2.6. Межовий шар [1], c. 35-37

Теорія межового шару була розроблена німецьким ученим Л. Прандтлем в 1904 р., пізніше розвинена в роботах англійського вченого Т. Кармана і радянських вчених: Л.С. Лейбензона, Н. Е. Кочина, А.А. Дородніцина, Л.Г. Лойдянського та ін.

Внаслідок в'язкості повітря близько розташовані до тіла шари повітряного потоку пригальмовуються. Тому в міру видалення від поверхні тіла гальмування частинок повітря поступово зменшується і на деякій відстані припиняється повністю.

Межовим називається тонкий пригальмований шар повітря поблизу поверхні рухомого тіла, який утворюється під впливом в'язкості. Безпосередньо на поверхні тіла, обтічного в'язкою рідиною (газом), частинки її (його) загальмовуються повністю, і їх швидкість стає рівної нулю. В міру віддалення від поверхні тіла швидкість частинок збільшується і на деякій відстані, рівній товщині межового шару, стає практично рівній швидкості незбуреного потоку. Зовнішню границю межового шару точно визначити неможливо. Можна прийняти, що зовнішня границя знаходиться від поверхні тіла на відстані, на якої швидкість частинок досягає 99,5 % швидкості зовнішнього нев'язкого потоку (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Розподіл швидкостей в межовому шарі.

Товщина межового шару (відстань від поверхні обтічного тіла до зовнішньої границі межового шару) залежить від форми тіла, положення його в потоці повітря, швидкості потоку, стану поверхні тіла, в'язкості і густині повітря та збільшується від носової частини тіла до хвостової. Поблизу передньої кромки крила товщина межового шару дорівнює декільком міліметрам, а у задньої кромки крила досягає 100 мм і більш. Чим рівніше поверхня тіла і чим менше швидкість потоку, тим межовий шар тонший.

Характеристикою межового шару може служити градієнт швидкості (рис. 2.15)

ΔV / Δn,

де Δn - відстань між частинками, що взяті на одній нормалі, мм;

ΔV - різниця швидкостей цих частинок, м/с.

Градієнт швидкості показує зміну швидкості на 1 мм товщини межового шару.

Частинки повітря межового шару унаслідок зростання їх швидкості від нуля (на поверхні тіла) до швидкості незбуреного потоку V (на зовнішній границі межового шару) мають прагнення до обертання. Якщо в межовому шарі виділити деякий об'єм повітря, то на верхній грані цього об'єму повітря швидкість потоку буде більша, ніж на нижній грані. Шар, що примикає до нижньої грані даного об'єму повітря, викликає сповільнення руху цього об'єму, а шар, що примикає до верхньої грані, викликає прискорення руху. Таким чином, виникає пара сил ΔN, яка призводить даний об’єм повітря до обертання, створюючи вихор межового шару (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Причина утворення вихору межового шару.

Поблизу передньої кромки обтічного тіла і в межовому шарі на передній частині поверхні тіла течія повітря складається з шарів (усі струйки переміщаються паралельно одна одної). Ця ділянка обтікання називається ламінарним межовим шаром (ламінарна течія). На деякій відстані від передньої кромки (в місці найбільшої висоти тіла) частинки повітря починають інтенсивно перемішуватися по товщині шару, переходячи в турбулентний межовий шар (турбулентна течія). Механізм турбулентної течії дуже складний. Перехід ламінарного межового шару (течії) в турбулентний здійснюється на деякій ділянці – в області переходу, але для зручності розрахунків цю ділянку замінюють однією точкою – точкою переходу. Положення точки переходу від ламінарній течії до турбулентній залежить від форми, стану поверхні і швидкості руху тіла. Наприклад, для крила літака точка переходу визначається абсцисою максимальної товщини профілю крила х_с (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Види течій в межовому шарі:

1 - ламінарна течія; 2 - турбулентна течія.

Якщо на обтічному тілі є ламінарний і турбулентний шар, то в цьому випадку межовий шар називається змішаним.

Для збільшення ламінарній частини межового шару застосовують особливі ламінірізовані форми крила, фюзеляжу і оперення, підвищують гладкість поверхні, управляють межовим шаром.

При обтіканні тіла потоком рідини (повітря) може спостерігатися відрив межового шару, що спричиняє за собою, наприклад, зменшення піднімальної сили крила. Це явище спостерігається на тих ділянках поверхні обтічного тіла, де по довжині обтічного тіла швидкості зменшуються, а тиск збільшується. В цьому випадку підвищений тиск примушує частинки повітря, які втратили кінетичну енергію, рухатися вбік, протилежний потоку, що набігає. Рух частинок повітря назустріч набігаючому потоку викликає появу зворотних швидкостей і вихорів, що відокремлюють межовий шар від поверхні обтічного тіла. Відрив межового шару спостерігається при обтіканні криволінійних поверхонь. Схематично це явище при обтіканні профілю крила на великих кутах атаки показано на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Явище відриву межового шару.

Явище відриву межового шару змінює всю картину обтікання крила, а це дуже небезпечно, оскільки приводить до різкого зменшення несучої здатності крила, погіршенню стійкості і керованості літака. Розвиток зриву потоку залежить від форми і стану поверхні тіла, а також від характеру течії повітря в межовому шарі. Тіла, що мають витягнуту по потоку форму з плавними контурами (зручнообтічні), не схильні до зриву потоку на відміну від незручнообтічних тіл з великими поперечними розмірами.

При турбулентній течії відбувається інтенсивне перемішування межового шару і до нижніх найбільш загальмованих струйок підводиться додаткова кінетична енергія. Це перешкоджає появі зворотних течій і утворенню вихорів. Тому турбулентний межовий шар стійкіший до зриву потоку, чим ламінарний. Щоб зменшити небезпеку зриву потоку, межовий шар піддають штучній турбулізації. Для цього на поверхні крила розташовують спеціальні виступи - турбулізатори.

На злітно-посадочних режимах при великих кутах атаки запобігання зриву потоку досягається збільшенням кінетичної енергії межового шару за допомогою систем управління межовим шаром.

Зрив потоку може виникнути в результаті порушення правил експлуатації літака, виходу на заборонені режими польоту та порушення центрування.

При недбалому технічному обслуговуванні із-за нещільного прилягання кришок люків, неповного закриття стулок і інших причин виникають місцеві зриви потоку („дефекти обтікання”), наслідком яких можуть стати небезпечні вібрації частин літака. Стікаючи з поверхні тіла, межовий шар утворює супутний струмінь, який є масою завихреного повітря.

На структуру межового шару впливають багато експлуатаційних чинників, таких як: обмерзання літака, пошкодження і забруднення обшивки, спотворення теоретичної форми профілю та ін.

Потенційним називається такий шар повітря, в якому кожен елементарний об'єм переміщається тільки поступально, без обертання. Сили внутрішнього тертя в потенційному потоці не виявляються, і тому на будь-якій відстані від тіла по нормалі до його поверхні швидкості частинок повітря однакові.

Рис. 2.1. Аеродинамічна труба прямої дії. Рис. 2.3. Умови нагріву повітря:

а) при постійному об’ємі υ = const;

б) при постійному тиску р = const.

Рис. 2.2. До визначення в’язкості рідини. Рис. 2.4. Атмосфера Землі.

Рис. 2.5. Лінія току. Рис. 2.6. Струйка.

Рис. 2.7. До виводу рівняння нерозривності. Рис. 2.8. До виводу рівняння Бернулли.

Рис. 2.9. Фізична сутність статичного тиску Рис. 2.10. Вимірювання швидкості польоту.

та швидкісного натиску.

Рис. 2.11. Кавітація рідини. Рис. 2.13. Фотографії димових спектрів

обтікання профілю крила.

Рис. 2.12. Принцип зворотності.

Рис. 2.14. Аеродинамічні спектри:

а) елементи; б) види спектра;

1 – потенційний шар; 2 – межовий шар; 3 – супутний струмень.

Рис. 2.15. Розподіл швидкостей Рис. 2.16. Причина виникнення вихору

в межовому шарі. межового шару.

Рис. 2.17. Види течій в межовому шарі: Рис. 2.18. Явище відриву межового шару.

1 – ламінарна течія; 2 – турбулентна течія.

Рис. 2.19. Вільний аеростат. Рис. 2.20. Дирижабль.

а) б)

Рис. 2.21. Повна аеродинамічна сила крила: а) картина обтікання крила літака потоком повітря; б) схема виникнення повної аеродинамічної сили.