$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Когда жидкость течет вокруг объекта, такого как цилиндр, давление и скорости вблизи объекта постоянно меняются. Согласно теории невязкого потенциального потока, распределение давления вокруг цилиндра симметрично не только по горизонтали, но и по вертикали, до и после цилиндра. Это приводит к нулевой чистой силе сопротивления.
Однако экспериментальные результаты дают различные схемы течения, распределения давления и коэффициенты лобового сопротивления, поскольку теория невязкого потенциала не учитывает вязкость жидкости, которая сильно отличается от реальности. Принимая во внимание вязкость жидкости, мы можем лучше понять реальные модели течения вокруг цилиндра.
Во-первых, пограничный слой образуется вдоль цилиндра в результате действия вязких сил. Эти вязкие силы вызывают сопротивление трения кожи, которое представляет собой силу сопротивления, вызванную трением жидкости, движущейся по поверхности объекта.
Поскольку цилиндр представляет собой обтекаемое тело, то есть он не имеет обтекаемой формы, происходит разделение потока и позади объекта образуется след низкого давления. Это приводит к еще большему сопротивлению из-за перепада давления.
Характеристики этой схемы течения основаны на числе Рейнольдса. Число Рейнольдса — безразмерное число, используемое для описания жидкости, и представляет собой отношение сил инерции к вязким силам. Rho infinity — плотность жидкости, V infinity — скорость свободного потока, D — диаметр цилиндра, mu — динамическая вязкость жидкости.
Ниже числа Рейнольдса, равного примерно 4, структура потока показывает очень небольшое разделение потока за цилиндром. По мере увеличения числа Рейнольдса разделение потока увеличивается. Ниже числа Рейнольдса, равного примерно 40, мы видим неподвижную пару вихрей в следе.
При более высоком числе Рейнольдса вихри смещаются в вихревую улицу с рисунком чередующихся вихрей, вызванных процессом, называемым высыпанием вихрей. При еще более высоком числе Рейнольдса, после того как ламинарный пограничный слой претерпевает переход в турбулентный, след становится дезорганизованным.
Наконец, при очень большом числе Рейнольдса и турбулентном потоке мы видим, как след становится более узким и полностью турбулентным.
В этой лаборатории мы подвергнем цилиндр с 24 портами давления потоку жидкости в аэродинамической трубе. Затем мы будем использовать измерения давления на каждом отборе давления, чтобы изучить распределение давления и определить силы сопротивления на цилиндре.
Для этого эксперимента используется аэродинамическая аэродинамическая труба с тестовым участком размером 1 фут на 1 фут. Также получится алюминиевый цилиндр с 24 встроенными портами для напорных трубок. Также понадобится манометрическая панель с 24 столбиками.
Для начала сначала снимите верхнюю крышку тестового участка. Вставьте трубки, которые соединяются с портами баллона, через щель в нижней части испытательного участка. Затем установите цилиндр на верхнюю часть поворотного стола, расположив его так, чтобы нулевой порт был обращен вверх по течению.
Установите на место верхнюю крышку испытательного участка и подсоедините 24 напорные трубки с маркировкой от нуля до 23 к соответствующим портам панели манометра.
После того, как все трубки будут правильно соединены, запустите аэродинамическую трубу. Увеличьте скорость ветра до 60 миль в час и запишите все 24 измерения давления, считывая показания манометра. Теперь установите скорость ветра обратно на ноль и выключите аэродинамическую трубу. Откройте тестовый раздел.
Теперь модифицируйте цилиндр, закрепив веревку веревкой диаметром 1 мм между портами 3 и 4, что эквивалентно тете, равной 52,5?. Держите веревку как можно прямее, фиксируя ее на месте. Протяните еще одну строку между портами 20 и 21, что тета равна 307,5?. Эти струны будут мешать потоку воздуха. С помощью штифта проделайте отверстия в синей ленте, чтобы порты могли ощущать давление потока.
Затем закройте тестовый раздел. Снова включите аэродинамическую трубу и увеличьте скорость ветра до 60 миль в час. Запишите 24 измерения давления с помощью манометра.
Когда закончите, установите скорость ветра обратно на ноль и выключите аэродинамическую трубу. Отсоедините трубки от манометра. Затем откройте тестовый участок и снимите цилиндр.
Теперь давайте интерпретируем результаты. Во-первых, мы можем определить число Рейнольдса с помощью скорости свободного потока, которая составила 60 миль в час. Диаметр цилиндра, вязкость и плотность свободного потока известны. Таким образом, число Рейнольдса равно 1,78 х 105.
При этом числе Рейнольдса мы можем ожидать картину течения, как показано на рисунке, где происходит разделение потока, что приводит к турбулентному следу низкого давления за цилиндром. Этот перепад давления приводит к лобовому сопротивлению.
Теперь давайте посмотрим на наши экспериментальные данные, в данном случае для чистого цилиндра. Из-за симметрии мы рассмотрим только порты с 1 по 12. Theta — это угловое положение порта, а P-gage — показания манометра.
Сначала вычислим безразмерный коэффициент давления для каждого порта, где rho infinity и V infinity — плотность и скорость свободного потока соответственно. Проделайте тот же расчет для возмущенного цилиндра.
Если мы построим график экспериментальных результатов для каждого цилиндра по сравнению с идеальным, мы увидим, что точка застоя, или тета, равная нулю, коэффициент давления максимальна как для чистых, так и для возмущенных цилиндров. До тета, равной 60°, чистые и потревоженные цилиндры хорошо согласуются с идеальными данными.
После 60° они отклоняются от идеала, поскольку образуют область низкого давления в задней части цилиндра. Если мы вспомним ожидаемую картину течения, то увидим, что в области следа мы должны увидеть турбулентные вихри и вихри. Это явление хорошо согласуется с областями низкого давления, измеренными для обоих цилиндров.
Однако различия между ними возникают там, где струны были добавлены в цилиндр, где чистый цилиндр испытывает более низкую область давления в кильватере, чем потревоженный цилиндр. Это связано с тем, что нарушенный поток имеет тенденцию больше оборачиваться вокруг цилиндра, прежде чем произойдет разделение потока. Пограничный слой, который начинается как ламинарный, переходит в турбулентный сразу после возмущения.
Вы можете видеть, что он оборачивается вокруг нарушенного цилиндра больше, чем чистый цилиндр, который всегда ламинарный перед разделением потока. Поскольку возмущенный поток имеет более высокое противодавление в кильватере, он должен иметь меньшую силу сопротивления. Подтвердим эту гипотезу.
Во-первых, рассчитайте лобовое сопротивление, FD, как показано с использованием углового положения каждого напорного порта, углового расстояния с соседними портами, измерительного давления в каждом порту и радиуса цилиндра. После того, как мы рассчитали сопротивление для каждого цилиндра, мы можем рассчитать безразмерный коэффициент сопротивления, CD, для каждого цилиндра.
Как и ожидалось, коэффициент аэродинамического сопротивления для поврежденного цилиндра ниже, чем для чистого цилиндра. Эти результаты также объясняют, почему мячи для гольфа имеют ямочки. Углубления вызывают турбулентное течение в пограничном слое и, следовательно, снижают сопротивление.
Таким образом, мы узнали о характерных моделях течения, наблюдаемых при разных числах Рейнольдса, и о переходе к турбулентному потоку. Затем мы подвергли цилиндры воздействию поперечного потока в аэродинамической трубе и измерили распределение давления вдоль их поверхностей, чтобы определить силы сопротивления на каждом из них.
