Кіріспе
Қисық бұрыштары бар денелерге қатысты сұйықтық динамикасының принципі Кютта шарты – тұрақты ағынды сұйықтық динамикасының, әсіресе аэродинамиканың, өткір бұрыштары бар қатты денелерге, мысалы, аэродинамикалық профильдердің артқы жиектеріне қатысты қағида. Ол неміс математигі және аэродинамигі Мартин Кюттаның есімімен аталады. Куте мен Шетцер Кютта шартын былай түсіндіреді: Кельвиннің айналым теоремасына сәйкес, бастапқы вихрьтегі айналым, аэродинамикалық профильдегі байланысқан вихрьтегі айналыммен теңеседі. Бастапқы вихрьтегі айналымдық жылдамдық артқан сайын, байланысқан вихрьтегі айналымдық жылдамдық та біртіндеп артады және аэродинамикалық профильдің үстіңгі бетіндегі ағыстың жылдамдығын ұлғайтады. Бастапқы вихрь тез арада аэродинамикалық профильден бөлініп, ауада айналып, аэродинамикалық профиль қалдырған жерде қалады. Содан кейін аэродинамикалық профильдің үстіңгі бетіндегі тұрақтанған нүкте артқы жиекке жеткенше жылжиды. Аэродинамикалық профиль шабуыл бұрышымен қозғалғанда, бастапқы вихрь бөлініп, Кютта шарты қалыптасқан кезде, аэродинамикалық профильдің айналасында шекті айналым пайда болады. Аэродинамикалық профиль көтеру күшін тудырады, ал көтеру күшінің шамасы Кютта-Жуковский теоремасымен анықталады. Кютта шарты, аэродинамикалық профильдердің неге өткір жиектері бар екенін түсіндіреді, тіпті бұл конструкциялық және өндірістік тұрғыдан тиімсіз болса да. Аэродинамикалық профильге айналмалы, тұнбалы емес, сығылмайтын ағын (потенциалдық ағын) кезінде Кютта шартын аэродинамикалық профиль бетіндегі ағын функциясын есептеу арқылы іске асыруға болады. Осы Кютта шартын іске асыру әдісі екі өлшемді субсоникалық (субкритикалық) оқшауланған аэродинамикалық профильдердегі тұрақты сығымдалатын ағындарды шешу үшін де қолданылады. Кютта шартының тұтқырлыққа түзетулері кейбір соңғы зерттеулерде кездеседі.
The Kutta condition is a principle in steady flow fluid dynamics, especially aerodynamics, that is applicable to solid bodies with sharp corners, such as the trailing edges of airfoils. It is named for German mathematician and aerodynamicist Martin Kutta. Kuethe and Schetzer state the Kutta condition as follows:
The vorticity in the starting vortex is matched by the vorticity in the bound vortex in the airfoil, in accordance with Kelvin's circulation theorem. As the vorticity in the starting vortex progressively increases the vorticity in the bound vortex also progressively increases and causes the flow over the topside of the airfoil to increase in speed. The starting vortex is soon cast off the airfoil and is left behind, spinning in the air where the airfoil left it. The stagnation point on the topside of the airfoil then moves until it reaches the trailing edge. When an airfoil is moving with an angle of attack, the starting vortex has been cast off and the Kutta condition has become established, there is a finite circulation of the air around the airfoil. The airfoil is generating lift, and the magnitude of the lift is given by the Kutta–Joukowski theorem. The Kutta condition gives some insight into why airfoils have sharp trailing edges, even though this is undesirable from structural and manufacturing viewpoints. In irrotational, inviscid, incompressible flow (potential flow) over an airfoil, the Kutta condition can be implemented by calculating the stream function over the airfoil surface. The same Kutta condition implementation method is also used for solving two dimensional subsonic (subcritical) inviscid steady compressible flows over isolated airfoils. The viscous correction for the Kutta condition can be found in some of the recent studies.
Аэродинамикадағы Кутта жағдайы
Кютта шарты аэродинамикке иілгіштіктің маңызды әсерін ескеруге мүмкіндік береді, бірақ импульс сақталу теңдеуінің негізінде иілгіш әсерлерін ескермеуге болады. Бұл қанаттың көтеру күшін есептеуде маңызды. Қатты дене маңындағы потенциалдық ағын сияқты, иілгіш емес сұйықтық ағынына масса сақталу және импульс сақталу теңдеулерін қолданғанда, шексіз көп дұрыс шешімдер пайда болады. Дұрыс шешімді таңдаудың бір жолы – Navier-Stokes теңдеулері түріндегі иілгіш теңдеулерді қолдану. Дегенмен, олар көбінесе жабық түрдегі шешімге әкелмейді. Кютта шарты – иілгіш әсерлердің кейбір аспектілерін ескерудің баламалы әдісі, ал тері үйкелісі және басқа да шекаралық қабат әсерлері сияқты басқаларын ескермейді. Бұл шартты бірнеше түрде түсіндіруге болады. Бірі – артқы жиекте жылдамдықтың шексіз өзгеруі болмайды. Иілгіш емес сұйықтықта жылдамдық кенеттен өзгеруі мүмкін болса да, шындығында иілгіштік жылдамдықтың күрт өзгеруін тегістейді. Егер артқы жиектің бұрышы нөлден өзгеше болса, онда ағын жылдамдығы онда нөл болуы керек. Дегенмен, өткір артқы жиекте жылдамдық нөлден өзгеше болуы мүмкін, бірақ ол әуе профилінің жоғарғы және төменгі жағында бірдей болуы керек. Тағы бір тұжырымдама – қысым артқы жиекте үздіксіз болуы керек. Кютта шарты тұрақсыз ағынға қолданылмайды. Эксперименттік байқаулар көрсеткендей, тұру нүктесі (әуе профилі бетінде ағын жылдамдығы нөлге тең болатын екі нүктенің бірі) оң шабуыл бұрышын болжай отырып, әуе профилінің жоғарғы бетінде ағын нөлден үдеген кезде басталады және ағын үдеген кезде артқа қарай жылжиды. Бастапқы өтпелі әсерлер жойылғаннан кейін, тұру нүктесі Кютта шарты талап ететіндей, артқы жиекте орналасады. Математикалық тұрғыдан алғанда, Кютта шарты айналымның шексіз рұқсат етілген мәндері арасынан нақты бір мәнді таңдауды қажет етеді.