Стационарный пограничный слой на пластине в газовом потоке, страница 17

В общем случае шероховатость стенки способствует переходу ламинарной формы течения в турбулентную в том смысле, что при прочих равных условиях переход на шероховатой стенке происходит при меньших числах Рейнольдса, чем на гладкой. Это легко понять на основании теории устойчивости. Шероховатость вызывает в ламинарном пограничном слое дополнительные возмущения, которые присоединяются к возмущениям, уже имеющимся вследствие какой-то степени турбулентности внешнего течения. Естественно, что эти суммарные, в целом более сильные возмущения, требуют меньшего нарастания, чтобы привести к переходу.

При небольшой высоте элементов шероховатости следует ожидать, что возмущения, вызываемые шероховатостью, лежат ниже уровня возмущений, определяемых степенью турбулентности внешнего течения. В этом случае шероховатость может не оказать влияния на переход. С другой стороны, при очень сильной степени шероховатости переход ламинарного течения в турбулентное возникает непосредственно около элемента шероховатости.

Для практики большое значение имеют три вопроса:

1. до какой высоты шероховатости нет влияния на переход;

2. начиная с какой высоты переход возникает сразу за шероховатостью;

3. как определять переход в состоянии промежуточном к уже упомянутым.

Отметим, что в практике редко действует на переход один какой-то фактор. Как правило, их несколько и действуют они одновременно. Иногда (правда очень редко) действие двух дестабилизирующих факторов может привести к стабилизации. Так Поляковым и Косорыгиным (1982), было обнаружено интересное явление, которое они назвали автодеструкцией. Рассматривалось отдельно влияние звука и шероховатости на переход. В обоих случаях эффект был дестабилизирующий. Однако при некоторых условиях совместное влияние звука и шероховатости специальной формы вызывало стабилизирующий эффект. Неустойчивые волны, возникшие в пограничном слое под действием звука, разрушались другими волнами, которые звук вызывал на шероховатости.

Это не единственное "странное" влияние шероховатости. В последние два десятилетия большое внимание уделяется риблетам – продольным ребрам на поверхности - как средству управления пограничным слоем. Очень простые по конструкции, риблеты оказывают влияние на структуру турбулентного   течения и обеспечивают снижение сопротивления трения в турбулентном пограничном слое. Природный аналог риблет был обнаружен у акул (рис. 32) и первое применение нашел на яхтах. Левый рисунок - кожа акулы, увеличение 30 раз; средний рисунок - природный прообраз риблет: кожа акулы, увеличение 3000 раз: правый рисунок - риблеты, изготовленные в НАСА. В настоящее время такой метод снижения сопротивления считается перспективным и для летательной техники.

Риблеты оказывают влияние и на ламинарно-турбулентный переход. Скорость нарастания малых возмущений в ламинарном пограничном слое на оребренных поверхностях такая же, как над гладкой поверхностью. В этом случае начало перехода на гладкой и оребренной поверхностях совпадает. Однако при повышенной степени турбулентности набегающего потока риблеты затягивают переход. В последние годы выявлено, что расположение продольно расположенных риблет в области нелинейного взаимодействия возмущений приводит к подавлению возмущений и процесс перехода значительно затягивается.

Изменение реологических свойств жидкости в пограничном слое. Известно, что некоторые большие рыбы развивают скорости большие, чем можно было бы ожидать, исходя из формы их тела. Снизить сопротивление при турбулентном обтекании, как уже отмечалось, могут риблеты. Другим эффективным методом является введение полимерных добавок, изменяющих физические свойства жидкости (реологические свойства). Действие полимерных добавок может быть двояким. С одной стороны, добавки могут уменьшить вязкость жидкости в пограничном слое, а с другой - длинные молекулы полимеров способны воспрепятствовать мелкомасштабным возмущениям, которые характерны для турбулентного течения. Важным свойством полимерных добавок является то, что указанный эффект они вызывают при весьма низких концентрациях (10 - 10 %). Добавка такого полимера в охлаждающую жидкость радиатора уменьшает сопротивление на 70%. Вращающийся в жидкости диск при наличии полимерных добавок испытывает на 60% меньшее сопротивление.