Межовий шар

Теорія межового шару була розроблена німецьким ученим Прандтлем в 1904 р. і потім розвинена в роботах англійського ученого Т. Кармана і радянських учених: Л.С. Лейбензона, Н. Е. Кочина, А.А. Дородніцина, Л.Г. Лойдянського та ін.

Унаслідок в'язкостіповітря близько розташовані до тіла шари повітряного потоку пригальмовуються. Тому в міру видалення від поверхні тіла гальмування частинок повітря поступово зменшується і на деякій відстані припиняється повністю.

Межовимназивається тонкий пригальмований шар повітря поблизу поверхні рухомого тіла, який утворюється під впливом в'язкості. Безпосередньо на поверхні тіла, обтічного в'язкою рідиною (газом), частинки її (його) загальмовуються повністю, і їх швидкість стає рівною нулю. В міру видалення від поверхні тіла швидкість частинок збільшується і на деякій відстані, рівній товщині межового шару, стає практично рівній швидкості незбуреного потоку. Зовнішню межу межового шаруточно визначити неможливо. Можна прийняти, що вона відстоїть від поверхні тіла на відстані, на якому швидкість частинок досягає 99,5 % швидкості зовнішнього нев'язкого потоку (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Розподіл швидкостей в межовому шарі.

Товщина межового шару (відстань від поверхні обтічного тіла до зовнішньої межі межового шару) залежить від форми тіла, положення його в потоці повітря, швидкості потоку, стану поверхні тіла, в'язкості і густині повітря і збільшується від носової частини тіла до хвостової. Поблизу передньої кромки крила товщина межового шару дорівнює декільком міліметрам, а у задньої кромки крила досягає 100 мм і більш. Чим рівніше поверхня тіла і чим менше швидкість потоку, тим межовий шар тонший.

Характеристикою межового шару може служити градієнт швидкості

ΔV / Δn,

де Δn - відстань між частинками, що взяті на одній нормалі, мм;

ΔV - різниця швидкостей цих частинок, м/с.

Градієнт швидкостіпоказує зміну швидкості на 1 мм товщини межового шару.

Частинки повітря межового шару унаслідок зростання їх швидкості від нуля (на поверхні тіла) до швидкості незбуреного потоку V (на зовнішній межі межового шару) мають прагнення до обертання. Якщо в межовому шарі виділити деякий об'єм повітря, то на верхній грані виділеного об'єму повітря швидкість потоку буде більша, ніж на нижній грані. Шар, що примикає до нижньої грані даного об'єму повітря, викликає уповільнення руху цього об'єму, а шар, що примикає до верхньої грані, викликає прискорення руху. Таким чином, виникає пара сил ΔN, яка призводить даний об’єм повітря до обертання, створюючивихор межового шару(рис. 2.16).

Рис. 2.16. Причина утворення вихору межового шару.

Поблизу передньої кромки обтічного тіла і в межовому шарі на передній частині поверхні тіла течія повітря складається з шарів (усі струйки переміщаються паралельно одна одної). Ця ділянка обтікання називається ламінарним межовим шаром (ламінарна течія). На деякій відстані від передньої кромки (в місці найбільшої висоти тіла) частинки повітря починають інтенсивно перемішуватися по товщині шару, переходячи в турбулентний межовий шар (турбулентна течія). Механізм турбулентної течії дуже складний. Перехід ламінарного межового шару (течії) в турбулентний здійснюється на деякій ділянці - в області переходу, але для зручності розрахунків цю ділянку замінюють однією точкою - точкою переходу. Положення точки переходу від ламінарній течії до турбулентній залежить від форми, стану поверхні і швидкості руху тіла (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Види течій в межовому шарі:

1 - ламінарна течія; 2 - турбулентна течія.

Якщо на обтічному тілі є ламінарний і турбулентний шар, то в цьому випадку межовий шар називається змішаним.

Для збільшення ламінарній частини межового шару застосовують особливі ламінірізованіформи крила, фюзеляжу і оперення, підвищують гладкість поверхні, управляють межовим шаром.

При обтіканні тіла потоком рідини (повітря) може спостерігатися відривмежового шару. Відбувається це явище унаслідок того, що різке розширення межового шару викликає появу зворотних швидкостей і вихорів, що відокремлюють межовий шар від поверхні крила. Відривмежового шару спостерігається при обтіканні криволінійних поверхонь, наприклад профілю крила на великих кутах атаки (рис. 2.18).

Рис. 2.18. Явище відриву межового шару.

Явище відриву межового шару змінює всю картину обтікання крила, а це дуже небезпечно, оскільки приводить до різкого зменшення несучої здатності крила, погіршенню стійкості і керованості літака. Розвиток зриву потокузалежить від форми і стану поверхні тіла, а також від характеру течії повітря в межовому шарі. Тіла, що мають витягнуту по потоку форму з плавними контурами (зручнообтічні), не схильні до зриву потокуна відміну від незручнообтічних тіл з великими поперечними розмірами.

При турбулентній течії відбувається інтенсивне перемішування межового шару і до нижніх найбільш загальмованих струйок підводиться додаткова кінетична енергія. Це перешкоджає появі зворотних течій і утворенню вихорів. Тому турбулентний межовий шар стійкіший до зриву потоку, чим ламінарний. Щоб зменшити небезпеку зриву потоку, межовий шар піддають штучній турбулізації. Для цього на поверхні крила розташовують спеціальні виступи - турбулізатори.

На злітно-посадочних режимах при великих кутах атаки запобігання зриву потоку досягається збільшенням кінетичної енергії межового шару за допомогою систем управління межовим шаром.

Зрив потоку може виникнути в результаті порушення правил експлуатації літака, виходу на заборонені режими польоту та порушення центрівки.

При недбалому технічному обслуговуванні із-за нещільного прилягання кришок люків, неповного закриття стулок і інших причин виникають місцеві зриви потоку („дефекти обтікання”), наслідком яких можуть стати небезпечні вібрації частин літака. Стікаючи з поверхні тіла, межовий шар утворює супутний струмінь, який є масою завихреного повітря.

На структурумежового шару роблять вплив багато експлуатаційних чинників, такі як: обмерзання літака, пошкодження і забруднення обшивки, спотворення теоретичної форми профілю і ін.

Потенційнимназивається шар повітря, в якому кожен елементарний об'єм переміщається тільки поступально, без обертання. Сили внутрішнього тертя в потенційному потоці не виявляються, і тому на будь-якій відстані від тіла по нормалі до його поверхні швидкості частинок повітря однакові.