляването на граничния слой, причинено от дифузията на импулса поради вискозитета.
Има два вида граничен слой:
Ламинарният граничен слой се характеризира с факта, че всички вектори на скоростта са успоредни на една и съща равнина, след което потокът се появява под формата на въздушни слоеве, плъзгащи се един върху друг. Тези остриета остават прави за определена дължина и след това избледняват. Наблюдаваме такъв граничен слой към предния ръб на профил.
Дебелината δ на граничния слой обикновено се нарича разстоянието до стената, от която скоростта V е такава, че: V = 0,99 Vo (Vo е скоростта, която би съществувала, ако въздухът е без вискозитет).
Всъщност доста бързо остриетата изчезват и потокът има разстроен характер, отчасти поради грапавостта, която все още съществува на стената. Граничният слой става турбулентен и векторите на скоростта вече не са успоредни един на друг.
Схематичен изглед на граничния слой.
Следователно върху профил има зона, където граничният слой е ламинарен и област, където граничният слой е турбулентен.
На транспортния самолет дебелината δ на граничния слой, който се развива на повърхността на крилото му, може да варира от няколко милиметра в предния ръб до няколко сантиметра в задния ръб.