Кіріспе

Бұл бетте қатты бетке ағып жатқан сұйықтықпен қалыптасқан шекаралық қабаттардың қалыңдығы мен пішінін сипаттау үшін қолданылатын кейбір параметрлер сипатталады. Шекаралық қабат ағынының ерекшелігі - қатты қабырғаларда сұйықтың жылдамдығы нөлге дейін азаяды. Шекаралық қабат қабырға мен ірі сұйықтық ағыны арасындағы жұқа өтпелі қабатты білдіреді. Шекаралық қабат тұжырымдамасын бастапқыда Людвиг Прандтль әзірлеген және ол екі түрге бөлінеді, олар шектелген және шектелмеген. Шектелген және шектелмеген шекті қабаттардың арасындағы айырмашылық қасиет - шекті қабатқа бірден көп қабырға әсер етуі. Әрбір негізгі түрдің ламинарлық, өтпелі және турбулентті кіші түрі бар. Шекаралық қабаттардың екі түрі өтпелі аймақтың қалыңдығы мен пішінін сипаттау үшін ұқсас әдістерді қолданады, ал бірнеше ерекшеліктер "Шектелмеген шекаралық қабат" бөлімінде егжей-тегжейлі сипатталған. Төменде егжей-тегжейлі сипаттама тұрақты ағынды қарастырады, бірақ тұрақты емес ағынды қарастырады.

Шектелген шекті қабаттың сипаттамасы

Шектелген шекаралық қабаттар - ішкі қабырға бойымен сұйықтық ағынын белгілеу үшін қолданылатын атау, сондықтан басқа ішкі қабырғалар қарастырылып отырған қабырға бойымен сұйықтық ағынына қысым әсерін тигізеді. Шекаралық қабаттың осы түрінің ерекшелігі - қабырғаға қалыпты жылдамдық профилі жиі ue ((x) деп белгіленетін тұрақты жылдамдық мәніне тегіс асимптота болады. H биіктігі 2 D арнасы бар жуан жалпақ пластинканың төменгі жартысына кіретін тұрақты ағын үшін шектелген шекаралық қабат тұжырымдамасы 1-суретте суреттелген (ағын және пластинка х-y жазықтығына перпендикуляр оң / теріс бағытта созылады). Шекаралық қабаттың осы түрінің мысалдары көпшілігінде құбырлар, арналар және жел туннельдері арқылы сұйықтық ағыны үшін кездеседі. 1-суретте көрсетілген 2D арнасы қозғалмайтын, сұйықтық ішкі қабырға бойымен уақыт бойынша орташа жылдамдығы u ((x,y) бойынша ағады, мұнда x - ағын бағыты, y - қабырғаға қатысты норма. H/2 нүктелі сызығы ішкі құбыр немесе каналдың ағысы жағдайында және суреттегі төменгі қабырғаның үстінде жоғарғы қабырға бар екенін мойындау үшін қосылады. 1-суретте H мәндері үшін ағыстың жүріс-тұрысы көрсетілген, олар шекті қабаттың ең үлкен қалыңдығынан үлкен, бірақ ағыстың сыртқы ағыс ретінде әрекет ете бастайтын қалыңдығынан аз. Егер қабырға мен қабырға аралығы, H, тұтқыр шекті қабаттың қалыңдығынан аз болса, онда жылдамдық профилі, барлық y үшін x-те u ((x, y) деп анықталады, y бағытында параболалық профильге ие болады және шекті қабаттың қалыңдығы тек H / 2 болады. Плитаның қатты қабырғаларында сұйықтық нөлдік жылдамдыққа ие (жұмбақ шекаралық шарты жоқ), бірақ қабырғадан алыстап бара жатқанда, ағыстың жылдамдығы шыңына жетпей артады, содан кейін тұрақты орташа жылдамдыққа жақындайды ue ((x). Бұл асимптотикалық жылдамдық қабырға геометриясына байланысты қабырға бойымен өзгеруі немесе өзгермеуі мүмкін. Жылдамдық профилі асимптотикалық жылдамдыққа жететін нүкте - шекаралық қабаттың қалыңдығы. Шекаралық қабаттың қалыңдығы 1 суреттегі каналдың кіреберісінен басталатын қисық сызық сызығы ретінде бейнеленген. Жылдамдық профилі асимптотикалық жылдамдыққа жеткен нақты орынды анықтау мүмкін емес. Нәтижесінде, шекаралық қабаттың қалыңдығы параметрлерінің саны, әдетте, ретінде белгіленеді, шекаралық қабат аймағындағы сипаттамалық қалыңдық шкалаларын сипаттау үшін қолданылады. Сондай-ақ, жылдамдық профильінің пішіні қызықты, ол ламиналды және турбулентті шекаралық қабат ағынын ажырату үшін пайдалы. Профильдің пішіні ue(x-ке ауысқанда жылдамдық профилінің y-қалыптылығын білдіреді.

Пішін факторы

Шекті қабат ағынында ламинарлық және турбулентті ағындарды ажыратуға көмектесетін пішін факторы қолданылады. Ол сондай-ақ шекаралық қабаттың әртүрлі шамамен өңдеулерінде, соның ішінде ламинариялық ағымдар үшін Твейтес әдісі. Формалды анықтама қай жерде форма факторы, орын ауыстыру қалыңдығы және импульс қалыңдығы берілген. Әдетте, = 2,59 (Блазиус шекаралық қабаты) ламинариялық ағымдарға тән, ал = 1,3 1,4 ламинариялық турбуленттік ауысудың маңында турбуленттік ағымдарға тән. Бөлуге жақын турбулентті ағымдар үшін 2.7. Ламинарлық өтпелі және өтпелі турбулентті мәндерді анықтайтын бөлу сызығы бірқатар факторларға байланысты, сондықтан ламинарлық, өтпелі немесе турбулентті шекаралық қабаттарды ажырату үшін бұл әрқашан нақты параметр емес.

Шектелмеген шекаралық қабаттың сипаттамасы

Шектелмеген шекаралық қабаттар, атауынан көрінетіндей, әдетте қабырғалар бойындағы сыртқы шекаралық қабат ағыны (және арналар мен құбырларда кейбір өте үлкен саңылаулар ішкі ағыны). Бұл типті ағыстың ерекшелігі - жылдамдық профилі тұтқыр шекті қабаттың шетінен жақын түбімен өтеді, содан кейін еркін ағымның жылдамдығына баяу асимптоталар u0. Шекаралық қабаттың осы түрінің үлгісі - қанат үстіндегі қабырғаға жақын ауа ағыны. Шексіз шекті қабаттың тұжырымдамасы 2. суретте жазық пластина бойымен тұрақты ламинарлық ағын үшін суреттеледі. Төменгі сызықты қисық максималды жылдамдықтың орналасуын көрсетеді umax(x) және жоғарғы сызықты қисық u(x,y) негізінен u0 болып табылатын жерді көрсетеді, яғни шекаралық қабаттың қалыңдығы. Өте жұқа жалпақ табақ жағдайында шыңы кішкентай, нәтижесінде жалпақ табақтың сыртқы шекаралық қабаты ішкі ағыс жалпақ арнасының жағдайында өте ұқсас болады. Бұл сұйықтық ағыны әдебиетінің көп бөлігінде шектелген және шектелмеген жағдайларды теңдей деп дұрыс қарастыруға әкелді. Бұл эквиваленттік ойлаудың мәселесі - ұшу кезінде қанаттың бойымен ағыны үшін ең жоғары шыңның мәні u0-дан 10 - 15% -дан оңай асып түседі. Шектелген және шектелмеген шекаралық қабат арасындағы айырмашылықтар Әуе күштері баяндамаларының сериясында зерттелді. Шектелмеген шекті қабаттың шыңы дегеніміз ішкі шектелген шекті қабаттың ағыны үшін пайдаланылатын жылдамдық профилінің қалыңдығы мен пішінінің кейбір параметрлерін осы жағдай үшін қайта қарау қажет. Басқа айырмашылықтар арасында ламинарлық шектелмеген шекаралық қабат жағдайы турбулентті шекаралық қабат ағынына ұқсас тұтқыр және инерциялық үстем аймақтарды қамтиды.

Момент әдісі

Сыртқы шекті қабаттың шектелмеген ағыны үшін, әртүрлі шекті қабаттың қалыңдығы орналасуын бағалаудың қажетті мақсатына жету үшін момент теңдеулерін өзгерту қажет. Жылдамдық профилінің шыңдау мінез-құлқы, бұл сәттердің аймақты қалыпқа келтіру проблемалық болатынын білдіреді. Бұл мәселені болдырмау үшін шексіз шекаралық қабатты тұтқыр және инерциялық аймақтарға бөлуге және шекаралық қабаттың қалыңдығын сол аймаққа тән бөлек момент интегралдарын пайдалану арқылы есептеу ұсынылды. Яғни, ламинарлық және турбулентті шектелмеген шекаралық қабат аймақтарының ішкі тұтқыр аймағын өзгертілген моменттерді пайдалану арқылы, ал инерциялық шекаралық қабаттың қалыңдығын өзгертілген және моменттерді пайдалану арқылы бақылауға болады. Піктің еркін ағын жылдамдығына асимптотасы баяу жылдамдығы есептеудегі шекті қабаттың қалыңдығы мәндерінің шекті шекті қабат жағдайынан әлдеқайда үлкен екенін білдіреді. Инерциялық шекаралық қабат аймағының өзгертілген және моменттері: 1) төменгі интегралды шекті , белгілеген жылдамдық шыңының орналасуымен ауыстыру арқылы; 2) жоғарғы интегралды шекті h-ге өзгерту арқылы, онда h еркін ағымның терең жерінде орналасқан; және 3) жылдамдық шкаласын өзгерту арқылы құрылады. Өзгертілген моменттердегі орын ауыстыру қалыңдығы өзгертілген момент интегралдарымен бірдей интегралдық шектерді пайдалану арқылы есептелуі керек. Орташа орын ретінде өзгертілген 3 сигма шекаралық қабаттың қалыңдығы өзгертілген ені қайда болады. Өзгертілген екінші туынды моменттерді жоғарыда анықталған интегралдарды пайдаланып, бірақ H/2 жоғарғы интеграл шекті орнына ауыстыру арқылы есептеуге болады. Сандық қателерді болдырмау үшін есептеудің кейбір ұсыныстарын орындау керек. Жоғарыда көрсетілген шектелген жағдай үшін APG шектелген шекаралық қабаттарға қатысты екінші туынды моменттерге қатысты осындай мәселелер шектелмеген жағдай үшін өзгертілген моменттерге де қолданылады. Көшпелі бөлігінде шекті қабаттың шектелмеген ағыны үшін өзгертілген моменттердің мысалы 3-суретте көрсетілген. Бұл көрсеткіш NACA 0012 қанатының секциясындағы ламинарлық ауа ағыны үшін 2D симуляциядан алынған. Бұл суретте өзгертілген 3 сигма , өзгертілген 3 сигма және орналасулары бар . Өзгертілген қатынас мәні 311, өзгертілген қатынас мәні ~2, ал мәні мәннен 9% жоғары. Құндыққа салыстырғанда және арасындағы үлкен айырмашылық шекаралық қабаттың қалыңдығының жеткіліксіздігін көрсетеді. Сонымен қатар, үлкен жылдамдық шыңы ішкі шектелген шекаралық қабаттарды сыртқы шектелмеген шекаралық қабаттарға тең деп қарау мәселесін көрсетеді.

δmax қалыңдығы

Жылдамдық шыңының орналасуы, белгіленуі - шектелмеген шекаралық қабаттың анық демаркациялық орналасуы. Бұл таңдаудың басты қызығушылығы - бұл орын қалыңдығы мен инерциялық аймақтардың арасындағы бөлік жері болып табылады. Қанат бойымен ламинарлық ағынды симуляциялау үшін δmax-та орналасқан umax-тың + түрінде берілген, тұтқыр шекті қабатының қалыңдығы δv-тен жоғары жылдамдық шыңдарын көрсететін тұтқыр шекті қабатының қалыңдығына жуықтауы анықталды. Ламинарлық және турбулентті ағымдардың инерциялық аймақтары үшін момент интегралдарының ыңғайлы төменгі шекарасы болып табылады. Егер ені , , орташа орын ретінде есептелетін болса, онда шекаралық қабаттың қалыңдығы, жылдамдықтың қабырғадан жоғары u0 болатын нүкте ретінде анықталады, содан кейін дұрыс анықталуы мүмкін.

99% шекаралық қабаттың қалыңдығы

Піктік мінез-құлықтың маңызды әсері - 99% қалыңдығы, , сыртқы ағынның қалыңдығы параметрі ретінде ұсынылмайды, өйткені ол енді салдарынан шекаралық қабаттың орналасуына сәйкес келмейді. Бұл тек өте жұқа, жазық пластина бойымен ағыс бағытына нөлдік қимамен шектелмеген ламинариялық ағысқа пайдалы, өйткені бұл жағдайда шыңы өте кішкентай болады және жылдамдық профилі шектелген шекаралық қабат жағдайындағыдай жақын болады. Қалың пластиналар қабырғалары, нөлдік емес түсу бұрыштары немесе қатты беттердің көпшілігі бойынша ағысы үшін форманың созылуына байланысты артық ағысы жылдамдық профилінде қабырғаға жақын шыңға әкеледі, бұл пайдалы емес.

Көшіру қалыңдығы, импульс қалыңдығы және пішін коэффициенті

Ылғал толқыны, импульс толқыны және пішін коэффициенті, қағидаты бойынша, жоғарыда сипатталған әдісті қолдана отырып, шектелген шекті қабат жағдайында есептеледі. Алайда, шектелмеген шекаралық қабаттың шыңдық сипаты ығысу қалыңдығы мен импульс қалыңдығының инерциялық бөлімі жақын қабырға бөлігін жоюға бейім болады. Сондықтан, ығысу қалыңдығы мен импульс қалыңдығы шектелген және шектелмеген жағдайларда әртүрлі болады. Шектелмеген ығысу қалыңдығы мен импульс қалыңдығын шамамен шектелген жағдай сияқты ұстаудың бір мүмкіндігі - масштабтау параметрі ретінде umax және үстіңгі интеграл шегі ретінде δmax пайдалану.