Спектр обтекания

Спектр обтекания

Если невидимый прозрачный воздушный поток, об­текающий какое-либо тело, окрасить дымом, то мы увидим картину, которая называется спектром обте­кания.

Опыт 4.

Тонкую палочку с пучком легчайших шелковинок (щуп) введём в воздушный поток аэродинамической трубы. Мы увидим, что шелковинки располагаются по направлению параллельных струй потока. Теперь введём в поток круглую пластинку и вновь с по­мощью щупа посмотрим, как ведут себя шелковинки.

Поведение шелковинок укажет нам на то, что воз­душные струи как впереди, так в особенности сзади пластинки начали сильно закручиваться — завихрятся (рис. 3).

Воздушные струи в аэродинамической трубе

Воздушные струи в аэродинамической трубе

Если вместо круглой пластинки мы поместим в по­ток шар, то увидим, что завихрения уменьшились, а если в этот же поток поместим тело каплеобразной, удобообтекаемой формы, то наш щуп почти не обна­ружит завихрений.

Рассмотрим спектр обтекания пластинки (рис. 4).

Спектр обтекания предмета в аэродинамической трубе

Спектр обтекания предмета в аэродинамической трубе

Перед пластинкой струйки потока, расступаясь, сжимаются, огибают её со всех сторон, по инерции двигаются дальше и отрываются от пластинки. Это явление называется срывом струи. Вследствие срыва струи позади пластинки образуется разрежение, т. е. область пониженного давления. Воздух врывается в эту область пониженного давления и, стремясь запол­нить её, начинает двигаться в обратном направлении, образуя вихри и попутные токи (вихревое или турбулентное движение воздуха). По мере удаления от пластинки вихревое образование уменьшается, поток постепенно выравнивается и далее движется с той скоростью, с какой он двигался далеко впереди пла­стинки.

Таким образом, то лобовое сопротивление, которое было вначале порождено динамическим давлением или скоростным напором, увеличилось благодаря со­здавшимся вихрям — благодаря разрежению за пла­стинкой.

В том случае, когда мы наблюдали спектры об­текания шара и каплеобразной формы тела, мы виде­ли гораздо меньше вихрей, а следовательно, меньшее разрежение за телом и меньший прирост дополни­тельного лобового сопротивления.

Отсюда становится ясным смысл и значение ко­эффициента лобового сопротивления Сх в формуле:

ко­эффициент лобового сопротивления

служащей для подсчёта лобового сопротивления тел различной формы в воздушном потоке.

Опыт 5.

Поставим диффузор аэродинамической трубы го­ризонтально (рис. 5).

диффузор аэродинамической трубы

диффузор аэродинамической трубы

В воздушный поток трубы поставим неподвижно закреплённый диск А и лёгкий подвижной диск Б, свободно скользящий по спице, соединяющей центры этих круглых дисков. При включении воздушного по­тока диск Б начнёт приближаться к диску А, пока к нему не прижмётся. Этот простейший опыт позво­ляет обнаружить пониженное давление позади первой пластинки А, встречающей «в лоб» воздушный поток.

Пример к опыту 5

Стоит обратить внимание на автобус, троллейбус или же на плохо обтекаемый легковой автомобиль, идущие по пыльной или заснеженной дороге, и мы заметим, что самой грязной (забросанной пылью или снегом) всегда окажется задняя стенка.

Это явление весьма просто объяснимо возникнове­нием разрежения и вихреобразования позади плохо обтекаемых тел.

Автобус, у которого задняя стенка обычно прямая, при быстром ходе создаёт сзади себя разрежение и вихреобразование воздуха. Частички пыли или снега поднятые колесами от земли, вместе с вихрями уст­ремляются в это разрежённое пространство и при­липают к задней стенке машины.

Современные вентиляционные устройства зданий, промышленных установок, а также и транспорта конструируются по законам аэродинамики.

Интересно рассмотреть устройство и работу венти­ляторов современного автобуса и троллейбуса. На крышах автобусов и троллейбусов установлено не­сколько «грибков» с гребешками.

На рисунке 6 показан схематический разрез тако­го вентилятора.

Схематический разрез вентилятора автобуса

Схематический разрез вентилятора автобуса

При движении автобуса струи воздушного потока, проходящие над крышей, встречают на своём пути гребешки (завихрители). Проходя над ними, струи сильно завихрятся и создадут сзади них зону сильно­го завихрения, а следовательно, и область пониженно­го давления. Сюда устремится более сжатый воздух изнутри автобуса.