Глава 10. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ВНЕШНЕМ ОБТЕКАНИИ ТЕЛ НЕСЖИМАЕМОЙ ЖИДКОСТЬЮ

10.1. ХАРАКТЕР ВНЕШНЕГО ОБТЕКАНИЯ

При внешнем обтекании тел потоком жидкости наблюдаются две существенно различные формы течения: безотрывное и отрывное обтекание. В последнем случае струи жидкости отделяются от поверхности тела и образуют в непосредственной близости от нее вихревую область. Наличие того или другого типа обтекания зависит как от формы тела, так и от числа Рейнольдса.

Явление отрыва пограничного слоя от непроницаемой поверхности связано с взаимодействием поля давления и силы трения в пристенной области. Внутри пограничного слоя скорость течения всегда меньше скорости на его внешней границе. Продольный же градиент давления постоянен по всему поперечному сечению пограничного слоя и связан только со скоростью во внешней области. Для стационарного течения эта связь выражается формулой (9.5.9).

Поэтому при диффузорном течении, когда , кинетическая энергия потока внутри пограничного слоя недостаточна для полного преодоления направленного ему навстречу действия поля давления. В результате положительный градиент давления вызывает внутри пограничного слоя торможение, а затем остановку и обратный ток жидкости около обтекаемого ею тела. Точка, в которой значение величины на стенке обращается в нуль, характеризует начало возникновения обратного тока и называется точкой отрыва. Очевидно, что в точке обращения течения трение равно нулю (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Схема деформации профилей в днффузорной области течения пограничного слоя

Рис. 10.2. Фотография отрывного обтекания цилиндра.

В действительности отрыв пограничного слоя происходит, конечно, не в какой-то точно фиксированной точке, а охватывает некоторую конечную область. За областью отрыва возникает вихревое движение жидкости, сопровождающееся резким возрастанием общего аэродинамического сопротивления тела (рис. 10.2).

При конфузорном течении поток ускоряется, направление движения жидкости совпадает с направлением действия поля давления и условия, необходимые для отрыва пограничного слоя, отсутствуют.

Рис. 10.3. Схема пограничного слоя

Пограничный слой на внешней поверхности обтекаемого тела не следует смешивать с вязким подслоем в турбулентном потоке. Пограничный слой может быть как ламинарным, так и турбулентным (рис. 10.3).

Таким образом, внешнее обтекание тела неограниченным потоком жидкости существенно отличается от течения в замкнутых каналах, в частности, тем, что на теле достаточной протяженности возможно существование в различных его областях как ламинарного, так и переходного и развитого турбулентного течений.