Перетащите кризис - Drag crisis

График зависимости коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса для грубых или гладких сфер. Резкое падение наблюдается в районе Рейнольдса от 100000 до 1000000 для обоих.
Коэффициент лобового сопротивления шара падает при высоком числе Рейнольдса (цифра 5 на графике). Эффект возникает при более низких числах Рейнольдса, когда мяч грубый (например, мяч для гольфа с ямочками), чем когда он гладкий (например, мяч для настольного тенниса ).

В динамике жидкости , сопротивление кризис (также известный как Eiffel парадокс ) представляет собой явление , при котором коэффициент лобового сопротивления падает внезапно , как число Рейнольдса увеличивается. Это хорошо изучено для круглых тел, таких как сферы и цилиндры . Коэффициент лобового сопротивления шара будет быстро меняться от 0,5 до 0,2 при числе Рейнольдса в диапазоне 300000. Это соответствует точке, где картина потока изменяется, оставляя более узкий турбулентный след. Поведение сильно зависит от небольших различий в состоянии поверхности сферы.

История

Кризис сопротивления наблюдал в 1905 г. Николай Жуковский , предположивший, что этот парадокс можно объяснить срывом линий тока в разных точках сферы с разными скоростями.

Позже парадокс был независимо открыт в экспериментах Гюстава Эйфеля и Шарля Морейна. После выхода на пенсию Эйфель построил первую аэродинамическую трубу в лаборатории, расположенной у подножия Эйфелевой башни , для исследования ветровых нагрузок на конструкции и первые самолеты. В серии испытаний он обнаружил, что силовая нагрузка резко снизилась при критическом числе Рейнольдса.

Парадокс объяснил из теории пограничного слоя немецкий специалист по гидродинамике Людвиг Прандтль .

Объяснение

Этот переход связан с переходом от ламинарного к турбулентному течению в пограничном слое, прилегающем к рассматриваемому объекту. В случае цилиндрических структур этот переход связан с переходом от хорошо организованного образования вихрей к случайному выбрасыванию для сверхкритических чисел Рейнольдса, в конечном итоге возвращаясь к хорошо организованному выделению при посткритическом числе Рейнольдса с возвратом к повышенным коэффициентам силы сопротивления .

Сверхкритическое поведение можно описать полуэмпирически с использованием статистических средств или сложного программного обеспечения для вычислительной гидродинамики (CFD), которое учитывает взаимодействие жидкости и конструкции для заданных условий жидкости с помощью моделирования больших вихрей (LES), которое включает динамические смещения. структуры (DLES) [11]. Эти расчеты также демонстрируют важность коэффициента блокировки, присутствующего для интрузивной арматуры в потоке труб и при испытаниях в аэродинамической трубе.

Критическое число Рейнольдса является функцией интенсивности турбулентности, профиля скорости вверх по потоку и пристеночных эффектов (градиентов скорости). Полуэмпирические описания кризиса сопротивления часто описываются в терминах ширины полосы Струхаля, а распространение вихрей описывается широкополосным спектральным содержанием.

Рекомендации

  1. Перейти ↑ Birkhoff, Garrett (2015). Гидродинамика: исследование логики, фактов и подобия . Издательство Принстонского университета. п. 41. ISBN   9781400877775 .
  2. ↑ Жуковский, Н.Е. (1938). Собрание сочинений Н.Е. Зуковского . п. 72.
  3. ^ Eiffel G. Sur La Resistance де Spheres данс l'воздух ан Движение, 1912
  4. Перейти ↑ Toussaint, A. (1923). Лекция по аэродинамике (PDF) . Технический меморандум NACA № 227. с. 20.
  5. ^ Прандтль, Людвиг (1914). "Der Luftwiderstand von Kugeln". Nachrichten der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen : 177–190. Перепечатано в Tollmien, Walter; Шлихтинг, Германн; Гёртлер, Генри; Ригельс, FW (1961). Людвиг Прандтль Gesammelte Abhandlungen zur angewandten Mechanik, Hydro- und Aerodynamik . Springer Berlin Heidelberg. DOI : 10.1007 / 978-3-662-11836-8_45 . ISBN   978-3-662-11836-8 .

Дополнительное чтение

[1] Фунг, Ю.К., (1960), «Колеблющаяся подъемная сила и сопротивление, действующие на цилиндр в потоке при сверхкритических числах Рейнольдса», J. Aerospace Sci., 27 (11), стр. 801–814.

[2] Рошко А. (1961) «Эксперименты по обтеканию кругового цилиндра при очень высоком числе Рейнольдса», J. Fluid Mech., 10, стр. 345–356.

[3] Джонс, GW (1968) "Аэродинамические силы на неподвижном и колеблющемся круглом цилиндре при высоких числах Рейнольдса", Симпозиум ASME по нестационарному течению, Отдел разработки жидкостей. , стр. 1–30.

[4] Джонс, GW, Cincotta, JJ, Walker, RW (1969) «Аэродинамические силы на неподвижном и колеблющемся круговом цилиндре при высоких числах Рейнольдса», Отчет НАСА TAR-300, стр. 1–66.

[5] Ахенбах, Э. Хайнеке, Э. (1981) «О вихреобразовании из гладких и шероховатых цилиндров в диапазоне чисел Рейнольдса от 6x103 до 5x106», J. Fluid Mech. 109. С. 239–251.

[6] Шеве, Г. (1983) «О колебаниях силы, действующей на круговой цилиндр в поперечном потоке от докритических до транскритических чисел Рейнольдса», J. Fluid Mech., 133, стр. 265–285.

[7] Кавамура, Т., Накао, Т., Такахаши, М., Хаяси, Т., Мураяма, К., Гото, Н., (2003), «Синхронные колебания кругового цилиндра в поперечном потоке при сверхкритических температурах Рейнольдса. Числа », ASME J. Press. Vessel Tech., 125, стр. 97–108, DOI: 10.1115 / 1.1526855.

[8] Здравкович М.М. (1997), Обтекание круглых цилиндров, Том I, Oxford Univ. Нажмите. Репринт 2007 г., стр. 188.

[9] Здравкович М.М. (2003), Обтекание круглых цилиндров, Том. II, Oxford Univ. Нажмите. Репринт 2009 г., стр. 761.

[10] Бартран, Д. (2015) «Гибкость опор и собственные частоты защитных гильз на трубах», ASME J. Press. Весс. Tech., 137, стр. 1–6, DOI: 10.1115 / 1.4028863

[11] Боттерилл, Н. (2010) "Моделирование взаимодействия с жидкими конструкциями кабелей, используемых в строительных конструкциях", докторская диссертация ( http://etheses.nottingham.ac.uk/11657/ ), Ноттингемский университет.

[12] Бартран Д., 2018, «Кризис сопротивления и конструкция защитной гильзы», J. Press. Вес. Tech. 140 (4), 044501, документ №: PVT-18-1002. DOI: 10.1115 / 1.4039882.

внешние ссылки