§ 7. Способы предотвращения отрыва пограничного слоя.

Существуют различные способы управления пограничным слоем, позволяющие предотвратить или затянуть его отрыв от обтекаемого тела. Рассмотрим, например, цилиндр, обтекаемый потоком в направлении, перпендикулярном к оси. Будем вращать цилиндр так, чтобы его окружная скорость была равна или больше максимальной скорости течения на окружности цилиндра. Тогда на той стороне цилиндра, на которой жидкость и стенка движутся в одну сторону, пограничный слой будет не тормозиться, а наоборот, увлекаться вперед движущейся стенкой. Это позволяет пограничному слою легче, чем внешнему потоку, преодолеть возрастание давления в направлении течения. Поэтому на рассматриваемой стороне цилиндра возвратное движение в пограничном слое не возникает, следовательно, не происходит и отрыва потока. На противоположной стороне цилиндра, где стенка и жидкость движутся в противоположные стороны, пограничный слой испытывает резкое торможение, и поэтому здесь сначала возникает возвратное движение, а затем происходит отрыв мощного вихря. Одновременно с вихрем возникает, как об этом было сказано в § 11 предыдущей главы, циркуляция вокруг цилиндра, направленная в сторону, противоположную вращению вихря.

Возникновение циркуляции влечет за собой эффект Магнуса, т. е. появление поперечной силы. Пусть скорость потока вдали от цилиндра равна тогда наибольшая скорость жидкости на окружности цилиндра при его обтекании обычным потенциальным потоком равна Если к потенциальному течению присоединяется еще циркуляционное течение со скоростью то тогда на одной стороне цилиндра скорость будет равна нулю, а на другой Опыты с вращающимися цилиндрами показали, что максимальный эффект Магнуса получается в том случае, когда окружная скорость цилиндра и равна круглым числом Развитие течения около цилиндра, вращающегося с окружной скоростью показано на рис. 108.

Рис. 108. (см. скан) Развитие течения около цилиндра, вращающегося с окружной скоростью

Другой способ управления пограничным слоем состоит в следующем: в том место стенки, около которого при возвратном движении пограничного слоя должна накапливаться жидкость, устраивается отверстие, например щель, и через эту щель производится отсасывание жидкости внутрь обтекаемого тела. Таким путем предотвращается накапливание жидкости в пограничном слое и тем самым устраняется причина для отрыва потока. Действие отсасывания усиливается еще тем, что непосредственно около щели создается понижение давления, что также препятствует отрыву потока. Правда, такой способ предотвращения отрыва потока не уменьшает сопротивления, но зато он позволяет получить обтекание очень коротких или совсем неудобообтекаемых тел почти без всякого образования вихрей.

Рис. 109. Обычное течение в сильно расширяющемся канале

На рис. 109 изображена фотография потока в сильно расширяющемся канале; мы видим, что уже в самом начале расширяющейся части поток отрывается от стенок, и образуется струя. На рис. 110 изображена фотография того же потока после отсасывания пограничного слоя; теперь поток прилегает к обеим стенкам.

Рис. 110. Течение в сильно расширяющемся канале при отсасывании пограничного слоя через щели, положение которых отмечено белыми метками

Третий способ управления пограничным слоем состоит в том, что ему сообщается дополнительная скорость путем ускорения внешнего потока. Такой способ практически осуществлен в разрезном крыле Хэндли Пэйджа-Лахмана (рис. 111). Пограничный слой, образующийся на первой части крыла, вливается во внешний поток и таким путем как бы обезвреживается. Пограничный же слой, образующийся на второй

части крыла, должен преодолеть только часть приращения давления на верхней, подсасывающей поверхности крыла; в то же время увлечение его внешним потоком, благодаря большой скорости струи воздуха, вырывающейся из щели, значительно сильнее, чем при отсутствии щели. К разрезному крылу поток прилегает при обтекании его на углах атаки, значительно больших предельного угла, еще обеспечивающего безотрывное обтекание обычных крыльев. Благодаря этому разрезное крыло обладает значительно большей подъемной силой, но в то же время и значительно большим лобовым сопротивлением.

Рис. 111. Разрезное крыло

Наконец, возможно управление пограничным слоем путем вдувания в него с большой скоростью струи сжатого воздуха изнутри крыла. Однако такой способ для практического осуществления весьма труден, так как количество выбрасываемого сжатого воздуха должно быть весьма значительным. Наоборот, при отсасывании пограничного слоя достаточно удалить из него сравнительно небольшое количество жидкости.

С разрезным крылом сходны добавочные крылья, применяемые для улучшения обтекания тел, форма которых благоприятствует отрыву потока и образованию вихрей. Давно известным примером таких добавочных крыльев могут служить поворотные лопатки, применяемые в аэродинамических трубах (см. рис. 201, на стр. 338). В настоящее время добавочные крылья применяются во всех тех случаях, когда надо обеспечивать резкий поворот потока без заметной потери напора. Один из таких случаев изображен на рис. 112. Действие добавочных крыльев состоит в следующем. Каждое крыло обращено к стенке канала той стороной, на которой давление повышено; следовательно, поле давлений,

Рис. 112. Поворотные лопатки в канале.

создаваемое в потоке крыльями, обусловливает около стенки появление давления, большего по сравнению с тем, которое было бы здесь при отсутствии крыльев. В целом давление около стенки увеличивается так, что разность давлений, которую необходимо преодолеть пограничному слою, либо значительно уменьшается, либо даже совсем исчезает.