Moderné problémy vedy a vzdelávania. Pár slov o aerodynamike mojich modelov - Alexandrovov trysky Vortex efekt a jeho uplatnenie v aerodynamike

V roku 1953, keď sa oslavovalo polstoročie letu človeka na dopravných prostriedkoch ťažších ako vzduch, vyšla kniha Theodora von Karmana (1881 - 1963) pod názvom „Aerodynamika. Vybrané témy v ich historickom vývoji“. Je napísaná na základe šiestich Posolských prednášok, ktoré autor uviedol v rámci cyklu poučných čítaní „O vývoji civilizácie“, ktoré v roku 1923 zorganizoval Hiram J. Messenger.

Karman je najznámejší teoretik prvej polovice 20. storočia v oblasti aerodynamiky. Narodil sa a vyrastal v židovskej rodine žijúcej na uhorskom území Rakúsko-Uhorska. V roku 1902 absolvoval univerzitu v Budapešti a čoskoro sa presťahoval do Nemecka. V roku 1908 pod vedením Ludwiga Prandtla obhájil doktorskú dizertačnú prácu z aerodynamiky. Obhajoba sa konala na univerzite v Göttingene, kde zostal pôsobiť. Neskôr mu bola ponúknutá, aby viedol Inštitút letectva na univerzite v Aachene. Zúčastnil sa prvej svetovej vojny v radoch rakúsko-uhorskej armády.

V roku 1930 bol pozvaný na Kalifornský technologický inštitút. Keď tam prišiel, viedol laboratórium aeronautiky. V roku 1936 začal pracovať pre spoločnosť Aerojet, ktorá vyvíja a vyrába raketové motory. V 40. rokoch prešiel na vesmírne témy. V roku 1944 úspešne absolvoval onkologickú operáciu čriev. Z jeho iniciatívy bola v roku 1960 založená Medzinárodná akadémia astronautiky, ktorá združuje popredných vedcov pôsobiacich v oblasti vesmírneho výskumu. Karman zomrel v roku 1963 počas cesty do Aachenu (Nemecko); pochovaný v Pasadene v Kalifornii.

Táto kniha je zaujímavá v dvoch ohľadoch. Prvým dôvodom je, že demonštruje nevyhnutnosť a dôležitosť praxe aj teórie. Niekto môže mať dojem, že sa spočiatku rodia teoretické myšlienky, ktoré potom nachádzajú uplatnenie v našom praktickom živote. Celá história vedy však ukazuje skôr opačný sled týchto dvoch kognitívnych zložiek. Je pravda, že impulzom pre akékoľvek praktické činnosti, je nejaký nápad. Ale zvyčajne je príliš surový: v procese konštrukcie stroja alebo zariadenia jeho pôvodný lesk rýchlo mizne. Skutočná, prísne formalizovaná teória sa objaví po mnohých opakovaných krokoch myslenia a konania. Klasickým príkladom je tu veda o elektromagnetizme. Najprv tomu predchádzala dlhá séria jednoduchých experimentov, ktorú korunuje komplexná séria experimentov vedených Faradayom. Na svojom experimentálnom základe Maxwell rozvíja teóriu, ktorá bola príliš abstraktná. Edison, Tesla a ďalší praktizujúci fyzici túto časť vedy korigujú a konkretizujú už niekoľko desaťročí.

Relativistická fyzika nám ukazuje značne skreslený vývoj určitej oblasti poznania, ktorá je dôkladne presiaknutá filozofickými a matematickými špekuláciami. Karman prikývol smerom k zástancom teórie relativity a kvantovej mechaniky a zmysluplne a nie bez irónie poznamenal: „My aerodynamiky sme vždy skromnejší a nesnažíme sa meniť základné myšlienky ľudskej mysle ani zasahovať do záležitostí milosrdného Pána. a Božia prozreteľnosť!" .

Aerodynamika a hydrodynamika, ako aj mechanika vôbec, nám neustále pripomína veľký vplyv empirizmu na formovanie teórie. Na ktorúkoľvek oblasť vedy, ktorú si vezmeme - či už ide o mechaniku alebo elektromagnetizmus - ju rozdeľujeme aplikované A zásadnýľahko objaví sám seba. Ale kozmológia, ktorá vznikla na základe relativistickej a kvantovej mechaniky, pozostáva hlavne zo základnej časti. Vzhľadom na absenciu výraznejšej aplikovanej sekcie to vyzerá ako nie veda, ale nejaká filozofia, ktorý sa nešetrným uvažovaním, v zásade cudzím skutočným fyzikom, infiltroval do tela prírodných vied a zaujal v ňom takmer dominantné postavenie. Pre ľudí nezasvätených do jeho problémov môžu byť zložité matematické modely vypočítané na vysokorýchlostných počítačoch mätúce. Ale odborníci dobre vedia, že takéto počítačové výpočty často slúžia ako zdroj ešte horšej scholastiky.

Kozmológia zvažuje procesy a javy ovplyvňujúce vesmír ako celok. Kozmológovia tradične veľa fantazírujú o veľkom tresku, čiernych daroch a dierach, ktoré úzko súvisia s relativistickou fyzikou a kvantovou mechanikou. Práve tieto dva úseky dávajú kozmológii fantazmagorický charakter. Pravda, v V poslednej dobe V súvislosti s vývojom teleskopických prístrojov pracujúcich v rôznych radiačných rozsahoch začali kozmológovia venovať veľkú pozornosť pozorovaniu vesmírnych objektov. Napriek tomu je väčšina dnešných kozmológov stále veľmi vzdialená od problémov nevyriešených počas minulého storočia, ktoré sú základom ich úžasnej vedy. Napríklad tvrdia, že v strede väčšiny špirálových galaxií sú čierne diery spojené so „zakrivením časopriestorového kontinua“ (obr. 1; o čiernych dierach si môžete prečítať viac).

Ryža. jeden. Portrét Stephen Hawking ,
nad hlavou ktorého je systém typu SS 433,
pozostávajúce z hviezdy a čiernej diery, okolo ktorej
viditeľný akrečný disk a pár trysiek

Prozaickí astronómovia vnímajú čierne diery racionálnejším a prirodzenejším spôsobom. Pre nich tieto kedysi exotické predmety prakticky stratili svoju relativistickú podstatu. Čierna diera pre príčetného astronóma 21. storočia už nie je singulárnym bodom, ktorý je vstupom do iného vesmíru, v ktorom mizne svetlo a hmota nášho vesmíru. Naopak, je to superhustá zrazenina hmoty, „diera“ obklopená akrečný disk, sa mu javí ako silný zdroj tvrdého kozmického žiarenia, lúčov ( trysky), ktoré sú spravidla nasmerované kolmo na rovinu špirálovej alebo sploštenej galaxie. Na takomto úplne klasickom chápaní tohto kozmického fenoménu nie je nič zvláštne. Je zrejmé, že v nepevnom médiu môže translačný pohyb (divergencia, div) spôsobiť rotáciu (rotáciu, rotáciu) a naopak.

Ryža. 2. Divergencia v kvapalnom alebo plynnom médiu
môže spôsobiť jeho rotáciu a naopak

Výskumník, ktorý v mladšom veku nebol príliš lenivý chápať špekulácie relativistov a uvedomoval si neetické správanie Einstein vo vede aplikujte skôr aero- a hydrodynamické modely na spomínané „čierne diery“. Treba si dobre uvedomiť, že nikto nezaznamenal žiadny vplyv gravitačného poľa na priebeh svetelných lúčov. Výsledky pozorovaní hviezdnej oblohy v blízkosti slnečného disku zatemneného Mesiacom boli sfalšované (pozri časť: Odchýlka svetelných lúčov v blízkosti masívnych telies). Ale týmto falošným faktom sa relativisti správali ku klasickým fyzikom (u nás nimi boli Kasterin , Timiryazev , Mitkevič , vodca) a prerušili normálny vývoj dynamiky plynu aplikovaného na mikro- a makrokozmy. V tomto ohľade nebude zbytočné ponoriť sa nielen do histórie vývoja aerodynamiky, o ktorej hovorí Karmanova kniha, ale tiež dobre zvládnuť hlavný obsah tejto časti fyziky.

Pred aerodynamickou vedou existovala aerostatická veda. Benjamin Franklin(1706 - 1790) bol pravdepodobne jedným z prvých, ktorí uvažovali o zostrojení balóna. Princíp udržiavania balóna alebo vzducholode vo vzduchu vychádza zo známeho statický zákon Archimedes. Čo sa týka tekutín, zákon hovorí: Každé teleso ponorené do tekutiny stráca toľko zo svojej hmotnosti, koľko je hmotnosť tekutiny, ktorú vytlačí.. To znamená, že telesá, ktorých špecifická hmotnosť je menšia ako špecifická hmotnosť kvapaliny, budú plávať na povrchu kvapaliny. Napríklad korok a tuk plávajú na hladine vody. Tento zákon platí aj pre plyny. Dokonca aj Demokritos pochopil, že oheň má tendenciu stúpať, pretože jeho špecifická hmotnosť je menšia ako špecifická hmotnosť vzduchu.

Od nepamäti existujú aj základné myšlienky aerodynamiky, spočívajúce v udržiavaní lietadla vo vzduchu s vrtuľou a mávajúcimi krídlami, ako u vtákov. Stačí pripomenúť nákres „vrtuľníka“ Leonarda da Vinciho, v ktorom bola použitá takzvaná Archimedova skrutka (obr. 3). Nemôžete ani hovoriť o krídlach: veľa odvážlivcov, ktorí si priviazali krídla k rukám a rútili sa po hlave zo zvonice, si zlomili krky a končatiny. Karman pomenoval Angličana Sir George Cayley (1773-1857), ktorý vo svojich článkoch z obdobia 1809-1810 prvýkrát vážne hovoril o údržbe lietadiel „pomocou pohyblivých naklonených plôch v smere letu za predpokladu, že máme mechanická energia na vyrovnanie odporu vzduchu, ktorý bráni tomuto pohybu.

Ryža. 3. "Vrtuľník" Leonardo da Vinci

Cayley napísal: "Experimentom sa zistilo, že tvar zadnej časti vretena nie je o nič menej dôležitý ako tvar prednej časti vretena pri znižovaní odporu." „Obávam sa však,“ pokračoval, „že celá téma je vo svojej podstate taká nejasná, že je užitočnejšie skúmať ju experimentom než uvažovaním [čím mal nepochybne na mysli teoretické zdôvodnenie] a pri absencii akýkoľvek presvedčivý dôkaz o tom, že jediným zostávajúcim spôsobom je kopírovať prírodu; preto uvediem ako príklad telá pstruha a sluky lesnej “(obr. 4) .

Ryža. 4
v tvare pstruha.

Pred prvým letom bratov Wrightovcov v roku 1903 boli matematika a teoretická fyzika pri konštrukcii lietadiel ťažších ako vzduch absolútne bezmocné. „Wilber (1867-1912) a Orville (1871-1948) Wrightovci neboli profesionálni vedci. Poznali však praktické nápady v oblasti aerodynamiky, ktoré pred nimi vyvinuli rôzni výskumníci, a okrem pozoruhodného talentu dizajnérov mali možnosť využiť experimenty s modelmi na ich plnohodnotný dizajn. V skutočnosti na tento účel použili jednoduchý a malý aerodynamický tunel. Okrem toho absolvovali takmer tisíc letov vetroňov.

Karman nás uvádza do histórie vývoja teoretickej aerodynamiky, ktorej stopy pôvodu možno nájsť v Newtonových prvkoch [kniha II, oddiel VII, veta 33]: „... Sily pôsobiace na dve geometricky podobné telesá, ktoré sa pohybujú v kvapalinách s rôznymi hustotami sú úmerné: a) druhá mocnina rýchlosti; b) druhú mocninu lineárnych rozmerov telesa a c) hustotu kvapaliny“. Keďže „rýchlosť zmeny hybnosti (hybnosť = hmotnosť × rýchlosť) vytvorenej v tekutine je úmerná hustote tekutiny a štvorcu rýchlostí jednotlivých častíc zapojených do pohybu, takže za predpokladu, že prúdenie je podobné, je to úmerné štvorec rýchlosti nerušený tok tekutiny“. Odtiaľto pochádza vzorec:

F = ρ ( SU)² sin² α, (1)

kde ρ je hustota kvapaliny, S- plocha taniera, U- rýchlosť dosky [alebo budovanie vzduchu vzhľadom k doske na odpočinok], α - uhol sklonu [uhol nábehu]. Pevnosť F smerované kolmo na povrch. Hodnota ρ SU sin α je jednoznačne hmotnostný tok za jednotku času cez prierez S sin α, rovný priemetu dosky, kolmý na počiatočný smer prúdenia (obr. 5). Predpokladá sa, že po zrážke častice sledujú smer dosky. Potom získame zmenu hybnosti hmoty tekutiny dopadajúcej na dosku za jednotku času vynásobením tejto hmotnosti zložkou rýchlosti U sin α v dôsledku zrážky.

Ryža. päť. Kresba vysvetľujúca výraz (1).

Karman pokračuje v rozprávaní mnohých experimentov, ktoré sa končia nasledujúcim záverom: „Experimentálne dôkazy ukázali, že Newtonove tri tvrdenia sú pravdivé: úmernosť k hustote, úmernosť k štvorcu lineárnej veľkosti a úmernosť k štvorcu rýchlosti. ... Newtonova predpoveď úmernosti medzi silou pôsobiacou na plošný prvok a sínusoida jeho uhol sklonu sa ukázal ako úplne chybný. Experimenty ukázali, že sila je skôr takmer lineárne na sínus roh alebo samotný roh v prípade malých uhlov.

Takýto nepríjemný výsledok nás vedie k myšlienke, že prac SU je tok, ktorý nemožno rozložiť na dve nezávislé veličiny - S A U. Preto vo vertikálnej projekcii toku sa sínus objavuje iba v prvom stupni:

F = ρ ( SU)² sinα, (2)

Ale tieto argumenty a vzorec (2) sú mylné, pretože experimenty ukázali, že proces prúdenia vzduchu alebo kvapaliny okolo dosky nie je taký jednoduchý, ako by sa na prvý pohľad mohlo zdať. Tu vznikajú víry, ktoré nemožno opísať výrazmi ako (1) a (2). Ale o tejto stránke veci si povieme neskôr. Teraz je pre nás dôležité upriamiť pozornosť čitateľov na kognitívne problémy filozofický význam.

Vzhľadom na skutočnosť, že „teória bola v rozpore s faktami“, Karman tým najvzdorovitejším spôsobom napísal: „Niektorí autori tvrdili, že Newtonov zákon prispel k pesimistickým predpovediam o možnostiach letu s pohonom, ktoré možno nájsť vo vedeckej praxi. literatúre. Osobne si nemyslím, že Newtonov vplyv bol naozaj taký katastrofálny. Verím, že väčšina ľudí, ktorí skoré obdobie o ktorých hovoríme, skutočne sa zaujímali o lietanie, neverili žiadnej teórii. …

Počas celého devätnásteho storočia pozorujeme dva prakticky nesúvisiace procesy. Na jednej strane nadšenci lietania, väčšinou praktickí ľudia, vypracovali svoje vlastné dosť primitívne teórie letu vtákov a svoje poznatky sa snažili aplikovať na požiadavky ľudského letu. Na druhej strane predstavitelia vedy rozvinuli matematickú teóriu dynamiky tekutín; tento vývoj nesúvisel s problémom lietania a neposkytoval veľa užitočných informácií tým, ktorí túžili lietať.

História vývoja konštrukcie lietadiel presvedčivo dokazuje, aká obrovská priepasť môže vzniknúť medzi teoretickými konštrukciami a skutočnými procesmi, ktoré by, ako by sa zdalo, mali byť presne popísané celkom samozrejmými matematickými výrazmi. V súvislosti s týmto obludným nesúladom medzi teóriou a praxou človeka neprestáva prekvapovať sebavedomie relativistov.

V skutočnosti ani jeden z nich nie je schopný teoreticky opísať javy, ktoré sa vyskytujú každú sekundu vo vnútri a na povrchu Slnka – dokonca veľmi, veľmi približne. Ale opovážlivo vyhlasujú: "Nevieme a nechceme zachádzať do mnohých detailov zložitého fyzikálneho procesu, ale presne vieme, čo sa stane s hviezdou ako celkom." Napríklad relativisti dávajú 100% záruku, že Slnko sa zmení na čiernu dieru, ak sa jeho polomer zmenší na 3 km. Čierna diera s hmotnosťou 10 Sĺnk bude mať polomer 30 km, 100 Sĺnk - 300 km a 1000 Sĺnk - 3000 km. Všetko je veľmi jednoduché!

Človek zbavený akéhokoľvek kritického myslenia môže týmto číslam veriť. Je lepšie, ak nebude robiť vedu. Vzorec pre polomer čiernej diery odvodil Karl Schwarzschild niekoľko mesiacov po tom, čo Einstein zverejnil svoje gravitačné rovnice. To ešte nikto nedokázal beztiažový fotóny budú v poli vychýlené gravitácia- samotná poloha je absurdná - a relativisti už odvodili vzorce pre polomer čiernej diery, ak sa otáča, má magnetické pole a na jej povrchu je rovnomerne "rozmazaný" elektrický náboj.

A to aj napriek tomu, že nikto nevie, prečo sa uhlové rýchlosti rotácie Slnka pri rovníku a pri póloch výrazne líšia, ako sú rozložené. elektrické náboje a magnetické polia na povrchu kypiaceho svietidla, čo ovplyvňuje vzhľad tmavých škvŕn a výčnelkov. Ale relativisti-popularizátori nestrácali čas nadarmo. V miliónových nákladoch už vydali svoje bláznivé obrázkové knihy, kde naivným mladíkom podrobne rozprávajú, čo uvidí kozmonaut Vasya, keď začne padať do čiernej diery.

Prečítajte si The Cosmic Frontiers of Relativity od Williama J. Kaufmana a budete prekvapení, koľko nezmyslov dokážete vymyslieť z triviálneho faktu, že zotrvačná a gravitačná hmotnosť sú rovnaké. Vo vodnom texte možno prečítať frázu charakteristickú pre relativistickú kozmológiu: „Táto kniha bola napísaná pred 25 rokmi, už vtedy teória čiernych dier pokročila vo svojom vývoji do takých vzdialeností, že experiment by nedokázal „dosiahnuť "čoskoro." Autor týchto riadkov si neuvedomuje, že žiadna veda nemôže existovať mimo experimentu.

Čierna diera je fantóm, ktorý pôvodne vznikol z úplne pochopiteľnej situácie: ak gravitačná hmota ohýba lúče svetla, potom existuje gravitačné pole takej sily, že lúče sa približujú k povrchu tela a generujú toto pole. Ako už bolo spomenuté, v roku 1919 boli výsledky sfalšované zatmenie Slnkaže relativisti verili. A potom ďalej a ďalej...

Najprv sa čierne diery hľadali v tých častiach nočnej oblohy, kde neboli viditeľné žiadne hviezdy. Ale v priebehu zdokonaľovania techniky pozorovania hviezd na oblohe takmer žiadne také miesta nie sú. Potom sa relativisti rozhodli, že čierne diery sa skrývajú v centrách galaxií. Keďže z týchto centier vychádzalo silné kozmické žiarenie, na rozdiel od pôvodnej definície začali uisťovať, že toto žiarenie len naznačuje prítomnosť čiernych dier v týchto miestach. Navyše, evolúcia obyčajnej hviezdy končí čiernou dierou, keď prejde fázou bieleho trpaslíka a neutrónovej hviezdy (podrobnosti).

Ale nechajme na pokoji slávnych relativistov s ich čiernymi dierami a vráťme sa do histórie vedy o víroch. Celá kniha Karmana je v podstate venovaná analýze inžinierskych štruktúr, ktoré ovplyvnili formovanie aerodynamickej teórie. Nižšie uvádzame niekoľko pasáží z nej na túto tému.

„V dlhom zozname experimentátorov, inžinierov a fyzikov,“ píše Karman, „nájdeme mená mnohých slávnych vedcov. Edme Mariotte (1620 - 1684) meral silu pôsobiacu na plochú platňu ponorenú do prúdu vody. Pokusy Jeana Charlesa de Bordesa (1773 - 1799) zahŕňali telá rôznych tvarov; telá vo vode uviedol do pohybu pomocou otočného ramena, takzvanej kolotočovej inštalácie. Túto metódu predtým používal Benjamin Robinet (1707 - 1751), ktorý svoj experiment vykonal vo vzduchu. …

Pri meraní odporu telesa, pre ktoré bolo aplikované priame ťahanie v kvapaline, bolo použitých niekoľko experimentálnych metód. Jean Léron d'Alembert (1717-1783), Antoine Condorcet (1743-1794) a Charles Bossu (1730-1814) ťahali modely lodí na stojatej vode. Možno to bola prvá aplikácia takzvanej towpoolovej metódy. Lokomotívy a neskôr autá sa používali na pohyb modelov v priamom smere vzduchom. Táto metóda však nie je veľmi presná. Po prvé, môže sa používať len pri nefúkanom vetre a po druhé je veľmi ťažké vypočítať vplyv dna.

Ďalší spôsob tvorby priamočiary pohyb- voľný pád telesa do vzduchu. Sám Newton pozoroval gule padajúce z kupoly Katedrály svätého Pavla. Túto metódu použili mnohí výskumníci. Pozoruhodné experimenty uskutočnil koncom devätnásteho a začiatkom dvadsiateho storočia Alexander Gustav Eiffel (1832 - 1923).

Najlepšou metódou na meranie odporu vzduchu je umiestniť model do umelého prúdenia vzduchu, teda metódou aerodynamického tunela. Prvým človekom, ktorý vytvoril takúto inštaláciu, bol Francis Herbert Wenham (1824 - 1908), zakladajúci člen Aeronautical Society of Great Britain, ktorý pre túto spoločnosť v roku 1871 vyvinul aerodynamický tunel. V roku 1884 ďalší Angličan Horatio Phillips (1845-1912) postavil vylepšený aerodynamický tunel. Po nich bolo vybudovaných niekoľko ďalších malých aerodynamických tunelov; napríklad v roku 1891 Nikolaj Jegorovič Žukovskij (1847-1921) na Moskovskej univerzite postavil potrubie s priemerom dvoch stôp.

V prvej dekáde nášho storočia boli aerodynamické tunely postavené takmer vo všetkých krajinách. Medzi staviteľmi boli Stanton a Maxim v Anglicku, Rato a Eiffel vo Francúzsku, Prandtl v Nemecku, Crocco v Taliansku, Žukovskij a Rjabušinskij v Rusku. V porovnaní s dnešnými obrovskými rúrami boli tieto inštalácie pomerne skromné. Napríklad ani jeden aerodynamický tunel postavený pred rokom 1910 nemal výkon väčší ako 100 koní. Dnes využíva aerodynamický tunel vo francúzskych Alpách až 120 000 konských síl hydraulického výkonu.

Karman zaznamenal aj zásluhy Charlesa Renarda (1847 - 1905), Etienna Julesa Marea (1830 - 1904), bratov Otta (1848 - 1896) a Gustava (1849 - 1933) Lilienthals, Alphonse Peno (1850 - 1880), Samuela Langley (1834 - 1906), Charles M. Manley (1876 - 1927) a Sebastian Finsterwalder (1862 - 1951). IN teoreticky podnikli sa aj dôležité kroky. V tejto súvislosti je potrebné poznamenať predovšetkým prácu Daniela Bernoulliho z roku 1738 „Hydrodynamika alebo komentáre k silám a pohybom tekutín“. Na základe zákona zachovania pracovnej sily (kinetickej energie) stanovil vzťah medzi tlakom, hladinou a rýchlosťou pohybu tekutiny. V Pojednaní o rovnováhe a pohybe kvapalín (1744) a najmä v Náčrtoch novej teórie odporu kvapalín (1752) dospel d'Alembert k paradoxnému záveru. Karman v časti „Matematická mechanika tekutín“ hovoril o tomto paradoxe nasledovne.

„Po zverejnení Newtonovej teórie matematici rozpoznali nedostatky jeho metódy. Uvedomili si, že úloha nie je taká jednoduchá, ako si Newton myslel. Tok nemôžeme nahradiť paralelný pohyb, ako sa o to približným spôsobom pokúšal Newton (obr. 5). Prvým človekom, ktorý vyvinul to, čo môžeme nazvať presnou teóriou odporu vzduchu, bol d'Alembert, veľký matematik a jeden z francúzskych encyklopedistov. Svoje poznatky publikoval v knihe tzv Esej o novej teórii odolnosti kvapalín. Napriek výraznému prínosu do matematickej teórie kvapalín dostal negatívny výsledok. Končí s nasledujúcim výstupom:

Priznám sa, že v tomto prípade nevidím, ako sa dá odolnosť kvapalín uspokojivým spôsobom vysvetliť pomocou teórie. Naopak, zdá sa mi, že táto teória, uvažovaná a študovaná s hlbokou pozornosťou, kladie, aspoň vo väčšine prípadov, absolútne nulový odpor; mimoriadny paradox, ktorý nechávam vysvetliť geometrom.

Toto vyhlásenie, pokračuje Karman, teraz nazývame d'Alembertov paradox. To znamená, že čisto matematická teória vedie k záveru: ak pohybujeme telesom vzduchom a zanedbáme trenie, teleso nenarazí na odpor. Je zrejmé, že tento výsledok nemohol poskytnúť veľa pomoci praktickým dizajnérom.

Portréty fyzikov (zľava doprava):
John William Strett (Lord Rayleigh), Hermann von Helmholtz a Gustav Kirchhoff

V nasledujúcom storočí Helmholtz, Gustav Kirchhoff (1824-1887) a John William Strutt, Lord Rayleigh (1842-1919) vyvinuli teóriu, o ktorej verili, že nám umožní vyhnúť sa d'Alembertovmu záveru. Táto teória opisuje pohyb naklonenej dosky špeciálnym spôsobom za predpokladu, že na každom okraji dosky je vytvorená nespojitá plocha, takže po doske nasleduje prebudiť sa, pozostávajúci zo „stagnujúceho vzduchu“ a expandujúceho do nekonečna za platňou (obr. 6). Tento predpoklad umožňuje vypočítať nenulovú silu pôsobiacu na platňu aj v prípade neviskózne tekutiny. Na obr. 6 je znázornená naklonená rovina krídla a prúdy vzduchu, ktoré fúkajú pod krídlo a obtekajú krídlo zhora a zdola tak, že sa nad rovinou krídla vytvorí "zóna stagnujúceho vzduchu".

Ryža. 6. prúdy vzduchu v blízkosti roviny krídla,
podľa Rayleighovej teórie, v ktorej istý
príspevok Helmholtza a Kirchhoffa

K tomu pridávame nasledujúcu pasáž:

V pojednaní „Hydrodynamika“ (1738) D. Bernoulli na základe zákona zachovania pracovnej sily nadviazal spojenie medzi tlak, úrovni A rýchlosť pohybu kvapaliny. O päť rokov neskôr J. D'Alembert vo svojom „Pojednaní o dynamike“ prvýkrát sformuloval všeobecné pravidlá pre zostavovanie diferenciálne rovnice pohyb akýchkoľvek materiálových systémov, redukovanie dynamických úloh na statické. Rovnaký princíp použil na zdôvodnenie hydrodynamiky v traktáte „Rozpravy o spoločnej príčine vetrov“.

L. Euler vo svojom pojednaní „Všeobecné princípy pohybu tekutín“ (1755) ako prvý odvodil sústavu rovníc pre pohyb ideálnej tekutiny. Toto pojednanie položilo základ pre analytickú mechaniku kontinua. Predstavili aj koncept rýchlostný potenciál. Metódy Eulera a d'Alemberta vylepšil Lagrange. Lagrange (1781) našiel dynamické podmienky, ktorých splnenie podmieňuje existenciu irotačného pohybu s rýchlostným potenciálom. Lagrange zistil, že víry nemôžu vzniknúť v kvapaline bez viskozity, ak v nej neboli prítomné od samého začiatku. Ak boli víchrice, potom ich nemožno zničiť.

V roku 1815 Cauchy dôsledne dokázal Lagrangeovu vetu. Pre hydromechaniku prvej polovice 19. storočia je charakteristický vývoj metód riešenia Eulerových pohybových rovníc ideálnej tekutiny. Vznik hydrodynamiky viskóznej tekutiny sa datuje do rovnakého obdobia. V roku 1858 vyšla Helmholtzova práca „O integráloch rovníc hydrodynamiky zodpovedajúcich vírovým pohybom“, v ktorej základy teórie vírov. Táto štúdia je najväčším úspechom v hydrodynamike od čias Eulera a Lagrangea.

Inovácie zavedené Helmholtzom sú popísané v častiach Helmholtz. Časť 1 , časť 2 , časť 3 .

V grafe (obr. 7) sú znázornené tri krivky zodpovedajúce trom aerodynamickým teóriám: 1 - Newton, 2 - Rayleigh a 3 - Karman. Autor knihy nazval druhú krivku zodpovedajúcu „teórii moderného výťahu“ alebo teórii obehu. Uhol nábehu je vynesený pozdĺž osi x, t.j. uhol sklonu roviny krídla; pozdĺž osi y - sila, pre pohodlie, uvedená v jednotkách ρ U ² L kde ρ je hustota kvapaliny, U je relatívna rýchlosť prúdenia a L- šírka roviny krídla.

Ryža. 7. Tri oblúky pre zdvih,
zodpovedajúce teóriám Newtona, Rayleigha a Karmana

Z kvantitatívneho hľadiska teória Rayleigha a jeho dvoch pozoruhodných predchodcov Helmholtza a Kirchhoffa zodpovedala skutočnej situácii ešte menej ako Newtonova teória. Zohľadnil však výsledok, ktorý je v experimente dosť fixný, spojený s objavením sa špeciálnej zóny nad krídlom. Navyše prekonala d'Alembertov paradox. Pripomeňme si, že podľa tohto paradoxu sa ukázalo, že teleso pohybujúce sa rovnomerne v ideálnom prúdení nekladie odpor. Ideálne médium bolo chápané ako „matematické“ médium plynnej alebo kvapalnej konzistencie, bez viskozity. Tento problém z 18. storočia mátal teoretikov 19. storočia, ktorí ho však neriešili.

Takže opakujeme, podľa Newtonovej teórie krídlo svojimi hranami „sekalo“ pohybujúce sa prúdnice, čo spôsobilo značný nesúlad s experimentom. Podľa teórie d'Alemberta, ktorý uvažoval o absolútne prúdnicovom tele, podobne ako Cayleyho „pstruh“ (obr. 4), prúdenie nebolo nikde prerušené, čo v prípade plochého krídla naozaj neplatilo. Podľa Rayleighovej teórie bolo zabezpečené „oddelenie“ prúdenia od pohybujúceho sa krídla, no jeho výsledok sa tiež ukázal ako chybný: z neho vypočítaný odpor a vztlak nezodpovedali experimentálnym údajom. Adekvátna aerodynamika vznikla až v 20. storočí, keď teoretici a praktici začali úzko spolupracovať. Theodor von Karman bol tým pozoruhodným výskumníkom, ktorý spájal talent premysleného teoretika a pozorného praktika.

Doteraz sme v rámci riešenia problému pohybu lietadiel hovorili o rozporoch medzi teóriou a experimentom. No ten istý Rayleigh v roku 1878 publikoval článok, ktorý sa zaoberal problémom, ktorý na prvý pohľad nemal nič spoločné s konštrukciou lietadiel. Prípad v ňom posudzovaný opäť raz vyvrátil paradoxný záver, ktorý pred viac ako sto rokmi urobil d'Alembert. Rayleigh zistil, že ak sa valec umýva pokojným horizontálnym prúdením (obr. 8a), tak jeho francúzsky predchodca má v princípe pravdu. Ak je súčasne valec nútený sa otáčať, potom vznikne dodatočná sila, kolmá na prúdenie, ktorá spôsobí vychýlenie valca smerom nahor (obr. 8b).

Ryža. 8. Valec v pokoji je ponorený do rovnomerne tečúceho prúdu (a). V dôsledku symetrického tlaku na povrch valca sa tento začne pohybovať horizontálne zľava doprava, t.j. byť unášaný potokom. Ak je valec nútený otáčať sa v smere hodinových ručičiek, potom naň bude pôsobiť dodatočná vertikálna sila, ktorá tlačí valec nahor (b).

Odkiaľ sa vzala sila kolmá na prúdenie? V hornom bode A sa rýchlosť cirkulácie valca pripočítava k rýchlosti horizontálne prúdiaceho prúdu, takže povrch valca má buď menšiu odpor tok, alebo ho ďalej urýchľuje. V dolnom bode B sa rýchlosti odpočítajú, čo sa rovná zvýšeniu odpor. Valec bude sledovať dráhu najmenšieho odporu prúdenia, ktorá bude nad valcom. Daniel Bernoulli (1700 - 1782) dokázal vetu o ideálnej nestlačiteľnej tekutine: čím vyšší prietok, tým nižší tlak v nej a naopak.

Rayleighov experiment teda jednoznačne súvisí s množstvom spojka prúdenie s pevným povrchom valca, ktoré možno charakterizovať aj pojmom trenie. V bode A je trenie minimálne, v bode B maximálne. Veľkosť trenia, adhézie alebo odporu pôsobiaceho na valec tak, že blízko bodu A tlak prietok na valcovej ploche sa ukázal byť menší ako blízko bodu B. Odtiaľto je ľahko dosiahnuteľný koncept zóna stagnácie vzduchu znázornené na obr. 6 a koncepty zdvíhacia silaúmerné rozdielu tlaku nad a pod rovinou krídla. Spočiatku, ako vieme, tieto pojmy neboli spojené obehu predstavil Rayleigh.

Ryža. deväť. Zakrivené profily krídel,
analyzoval Horatio Phillips

Na konci storočia Horace Phillips empiricky zistil pomocou aerodynamického tunela, že krídla s vypuklou plochou vyvíjajú najväčší vztlak, ako je znázornené na obr. 9, pričom predné a zadné body krídla by mali byť podľa možnosti v rovnakej úrovni, t.j. pri nulovom uhle nábehu.

Ryža. 10. Model lietadla navrhol Alphonse Peno

Phillipsove závery potvrdili aj Hermann von Helmholtz, ktorý študoval štruktúru vtáčích krídel, a Otto Lilienthal, ktorý experimentoval s krídlami klzákov. Aby mala konštrukcia lietadla väčšiu stabilitu, Alphonse Peno spolu s optimálnym tvarom krídel pripevnil na trup svojho modelu chvostovú jednotku a na chvost umiestnil ťažnú vrtuľu (obr. 10).

Prvým, kto jasne rozpoznal úzky vzťah medzi obehom a zdvihom, bol zrejme anglický inžinier Frederick W. Lanchester (1878-1946), ktorý navrhol a zostrojil automobilové motory. V roku 1899 sa stal manažérom automobilky. Ale ako všestranný človek začal rozvíjať teóriu obehu už v roku 1894 a v rokoch 1907 a 1908. Na túto tému vyšli dve jeho knihy.

Mal predstavu, píše Karman, že ak krídlo svojim pohybom vytvára okolo seba cirkuláciu, ktorú nazval „peripterický pohyb“, tak by sa v tomto prípade malo skutočne správať ako vír, t.j. vybudiť prúdiace pole, tiež ako by stačil vírivý prvok definovaný dĺžkou rozpätia. Tak vymenil krídlo pripojený vír; „pripútaný“ znamená, že sa nemôže voľne vznášať vo vzduchu ako kúdol dymu, ale pohybuje sa krídlom. Jeho jadrom je samotné krídlo. Podľa Helmholtzovej vety však vír nemôže začať ani skončiť vo vzduchu: musí končiť na stene alebo tvoriť uzavretú slučku. Preto Lanchester dospel k záveru, že ak pripojený vír končí na špičke krídla, potom musí existovať nejaké pokračovanie a toto pokračovanie musí byť voľné vírenie, „zadarmo“, pretože už nie je obmedzený na krídlo. Preto môže byť krídlo nahradené systémom vírov, pozostávajúcich z pripojeného víru, ktorý sa pohybuje s krídlom, a voľných vírov, ktoré vznikajú na koncoch krídla a rozširujú sa pozdĺž prúdenia. Lanchester si uvedomil túto základnú skutočnosť vo forme, ako je znázornené na jeho náčrte vírového systému reprodukovaného na obr. jedenásť .

Ryža. jedenásť. Lanchesterova reprezentácia systému vírov okolo krídla

Ruský teoretický inžinier Nikolaj Jegorovič Žukovskij by však mohol napadnúť prvenstvo Lanchesteru. V rokoch 1902 až 1909 nezávisle od Lanchestra vypracoval teóriu zdvihu.

Zhukovsky dokázal, že ak sa valcové teleso s ľubovoľným prierezom pohybuje rýchlosťou U v kvapaline, ktorej hustota je ρ, a okolo nej prebieha cirkulácia vel G, potom sa vytvorí sila rovnajúca sa súčinu ρ UГ na jednotku dĺžky valca. Smer sily je kolmý na obe rýchlosti U a os valca.

Fenomén zdvíhania teda môžeme vysvetliť, ak skutočne existuje cirkulácia okolo tela. Pre čitateľa, ktorý rád uvažuje v matematických alebo geometrických pojmoch, poznamenávam, že môže zovšeobecniť definíciu obehu tak, že vezme priemernú hodnotu tangenciálnej zložky rýchlosti pozdĺž ľubovoľnej uzavretej krivky obklopujúcej teleso a vynásobí ju dĺžkou oblúk tejto krivky. Ak je prietok irotačný, potom má tento produkt rovnakú hodnotu bez ohľadu na výber krivky. Takto máme všeobecná definícia cirkulácia zovšeobecnená na základe cirkulačného prúdenia s kruhovými prúdnicami. Ak vezmeme uzavretú krivku, ktorá neobklopuje teleso, ale obopína len kvapalinu, potom bude obeh okolo krivky nulový.

Nedokončil som článok; pozri aj súvisiace články:

• Z. Zeitlin. Vortexová teória hmoty, jej vývoj a význam
• Z. Zeitlin. Vortexová teória elektromagnetického pohybu - 235
• Kozmické víry (Éter, časť 5)

1. Vrecko, T. pozadie. Aerodynamika. Vybrané témy v ich historickom vývoji. - Iževsk, 2001.
2. Lebedinsky A.V., Frankfurt U.I., Frenk A.M. Helmholtz (1821 - 1894). - M.: Nauka, 1966.

TEÓRIA VORTEXU, teória vírov, náuka o vírivom pohybe tekutiny, ktorá má veľké uplatnenie v aerodynamike a hydrodynamike a je jednou z najdôležitejších kapitol týchto vied. Keďže víry vznikajú takmer vo všetkých skutočných hydrodynamických javoch, aplikácia teórie vírov na štúdium týchto javov má veľký význam. Vírová teória v poslednej dobe umožnila skúmať také zložité javy, ako je činnosť vrtule, odpor telies atď.

Dá sa ukázať, že pohyb malej kvapalnej častice sa skladá z: 1) translačného pohybu ťažiska častice, 2) pohybu s rýchlostným potenciálom, ktorý sa vyjadruje deformáciami častice a 3) rotačného pohybu častice. (1. Helmholtzova veta). Projekcie uhlovej rýchlosti častice na súradnicové osi budú ξ, η a ζ (pozri Aerodynamika). Keď sa tieto zložky víru ξ, η a ζ rovnajú nule, pohyb bude mať rýchlostný potenciál.

Ak sledujeme súvislú zmenu smeru okamžitých osí rotácie častíc v kvapaline a nakreslíme priamku, ktorej dotyčnice sa budú zhodovať s týmito osami, potom bude takáto priamka tzv. vírová čiara. Plocha pretiahnutá čiarou v kvapaline a vytvorená z vírových čiar sa nazýva vírový povrch . Tekutina uzavretá vo vnútri vírivého povrchu vybudovaného na nekonečne malom uzavretom obryse sa nazýva vírová niť. Ak medzi nevírovou kvapalinou existuje vírivá oblasť, ktorá je uzavretá v trubici konečnej hrúbky tvorenej vírivým povrchom, potom sa nazýva vírivá šnúra. Ak je táto oblasť uzavretá medzi dvoma blízkymi vírivými povrchmi, nazýva sa to vírová vrstva. Súčin plochy prierezu vírového vlákna dσ na uhlovej rýchlosti tekutiny w v tomto vlákne je tzv napätie vírového vlákna . Napätie pozdĺž vírivého vlákna zostáva konštantné (2. Helmholtzova veta) a z toho vyplýva, že vírivé vlákna sa uzatvárajú do seba alebo ležia na hraniciach kvapaliny, pretože ak by vírivé vlákno skončilo v kvapaline špičkou, potom dσ= 0 a w zmenilo by sa na ∞. Zoberme si nejaký uzavretý obrys v kvapaline, premietnime na dotyčnicu v každom jej bode rýchlosť v tomto bode v a prevziať celý obrys súčtom súčinov týchto výstupkov na obrysovom prvku. Výsledný výraz J = ∫ v∙cos α∙ds, kde α je uhol medzi dotyčnicou a smerom rýchlostí a ds je obrysový prvok, sa nazýva obehu pozdĺž tohto okruhu . Cirkulácia hrá v teórii vírov veľmi dôležitú úlohu, pretože značne zjednodušuje určité definície, závery a vzorce. Cirkulácia je podobná práci v mechanike, len v nej úlohu sily zohráva rýchlosť. Autor: Stokesova veta cirkulácia pozdĺž daného uzavretého obrysu v jednoducho prepojenom priestore (t. j. v priestore, v ktorom môže byť akýkoľvek obrys premenený na bod) sa rovná dvojnásobku súčtu napätí všetkých vírivých vlákien prechádzajúcich oblasťou pokrytou obrysom . Z tejto vety vyplýva, že ak sa cirkulácia pozdĺž akéhokoľvek obrysu rovná nule, potom sa uhlová rýchlosť otáčania častíc rovná nule:

w 2 \u003d ξ 2 +η 2 +z2 = 0, odtiaľ ξ = η = ζ = 0;

to je znakom prítomnosti potenciálu rýchlostí a následne nevírovosti prúdenia. To. pri nevírovom prúdení sa cirkulácia pozdĺž akéhokoľvek obrysu rovná nule. Cirkulácia v uzavretej slučke cez rovnaké častice tekutiny zostáva konštantná počas celého pohybu (Thomsonova veta). Z toho vyplýva, že ak rýchlostný potenciál existoval v počiatočný moment, potom bude existovať neustále a naopak, vírový pohyb, keď už existuje, nemôže byť zničený. V ideálnej tekutine teda nemôžu vznikať víry.

Uvažujme nekonečne dlhé priamočiare vírové vlákno s cirkuláciou J umiestnené v prostredí, v ktorom nie sú žiadne iné víry. Táto vírivá šnúra spôsobí okolo seba určité pole rýchlostí; súčasné línie tohto pohybu budú sústredné kružnice a dostaneme tzv. cirkulačné prúdenie (obr. 1), ktorého rýchlosť je možné zistiť z nasledujúcich úvah.

Keďže mimo víru nie sú žiadne ďalšie víry, preto podľa Stokesovej vety bude cirkulácia okolo tohto víru pozdĺž ľubovoľného obrysu rovná J. Cirkulácia pozdĺž sústredného vírového kruhu s polomerom r bude: J = 2π∙v ∙r, odkiaľ je rýchlosť v = J /2pr. Ak polomer valcového víru označíme r 0 a rýchlosť na povrchu v 0 , potom rýchlosť v ktoromkoľvek bode mimo víru bude rýchlosť v = (r 0 ∙ v 0)/r. Ak vezmeme v ako súradnicu a r ako os x, potom táto rovnica bude rovnoramenná hyperbola. Ako vidíte, rýchlosť pri malom r sa mení veľmi rýchlo a pri veľmi tenkej šnúre, ktorej polomer sa blíži k nule, sa rýchlosť blíži k nekonečnu; preto sa teoreticky okolo takéhoto nekonečne tenkého víru získavajú nekonečne vysoké rýchlosti. Tlak v každom bode sa zistí podľa rovnice: p \u003d Const-v 2 / 2. Pretože rýchlosť narastá so zmenšujúcim sa polomerom, vo vnútri víru bude znížený tlak. Tento typ vírov sa v prírode vyskytuje vo forme tornád, tajfúnov a amerických tornád. Vďaka zníženému tlaku vo vnútri víru berie so sebou predmety, s ktorými sa stretáva počas svojho pohybu. Relatívne ostro obmedzená oblasť vysokých rýchlostí a znížená cesta devastácie tornádami je tiež ostro definovaná.

Ak existuje niekoľko priamočiarych vírov, rýchlosť nimi spôsobenú v určitom bode tekutiny sa dá zistiť pomocou princípu nezávislosti pôsobenia, podľa ktorého sa celková rýchlosť spôsobená vírmi rovná geometrický súčet rýchlosti spôsobené jednotlivými vírmi. V prípade zakrivených šnúr spôsobených vírivým prvkom ds rýchlosť dv v bode A je vyjadrená nasledovne (obr. 2):

kde J je cirkulácia okolo víru, ϕ je uhol medzi vzdialenosťou od daného bodu k prvku víru ds a os rotácie bodu A.

Tento vzorec je podobný vzorcu elektrodynamiky, ktorý vyjadruje Biot-Savartov zákon o pôsobení elektrického prúdu na magnetický pól. Vo všeobecnosti existuje veľká analógia medzi elektromagnetickými a hydrodynamickými javmi. Pohyb vírov, dokonca aj priamočiarych, je dosť ťažké matematicky študovať kvôli zložitosti samotného javu; tieto javy sú zjednodušené uvažovaním rovinného pohybu kolmého na os vírov. Ak zoberieme napätie víru ako jeho hmotnosť, tak v prítomnosti niekoľkých priamočiarych vírov je možné nájsť ich spoločné ťažisko. Ak existujú dve priamočiare paralelné vírivé vlákna rotujúce v rovnakom smere, potom sa budú otáčať okolo spoločného ťažiska; pri otáčaní rôznymi smermi sa budú pohybovať v priamom smere, pričom budú medzi sebou udržiavať rovnakú vzdialenosť. Jednotlivé víry zostávajú nehybné, ak nedôjde k translačnému pohybu. Zaujímavými vírovými útvarmi sú vírové prstence, čo sú vírové povrazy uzavreté do seba. Tieto krúžky sa pohybujú v smere, v ktorom je vrhaná kvapalina vo vnútri krúžku. Čím je krúžok tenší, tým rýchlejšie sa pohybuje pri rovnakom obehu. Ak uvoľníte dva vírivé krúžky jeden po druhom, potom dôjde k tzv. hra krúžkov, v ktorej jeden krúžok striedavo dobieha druhý a krúžky meniace svoju veľkosť prechádzajú jeden cez druhý.

V roku 1904 Prantl vysvetlil vznik vírov v blízkosti telesa prúdiaceho tekutinou za prítomnosti aspoň nízkej viskozity, pričom použil teóriu hraničná vrstva . Pri pohybe telesa v kvapaline je na jej povrchu v dôsledku trenia rýchlosť nulová, so vzdialenosťou od povrchu sa zvyšuje a nakoniec sa rovná okolitému prúdeniu (obr. 3).

To. v blízkosti telesa sa vytvorí hraničná vrstva určitej hrúbky δ, ktorej rýchlosti sú odlišné od rýchlostí okolitého prúdenia a ktorej hrúbka závisí od viskozity kvapaliny; čím nižšia je viskozita, tým menšia je jej hrúbka; pre ideálnu tekutinu bez viskozity bude hrúbka tejto vrstvy nulová.

Uvažujme pohyb valca (obr. 4) vo viskóznom prostredí. Teoreticky v bodoch A a A "je zvýšený tlak a v bodoch C a C" - znížený. Preto sa v blízkosti povrchu valca získavajú toky z A do C a do C "a z A" do C a C"; tieto toky strhávajú hraničnú vírivú vrstvu a za bodmi C a C" sa začínajú objavovať víry. na výsledné opačné prúdy (obr. 5) .

Pri nízkych rýchlostiach je prúdenie takmer presne symetrické. Pri zvyšovaní rýchlosti nadobúdajú víry za valcom určitú intenzitu a sú napájané hraničnou vrstvou odplavenou všeobecným prúdením (obr. 6) a za telesom vznikajú dva symetricky umiestnené víry.

Takéto usporiadanie párových vírov však nie je stabilné: prítomnosť akýchkoľvek náhodných príčin, prinajmenšom vo forme trasenia, vedie k ich zmene na víry, ktoré sa postupne odtrhávajú od valca a sú umiestnené v šachovnicovom vzore ( Obr. 7).

Pravidelné oddeľovanie takýchto vírov sa pozoruje aj pri obtekaní iných telies a môže pri známej frekvencii produkovať počuteľný zvuk (napríklad v organových píšťalách) alebo pri páde do rezonancie vyvolať kmitanie iných systémov (napríklad vibrácie drôty na lietadle alebo stabilizátor z vírov odlamujúcich sa z krídel lietadla). Šachový vírový systém umožnil profesorovi Karmanovi vytvoriť vír teória ťahania .

Celkový odpor telesa v kvapaline teda pozostáva z odporu spôsobeného tvorbou vírov a z trecieho odporu.

02-07-2017

Toky kvapalných a plynných médií sú dvojakého typu: 1) pokojné, plynulé a 2) nepravidelné, s výrazným premiešavaním objemov médií a chaotickými zmenami rýchlostí a iných parametrov. Prvé sa nazývajú laminárne a pre druhé navrhol anglický fyzik W. Thomson výraz „turbulentný“ (z anglického turbulent – ​​búrlivý, chaotický). Väčšina prúdov v prírode a technike patrí do druhej, najmenej skúmanej skupiny. V tomto prípade sa používajú štatistické (spojené s priemerovaním v čase a priestore) metódy popisu. Po prvé, pretože je prakticky nemožné sledovať pulzácie v každom bode toku, a po druhé, tieto údaje sú zbytočné: nemožno ich použiť v špecifických aplikáciách.

Keďže turbulencia je jedným z najhlbších javov prírody, pri najvšeobecnejšom prístupe k jej skúmaniu sa spája s filozofickým vhľadom do podstaty vecí. Slávny vedec T. Karman to veľmi obrazne charakterizoval, keď povedal, že keď predstúpi pred Stvoriteľa, prvé zjavenie, o ktoré bude žiadať, je odhaliť tajomstvá turbulencií.

Najväčší praktický záujem sú tie toky, ktoré zodpovedajú veľmi veľkým Reynoldsovým číslam Re = u0b/n. Táto bezrozmerná veličina zahŕňa hlavnú rýchlosť u0 (v prúde - rýchlosť výfuku, pre lietadlo - rýchlosť letu), charakteristickú lineárnu veľkosť b (priemer dýzy alebo tetivy krídla) a viskozitu média n. Reynoldsovo číslo určuje pomer zotrvačných síl a trecích síl (viskozita). Typické hodnoty pre toto číslo v letectve sú: Re=105-107.

Čo je vírová aerodynamika?

Vírivé prúdy vody a vzduchu sú nám známe už od detstva. Po prehradení potokov sme mohli pozorovať, ako voda tečúca po okrajoch intenzívne rotuje a vytvára víry. Keď voda vyteká z vane, objaví sa tekutý lievik s rotáciou. Za letiacim lietadlom sú zreteľne viditeľné dve stabilné dráhy: sú to vírové zväzky zostupujúce z koncov krídla, ktoré sa tiahnu mnoho kilometrov. Vírivé prúdy sú rotujúce objemy média – vody, vzduchu atď. Ak sem dáte malé obežné koleso, bude sa tiež otáčať.

Najjednoduchší matematický obraz popisujúci čisto rotačný pohyb tekutiny je tenký rovný závit nekonečnej dĺžky. Z úvah o symetrii je zrejmé, že vo všetkých rovinách kolmých na závit je priebeh rýchlosti rovnaký (rovinno-paralelné prúdenie). Okrem toho na ľubovoľnej kružnici s polomerom r so stredom na závite bude rýchlosť v tangenciálna ku kružnici a jej veľkosť bude konštantná.

Je obvyklé charakterizovať intenzitu víru cirkuláciou rýchlosti pozdĺž uzavretej slučky uzatvárajúcej vír. V tomto prípade na kružnici s polomerom r je cirkulácia G=2prv. Na základe vety o stálosti obehu, ktorá platí pre ideálne (bez trenia) prostredie, G nezávisí od r. Výsledkom je, že získame konkrétnu formu receptúry Biot-Savart

Ako je možné vidieť z rovnice (1), ako sa približuje k osi víru (t.j. ako r ® 0), rýchlosť sa zvyšuje na neurčito (v ® ¥) ako 1/r. Takáto vlastnosť sa zvyčajne nazýva singularita.

17. januára 1997 uplynulo 150 rokov od narodenia N. E. Žukovského, „otca ruského letectva“. Položil teoretický základ modernej aerodynamiky, čím sa stal základom letectva: vytvoril mechanizmus na vytváranie vztlaku krídel v ideálnej tekutine, zaviedol koncepciu pripevnených (pevných vzhľadom na krídlo) vírov a stal sa zakladateľom takzvaná vortexová metóda. Podľa tejto metódy sa krídlo resp lietadla(LA) je nahradený systémom pripojených vírov, ktoré na základe teorému zachovania cirkulácie generujú voľné (neprenášajúce) víry pohybujúce sa spolu s kvapalným médiom. V tomto prípade sa problém redukuje na určenie intenzity všetkých vírov a polohy voľných vírov. Vortexová metóda sa ukázala ako účinná najmä s príchodom počítačov a vytvorením numerickej metódy diskrétnych vírov (DMV).

Vortexový počítačový koncept turbulentných brázd a trysiek

Za posledné desaťročia došlo k výraznému pokroku v skúmaní základných problémov turbulencií, za čo vďačíme predovšetkým A. N. Kolmogorovovi a A. M. Obukhovovi, ich študentom a nasledovníkom, ako aj ich predchodcom L. Richardsonovi a D. Taylorovi.

Pri veľkých číslach Re sa všeobecne akceptovalo chápanie turbulencie ako hierarchie vírov rôznych veľkostí, keď rýchlosť prúdenia kolíše od veľkých po veľmi malé hodnoty. Veľkoplošná turbulencia je určená tvarom prúdnicového telesa alebo konfiguráciou dýzy, z ktorej prúd prúdi, režimom odtoku a stavom prostredia. Tu je možné ignorovať viskózne sily pri tvorbe stôp a prúdov. Pri opise turbulentného prúdenia v malom meradle by sa v určitom štádiu mal vziať do úvahy mechanizmus molekulárnej viskozity.

Podľa Kolmogorovovej-Obukhovovej teórie je lokálna štruktúra rozvinutej turbulencie malého rozsahu do značnej miery opísaná univerzálnymi zákonmi. Je dokázané, že v regióne dostatočne malých mier by mal dominovať štatistický univerzálny režim, ktorý je prakticky stacionárny a homogénny.

Podložená je aj existencia nejakého medzistupňového turbulenčného režimu – inerciálneho, ktorý sa vyskytuje na mierkach, ktoré sú malé v porovnaní s charakteristickou veľkosťou prúdenia ako celku, ale väčšie ako mikroškála, kde sú javy viskozity už výrazné. Takže v tomto intervale, ako v počiatočnom štádiu turbulencie, môže byť viskozita média ignorovaná.

Zatiaľ však nebola vytvorená všeobecná teória turbulencie, ktorá by obsahovala nielen kvalitatívny popis hlavných procesov, ale aj kvantitatívne vzťahy, ktoré by umožnili určiť turbulentné charakteristiky. Konštrukcia teórie, ktorá je rigorózna v matematickom zmysle, je ďalej komplikovaná skutočnosťou, že je sotva možné poskytnúť vyčerpávajúcu definíciu samotnej turbulencie.

Na druhej strane otázky, ktoré sa vynárajú v súvislosti s rôznymi technickými aplikáciami, si vyžadovali promptné odpovede – síce približné, ale vedecky podložené. V dôsledku toho sa začala intenzívne rozvíjať takzvaná semiempirická teória turbulencie, v ktorej sa popri teoretických zákonitostiach a výpočtoch využívajú aj experimentálne dáta. K formovaniu tohto smeru prispeli vedci ako D. Taylor, L. Prandl a T. Karman. K rozvoju a implementácii týchto prístupov prispeli G. N. Abramovich, A. S. Ginevsky a ďalší.

V semiempirickej teórii turbulencie sa problém posudzuje zjednodušeným spôsobom, pretože nie sú študované všetky štatistické charakteristiky, ale iba tie najdôležitejšie pre prax - predovšetkým priemerné rýchlosti a priemerné hodnoty štvorcov. a súčinov kolísavých rýchlostí (tzv. momenty 1. a 2. rádu). Nevýhodou tohto prístupu je predovšetkým to, že je potrebné získať celý rad údajov z experimentu pre každú skupinu špecifických podmienok: pre telesá rôznych tvarov pri štúdiu stôp, pre rôzne konfigurácie trysiek, z ktorých prúdy prúdia. , atď. Táto teória je navyše založená na stacionárnych prístupoch (neuvažuje sa s vývojom procesu v čase), čo zužuje jej možnosti.

Vírový počítačový koncept turbulentných brázd a prúdov, ktorý vyvíjame, je uzavretý konštrukt matematický model(MM). Je založený na využití všetkých výdobytkov vírovej aerodynamiky, získaných použitím DWM, na realizáciu tých moderných konceptov turbulencie, o ktorých sa hovorilo vyššie. Konštrukcia MM sa uskutočňuje pre veľké čísla Re a je založená na interpretácii voľnej turbulencie ako hierarchie vírov rôznych mier. V tomto prípade sa turbulentný pohyb vo všeobecnom prípade považuje za trojrozmerný a nestabilný.

Praktická realizácia modelovania nestacionárneho prúdového prúdenia je realizovaná metódou diskrétnych vírov. V tomto prípade je model, spojitý v priestore a čase, nahradený jeho diskrétnym náprotivkom. Diskretizácia v čase znamená, že sa predpokladá, že proces sa postupne mení v časoch tn=nDt (n=1,2,...). Priestorová diskretizácia spočíva v nahradení súvislých vírivých vrstiev hydrodynamicky uzavretými systémami vírivých prvkov (vírové vlákna alebo rámy). Pri MM je tiež dôležité vziať do úvahy skutočnosť, že voľné víry sa pohybujú rýchlosťou častíc kvapaliny a ich počet sa časom zvyšuje.

Tento prístup k modelovaniu tokov nám umožňuje študovať všeobecnú povahu vývoja procesu v čase bez použitia dodatočných empirických informácií. MM vytvorené na základe DWM popisujú všetky hlavné črty vývoja turbulentných brázd, trysiek a oddelených tokov, vrátane prechodu od deterministických procesov k chaosu. Umožňujú tiež vypočítať štatistické charakteristiky turbulencie (momenty 1. a 2. rádu).

Hlavnú pozornosť sme venovali počítačovým výpočtom obtekania telies, konštrukcii blízkych úsekov brázd a výtryskov. Veľké množstvo materiálu, ktoré sme v tejto oblasti nazhromaždili, zahŕňa nielen priame porovnania výpočtu s experimentom, ale aj overenie MM pre splnenie univerzálnych Kolmogorov-Obukhovových zákonov rozvinutej turbulencie, ktoré preto zohrávajú úlohu nezávislých testy. Numerický experiment spojený s fyzikálnou a komplexnou analýzou výsledkov nás viedol k nasledujúcim záverom.

Hlavné znaky a makroefekty separovaného prúdenia okolo telies pri vysokých číslach Re, vrátane blízkej brázdy a jej charakteristík, na známych miestach separácie prúdenia (na ostrých hranách, zlomoch, úsekoch telies a pod.), ako aj v prúdoch, nezávisia od viskozitného prostredia; sú určené inerciálnou interakciou v kvapalinách a plynoch, ktoré opisujú nestacionárne rovnice ideálneho prostredia. Ďalšia analýza ukázala, že pri mnohých problémoch je potrebné počítať aj s viskóznymi separáciami, najmä na povrchu hladkých telies (ako sú kruhové a eliptické valce). Ďalším krokom vo vývoji tohto konceptu preto bolo, že nestacionárne modely ideálneho prostredia boli doplnené o nestacionárne rovnice hraničnej vrstvy na určenie miesta separácie.

Zmena priorít bola teda opodstatnená a vykonaná: do popredia sa nedostala viskozita média, ale nestacionárne javy.

Žukovského kľúčové dielo „O súvisiacich víroch“ bolo publikované v roku 1906. Modernita vyvolala nové problémy a výpočtová technika rozšírila oblasti použiteľnosti teoretických metód. Klasické myšlienky Žukovského teraz zažívajú druhú mladosť a otvárajú nové možnosti pre teóriu ideálneho média a vírivých metód.

Je dôležité zdôrazniť, že v prírode žijú vírové prúdy a chaos vedľa seba a stávajú sa predchodcami turbulencií. Rotácia objemov kvapalín vytvára nestabilitu, ako aj vzhľad a rozpad pravidelných štruktúr, čo vedie k tvorbe nových vírov a rozvoju chaosu.

Prvá vec, ktorú chcem povedať, alebo skôr sa spýtam ... Nekritizujte okamžite formy, skúšajte na ne klasickú aerodynamiku. Vymýšľam a staviam hlavne modely moderných a pokročilých stíhačiek, ktoré potrebujú mať viacrežimovú aerodynamickú schému, čo je možné len s využitím vírovej aerodynamiky, ak neuvažujeme schémy s variabilnou geometriou krídel. Podstatou vírovej aerodynamiky je podľa môjho názoru organizácia stabilných vírových zväzkov nad horným povrchom krídla pri dosahovaní vysokých uhlov nábehu a ďalej. Vírivé zväzky prispievajú k zníženiu tlaku nad krídlom a zvýšeniu zdvihu. Klasická aerodynamika sa bojí vírov a jej cieľom je hlavne zabezpečiť, aby nikdy nevznikli.

Existuje niekoľko spôsobov, ako usporiadať stabilné vírové zväzky nad krídlom: prítok, PGO v blízkosti krídla a rôzne výstupky na prednej hrane krídla (aerodynamický zub alebo špičák). V mojich lietadlách sa používa príliv a niekedy PGO a niekedy oboje súčasne.

Pri použití prítoku sa vír vytvára v oblasti s väčším záberom a na zlomových miestach, t.j. kde sa mení zametanie, najmä z väčšieho na menšie. Tak je možné vytvoriť zónu tvorby zväzku pomocou výstupkov na prednej hrane vtoku. Pre vyššiu stabilitu zväzku musia byť okraje korálky ostré.

Pri použití PGO sa na konci roviny vytvorí vír a na konci krídla aj indukčný vír. Zároveň je PGO kontrolované a to dáva dodatočná príležitosť ovládať víchricu. Z hľadiska vírovej aerodynamiky je lepšie umiestniť PGO blízko prednej časti krídla a mierne nad ňu, ako napríklad v Su-37 (JSF).

Schéma s takýmto PGO sa nestane kačicou, ale zostane bez chvosta, ale s PGO. V opačnom prípade netreba zabúdať, že PGO má mnoho ďalších funkcií, ako je posunutie aerodynamického zamerania, dodatočná regulácia sklonu, no tu je proste lepšie posunúť PGO dopredu z krídla, aby sa vytvorilo potrebné rameno. Schéma v takýchto prípadoch sa už bude nazývať "Duck".

Pri navrhovaní prototypov sa tiež snažím dodržiavať technológiu STEALTH, takže schodíky na mojich lietadlách sú často uhlové, aby sa znížilo množstvo uhlov nábežnej a odtokovej hrany krídla viditeľných v prednej a zadnej pologuli. Preto od STEALTH a častá voľba v mojich konceptoch v prospech horného umiestnenia prívodov vzduchu. Tento krok najčastejšie kritizujú modelári a nadšenci letectva. A toto môže byť
yat, pretože pri tomto riešení padajú sacie otvory do aerodynamického tieňa, čo znemožňuje prevádzku prúdových motorov pri vysokých uhloch nábehu na skutočné lietadlá. Na to mám riešenie nasávania vzduchu (na obrázku vpravo), kde je zabezpečený prechod na nižšie sanie. Táto mechanizácia samozrejme robí aparatúru ťažšou, ale rieši problém tienenia. Napriek tomu by som to v skutočnom lietadle s najväčšou pravdepodobnosťou neurobil, ale použil by som prívod vzduchu v tvare písmena S, aj keď to môže spôsobiť veľa problémov s usporiadaním, čo môže v konečnom dôsledku viesť k nadmernej hmotnosti. Prečo to robím na modeli? Pretože je to pohodlnejšie na použitie (konkrétne modely lietadiel), pretože dizajn sa mi zdá viac futuristický, pretože je jednoduchšie pristáť s modelom bez podvozku.

Tiež mám nekonečnú túžbu vytvoriť bojovníka bez vertikálneho chvosta, bez kratších kíl. Vyplýva to aj z potreby zníženia EPR, t.j. zníženie viditeľnosti z radaru skutočných bojových vozidiel. Odtiaľto mám najrôznejšie experimentálne zariadenia ako S-67, AL-601,609 E.

Ploché trysky na mojich modeloch sú tiež dôsledkom „módneho“ STEALTH a „high-tech“ dizajnu. Mimochodom, veľa ľudí si myslí, že ploché trysky v lietadle sú nepochybne horšie ako okrúhle. Ale na problém sa netreba pozerať tak ortodoxne. Vždy je potrebný integrovaný prístup a potom sa môže ukázať, že v niektorých prípadoch pohodlie v usporiadaní plochej trysky odstraňuje jej nedostatky a robí z lietadla s takouto tryskou výhodu oproti tej istej, ale s okrúhlou tryskou.

Ďalší bod: keďže mám modely nadzvukových prototypov, návrh prechádza plošným pravidlom - to zanecháva stopy na vzhľade a je indikátorom správnosti alebo aspoň účinnosti schémy ako celku. To mimochodom vysvetľuje aj moju lásku k taillessu s delta krídlom a informácia, že tailless s takýmto krídlom je vhodný len na nadzvukový zvuk, už nie je aktuálna. Pri správne navrhnutom lietadle, využívajúcom vírovú aerodynamiku a pri zohľadnení schopností moderných elektronických automatických stabilizačných systémov sú všetky nedostatky tejto schémy dostatočne kompenzované, čo z nej vďaka svojej všestrannosti robí jedného z favoritov perspektívneho letectva. vojenské a civilné. Prikláňam sa k tomuto pohľadu.

Okamžite chcem odpovedať na často kladenú otázku, prečo neuvažujem o schémach s reverzným swept wing (KOS)? Na tento moment táto schéma je dostatočne preštudovaná a okrem ťažkostí spojených s divergenciou, ktoré sú v princípe riešené pomocou moderných ťažkých kompozitných materiálov, je tu aj moment s posunom aerodynamického zamerania pri nadzvukovej rýchlosti. V konvenčných schémach sa zameranie posúva späť, keď sa prekročí zvuková bariéra, a potom sa postupne začne opäť posúvať dopredu a snaží sa vrátiť na svoje miesto (na kačkách je takmer úplne obnovená). V schémach s CBS sa zameranie presunie späť, keď sa prekročí bariéra, a potom sa už nikdy neobnoví, čo spôsobuje, že lietadlo je v tomto režime letu extrémne zle ovládané. Táto vlastnosť urobila schémy KOS z množstva sľubných schém na použitie v nadzvukových lietadlách. Ale dá sa celkom úspešne použiť pri podzvuku, ale to sú iné lietadlá, ktoré ma zatiaľ nelákajú.

Na toto Stručný opis Svoje dizajnérske ťahy dokončím vo svojich modeloch. Na záver už len poviem, že pokračujem v štúdiu vírovej aerodynamiky v reálnej praxi aj vo virtuálnej.

Ďakujem za pozornosť, do skorého videnia!

1, 2

1 FGBOU VPO „Novosibirský národný výskum Štátna univerzita"(NSU)

2 FGBUN Institute of Thermal Physics pomenovaný po V.I. S.S. Kutateladze SB RAS

Bolo vykonané fyzikálne modelovanie štruktúry turbulentného vírivého prúdenia v izotermickom laboratórnom modeli vírivej pece novej konštrukcie s rozptýleným tangenciálnym prívodom vzduchu. Prítomnosť prúdov horáka rozptýlených po obvode a orientovaných v opačných smeroch v konštrukcii skúmanej vírivej pece poskytuje flexibilitu pri riadení štruktúry prúdenia a parametrov režimu a horizontálna os rotácie prúdenia zvyšuje úplnosť spaľovania paliva. Bol študovaný spôsob riadenia aerodynamiky prúdenia vo vírivej peci pomocou valcovej vložky namontovanej na osi spaľovacej komory. Rýchlosť prúdenia bola meraná metódou laserovej Dopplerovej anemometrie. Získa sa rozdelenie priemernej rýchlosti prúdenia v objeme pece. Ukazuje sa, že prítomnosť cylindrickej vložky umožňuje eliminovať precesiu vírivého jadra. Získané výsledky je možné použiť na riešenie problému určenia optimálneho priemeru vložky na základe numerickej simulácie procesov v peci.

laserová dopplerovská anemometria

cylindrická vložka

aerodynamika

horizontálny vír

vírivá pec

1. Salomatov V.V. Environmentálne technológie v tepelných a jadrových elektrárňach / V.V. Salomatov. - Novosibirsk: Vydavateľstvo NGTU, 2006. - 853 s.

2. RF patent č. 2042084, 20.08.1995.

3. Fyzikálne a numerické modelovanie vnútornej aerodynamiky vírivej pece s rozptýleným príkonom prúdov horáka / Yu.A. Anikin [et al.] // Vestnik Novosib. štát univerzite Ser.: Fyzika. - 2013. - V. 8, č. 2. - S. 86-94.

4. Experimentálne štúdium štruktúry vírivých prúdov laserovou Dopplerovou anemometriou / I.S. Anufriev [a ďalší] // Bulletin Tomskej štátnej univerzity. univerzite Matematika a mechanika - 2011. - roč. 2 (14). – S. 70–78.

5. Experimentálne a numerické štúdium aerodynamických charakteristík vírivého prúdenia na modeli vírivej pece parogenerátora / V.V. Salomatov [et al.] // Engineering Physics Journal. - 2012. - T. 85, č. 2. - C. 266-276.

V tepelnej energetike sú vírové technológie široko používané na zvýšenie účinnosti procesov spaľovania práškového uhoľného paliva. Vírenie prúdenia v spaľovacej komore vedie k jeho stabilizácii, lepšiemu naplneniu objemu komory, zintenzívneniu procesov prenosu tepla a hmoty zvýšeným premiešavaním a predĺžením doby zotrvania častíc paliva v spaľovacej komore a následne , k zmenšeniu rozmerov kotlovej jednotky. Možnosť dosiahnutia špecifikovaných tepelných a environmentálnych vlastností pri spaľovaní paliva vo vírivom prúde je zabezpečená najmä dokonalosťou vnútornej aerodynamiky spaľovacieho zariadenia. A naopak, výskyt takých aerodynamických faktorov, ako sú recirkulačné zóny a spätné prúdy, precesia vírového jadra, Coandov efekt, môže mať Negatívny vplyv o toku spaľovacích procesov, a teda o energetickej účinnosti a iných ukazovateľoch kotla. Preto pri vývoji alebo modernizácii pecných zariadení využívajúcich technológiu vírivého spaľovania je potrebné podrobne preštudovať zložitú priestorovú štruktúru ich vnútornej aerodynamiky, ako aj celý súbor prebiehajúcich pecí, založených najmä na výsledkoch fyzikálnych modelovanie.

V tomto článku študujeme sľubné zariadenie vírivej pece novej konštrukcie s horizontálnou osou rotácie a tangenciálnym vstupom vzduchovo-palivových prúdov rozptýlených po obvode (RF patent č. 2042084). Hlavné charakteristické znaky novej konštrukcie vírivej pece (v porovnaní so známou konštrukciou vírivej pece NV Golovanov) sú: prídavný tangenciálny prívod paliva umiestnený v spodnej časti spaľovacej komory a zväčšená šírka hrdla difúzora. Prítomnosť v konštrukcii skúmanej vírivej pece rozptýlených pozdĺž obvodu (podmienený obvod spaľovacej komory) prúdov horáka orientovaných v opačnom smere poskytuje flexibilitu pri riadení štruktúry prúdenia a parametrov režimu a horizontálnej osi otáčania. prietok zvyšuje úplnosť vyhorenia paliva.

Výsledky predchádzajúcich prác autorov ukázali, že prítomnosť prídavných (spodných) horákov umožňuje efektívne riadiť aerodynamiku prúdenia a vytvárať priaznivejšie prevádzkové režimy pece. Rovnako ako v Golovanovovej peci sa však v prevedení s rozptýleným prítokom prúdov vzduchu a paliva môže prejaviť taký negatívny faktor, akým je precesia vortexového jadra (PVC). Aby sa eliminovala táto vlastnosť vírivého prúdenia, bolo navrhnuté nové konštrukčné riešenie, ktoré poskytuje valcovú vložku inštalovanú na podmienenej osi spaľovacej komory a umožňujúcu upevnenie osi prúdenia.

V tejto práci sme analogicky s , za účelom štúdia navrhovanej metódy optimalizácie štruktúry prúdenia, vykonali fyzikálne modelovanie štruktúry turbulentného vírivého prúdenia v izotermickom laboratórnom modeli vírivej pece (obr. 1) pomocou lasera. Metóda Dopplerovej anemometrie (LDA). Model je vyrobený z plexiskla hrúbky 10 mm (rozmery 300´1200´300 mm). Pomer priemeru cylindrickej vložky k priemeru spaľovacej komory je 0,37 (menovitý priemer pece 300 mm). Ako pracovné médium bol použitý stlačený vzduch.

Obr.1. Schéma experimentálneho stojana pre štúdium aerodynamiky vo vírivej peci:

1 - prívodné vedenie stlačeného vzduchu; 2 - uzatvárací kohút; 3 - uzatvárací a regulačný ventil s elektrickým pohonom; 4 - prietokový menič; 5 - ovládacia skriňa; 6 - manometre; 7 - generátor dymu; 8 - model vírivej pece; 9 - vetranie; 10 - laserový Dopplerov merací systém; 11 - súradnicové pohyblivé zariadenie; 12 - počítač.

Na bezkontaktnú diagnostiku štruktúry prúdenia bol použitý dvojzložkový laserový dopplerovský anemometer LAD-06 vyvinutý v IT SB RAS. Opis experimentálneho usporiadania a techniky vykonávania meraní LDA je popísaný v práci. Reynoldsovo číslo vypočítané z priemeru spaľovacej komory bolo Re = 3 x 105 (v tomto prípade boli priemerné rýchlosti prúdenia na výstupe z každej dýzy nastavené na 15 m/s). Merania sa uskutočnili v dvoch rezoch XOY: pozdĺž stredu dýzy a v rovine symetrie. Priestorový krok mriežky bol 5 mm. Na získanie priemernej hodnoty v každom bode bolo vykonaných 2000 meraní (chyba pri meraní priemernej rýchlosti nebola väčšia ako 2 %).

(ale) (b)

Obr.2. Pole vektora rýchlosti v reze pozdĺž stredu horáka (m/s):

(ale) (b)

Obr.3. Vektorové rýchlostné pole v rovine symetrie (m/s):

a) s cylindrickou vložkou; b) bez vložky .

Výsledky meraní modulu priemernej rýchlosti sú uvedené na obrázkoch 2-a, 3-a. Stredne rýchle vektorové polia sú zabudované v balíku Surfer. Pre porovnanie, obrázky 2-b, 3-b znázorňujú výsledky 3-D numerickej simulácie izotermického prúdenia, uskutočnenej pre rovnaké vstupné podmienky a geometriu laboratórneho modelu pece, ale bez valcovej vložky (tzv. metóda výpočtu je opísaná v ). Analýza získaných výsledkov ukazuje, že v prítomnosti cylindrickej vložky nebolo pozorované žiadne PVC. V reze pozdĺž stredu dýzy (obr. 2-a) sa naľavo od cylindrickej vložky objaví ďalší vír. Navyše v rovine symetrie medzi dýzami (obr. 3-a) nad cylindrickou vložkou dochádza k miernemu víreniu prúdenia a vľavo od valca sú protiprúdy spôsobené prerozdeľovaním toku pozdĺž os z. V iných ohľadoch sa štruktúry prúdenia mierne líšia.

Na základe vykonanej experimentálnej štúdie možno konštatovať, že použitie cylindrickej vložky má pozitívny vplyv na aerodynamickú štruktúru prúdenia vo vírivej peci, čím bráni možnej nízkofrekvenčnej precesii vírivého jadra vírivého prúdenia. , čo negatívne ovplyvňuje stabilitu spaľovacieho procesu. Získané výsledky nám umožňujú stanoviť úlohu určenia optimálneho priemeru cylindrickej vložky na základe variantných numerických výpočtov pecných procesov.

Výskum podporila Ruská nadácia pre základný výskum (granty č. 12-08-31004-mol_a, 13-08-90700-mol_rf_nr), Ministerstvo školstva a vedy Ruská federácia(Dohoda č. 8187) a Štipendiá prezidenta Ruskej federácie pre mladých vedcov a postgraduálnych študentov SP-987.2012.1.

Recenzenti:

Sharypov O.V., doktor fyzikálnych a matematických vied, profesor, FSBEI HPE „Novosibirsk National Research State University“ (NSU), Novosibirsk.

Meledin V.G., doktor technických vied, profesor, hlavný výskumník, Ústav tepelnej fyziky pomenovaný po A.I. S.S. Kutateladze zo sibírskej pobočky Ruskej akadémie vied (IT SB RAS), Novosibirsk.

Bibliografický odkaz

Anikin Yu.A., Kopyev E.P., Salomatov V.V., Shadrin E.Yu., Anufriev I.S., Anikin Yu.A., Kopiev E.P., Krasinsky D.V., Salomatov V.V., Shadrin E.Yu. RIADENIE AERODYNAMIKY VÍRIVÉHO PRIETOKU VO VORTEXOVEJ PECI // Moderné problémy vedy a vzdelávania. - 2013. - č. 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=10326 (dátum prístupu: 17.10.2019). Dávame do pozornosti časopisy vydávané vydavateľstvom "Academy of Natural History"