PHYSICS OF FLOW STRUCTURES. FLOW SEPARATION
V. V. KOZLOV

Flow separation, one of fundamental phenomena of fluid mechanics, is considered. Influence of parameters modifying physical nature of the separation is described and significance of flow hydrodynamic instability for formation of separation type is demonstrated.

Рассмотрено одно из фундаментальных явлений механики жидкостей и газа — явление отрыва потока. Описано влияние некоторых факторов, изменяющих физическую структуру отрыва, и показана важность гидродинамической неустойчивости течения для формирования вида отрыва.

ОТРЫВ ПОТОКА
В. В. Козлов
Новосибирский государственный университет

ВВЕДЕНИЕ

Аэродинамические характеристики летательного и плавательного аппаратов определяются особенностями их обтекания — относительного движения окружающей среды (газа или жидкости). В их числе одно из фундаментальных явлений механики жидкости и газа — отрыв потока. Оно заключается в том, что при определенных условиях (например, неблагоприятном градиенте давления) среда вблизи обтекаемого тела перестает двигаться вдоль его поверхности и отходит от нее. В результате образуется область оторвавшегося течения или зона отрыва, появление которой сказывается на маневренности, управляемости и аэродинамической эффективности транспортного средства.

Особый интерес представляет отрывное обтекание несущих поверхностей — крыльев летательных и плавательных аппаратов. В зависимости от скорости движения, формы крыла и угла, под которым оно расположено относительно воздушного потока, называемого углом атаки крыла, поведение оторвавшегося течения различно. При отрыве стационарного маловозмущенного, ламинарного, течения оторвавшийся поток может вновь присоединиться к поверхности крыла. При этом возникает местная зона отрыва (отрывной пузырь), которая имеет небольшие размеры по сравнению с размерами самого крыла (рис. 1, а). В этом случае отрывная область на крыле существует в виде узкой полосы, вытянутой вдоль его размаха.

Положение отрывного пузыря на крыле зависит от угла атаки. При его увеличении зона отрыва сдвигается ближе к передней кромке крыла, в задней части которого возникает еще один отрыв нестационарного вихревого, турбулентного, течения. Его схема показана на рис. 1, б. При турбулентном отрыве не происходит повторного присоединения оторвавшегося потока к поверхности крыла и зона отрыва включает всю область течения от линии отрыва до задней кромки крыла.

При дальнейшем увеличении угла атаки и достижении им критического значения возникает отрыв потока с передней кромки, называемый также срывом, глобальным или полным отрывом, схема которого приведена на рис. 1, в. Срыв потока сопровождается резким снижением подъемной силы крыла, увеличением его сопротивления и приводит к неблагоприятным, вплоть до катастрофических, последствиям.

Рис. 1. Схемы отрывных течений над верхней поверхностью крыла: 1 — переход от ламинарного течения к турбулентному, 2 — зона ламинарного отрыва, 3 — область отрыва турбулентного течения, 4 — область срыва потока, 5 — вихри по концам крыла

Отрывное обтекание крыльев изучается на протяжении многих лет с целью совершенствования методов прогнозирования подобных течений и разработки способов целенаправленного воздействия на них, то есть управления отрывом потока. Простейшие физические модели отрыва предполагают двумерность течения, то есть его независимость от одной из пространственных координат (в данном случае вдоль передней кромки крыла). В результате исследований, проведенных в последнее время, стала очевидна ограниченность такой идеализации: при турбулентном отрыве и срыве потока с передней кромки в отрывной зоне образуются крупномасштабные вихри, расположенные вдоль размаха крыла, с которыми связано интенсивное движение газа в поперечном направлении. Существование таких вихрей принципиально изменяет физическую картину течения по сравнению с той, которая рассматривается в двумерных задачах отрыва потока.

Остановимся вначале на структуре локализованных отрывных пузырей, то есть на первом случае.