отрывное течение

Отрывное течение в сверхзвуковом потоке.

отрывно́е тече́ние, срывное течение, — течение жидкости или газа, в котором поток, обтекающий тело, отрывается от его поверхности с образованием области возвратно-вихревого течения. Как правило, область возвратно-вихревого течения (см. Вихревое течение) характеризуется малыми градиентами давления и пониженными значениями давления торможения. О. т. возникает чаще всего при достаточно больших значениях Рейнольдса числа Re, когда действие сил вязкости оказывает непосредственное влияние на движение частиц только в очень тонких областях с большими поперечными изменениями продольных компонентов скорости, в частности в пограничном слое. Необходимым условием возникновения О. т. является увеличение давления около стенки вдоль направления потока (см. Отрыв пограничного слоя). В этом случае скорость частиц, движущихся в пограничном слое около поверхности тела, мала, поэтому их кинетической энергии оказывается недостаточно для преодоления возрастающего давления. Приток кинетической энергии от частиц, удалённых от тела в пристеночную область из-за действия сил трения внутри жидкости при больших значениях Re также оказывается недостаточным для преодоления тормозящего действия градиента давления. В результате движение частиц в пограничном слое замедляется и меняет направление на обратное. Появление развитой области обратных токов обычно полностью изменяет картину течения, так как набегающий поток отрывается от тела, составляя область, заполненную вихревым течением (см. рис. в статье Срыв потока).

Многие течения, встречающиеся в технике, являются отрывными, так как включают области интенсивного торможения потока и соответствуют большим значениям числа Рейнольдса. Безотрывные же течения имеют место при очень малых значениях Re. Для обычных в авиации течений с большими значениями Re безотрывными являются лишь течения около тонких профилей при малых значениях угла атаки. Однако при этом можно получить только очень малые значения коэффициента подъёмной силы.

Предельные характеристики многих устройств (например, крыльев самолётов, сопел, диффузоров, вентиляторов, насосов) ограничены началом резкого роста отрывных зон. Так, при умеренных значениях угла атаки подъёмная сила крыла возрастает с ростом угла атаки. При этом растёт перепад давлений между нижней и верхней сторонами профиля крыла, и вблизи заднего конца профиля пограничный слой на его верхней стороне должен преодолевать всё больший тормозящий перепад давлений. Естественно, что при некотором угле атаки зона отрыва пограничного слоя начинает быстро увеличиваться, подъёмная сила перестаёт расти и даже уменьшается при дальнейшем увеличении угла атаки. Одновременно растёт и аэродинамическое сопротивление.

В сверхзвуковых течениях часто торможение потока происходит в ударных волнах, когда достаточно интенсивные волны попадают на поверхность обтекаемого тела. Это приводит к отрыву пограничного слоя и образованию О. т. В сверхзвуковых и особенно в гиперзвуковых течениях образование О. т. резко изменяет не только распределение давления по поверхности обтекаемого тела и его аэродинамические характеристики, но и теплопередачу к телу. Тепловой поток к той части поверхности тела, которая погружена в зону отрыва, часто уменьшается, если образование зоны отрыва не приводит к переходу ламинарного течения в турбулентное или появлению низкоэнтропийных струй. Однако в местах присоединения зон отрыва к поверхности тела тепловой поток заметно увеличивается.

Появление О. т. чаще всего приводит к ухудшению характеристик летательного аппарата или газовых машин: уменьшению подъёмной силы, степени сжатия, росту сопротивления, появлению автоколебаний, локальных пиков тепловых потоков. Поэтому в технике, как правило, стараются избежать резкого роста зон отрыва, то есть использовать устройства на тех режимах, для которых зоны отрыва малы или отсутствуют. Чтобы избежать раннего отрыва потока или затормозить его развитие, используют различные способы: выбор формы обтекаемой поверхности, отсос пограничного слоя, вдув в пограничный слой и т. п. Существуют, однако, устройства, которые используют искусственно вызванные отрывные зоны для уменьшения сопротивления, Например, игла, установленная на лобовой поверхности затупленного тела, в сверхзвуковом или гиперзвуковом потоке может уменьшать его сопротивление (см. рис.), так как уменьшает давление на передней части его поверхности. Другой пример — использование искусственно вызванного отрыва потока для образования вихря, создающего вихревую подъёмную силу (см. Крыла теория). На самолётах используются также интерцепторы, вызывающие искусственный отрыв потока на части крыла для создания управляющих аэродинамических сил и моментов, а также для получения более благоприятного изменения характеристик устойчивости при изменении числа Маха полёта, в особенности при полёте с околозвуковыми скоростями.

Литература:
Шлихтинг Г., Теория пограничного слоя, М., 1974;
Лойцянский Л. Г., Механика жидкости и газа, 6 изд., М., 1987.

В. Я. Нейланд.