Стационарный пограничный слой на пластине в газовом потоке, страница 15

Отсасывание пограничного слоя. Отсасывание является весьма эффективным способом управления пограничным слоем. Оно стабилизирует ламинарный пограничный слой и уменьшение сопротивления достигается в результате предупреждения перехода ламинарной формы течения в турбулентную. Действие отсасывания проявляется двояким образом: во-первых, отсасывание уменьшает толщину пограничного слоя, а более тонкий пограничный слой имеет меньшую склонность к переходу в турбулентное состояние, чем толстый пограничный слой; во-вторых, отсасывание ламинарного пограничного слоя создает в нем такие профили скоростей, которые обладают более высоким пределом устойчивости, то есть более высоким критическим числом Рейнольдса, чем профили скоростей в пограничном слое без отсасывания.

Рассмотрим случай равномерного распределенного отсасывания. В этом случае большое значение имеет вопрос о количестве среды, которое необходимо отсасывать для сохранения пограничного слоя ламинарным. отсасываемой среды одновременно обеспечивает и максимальное уменьшение лобового сопротивления, достигаемое посредством отсасывания. В самом деле, любое большее количество отсасываемой среды создает тонкий пограничный слой, а вместе с тем и большее касательное напряжение на стенке.

Результаты расчетов по влиянию отсасывания на кривые нейтральной устойчивости убедительно свидетельствуют о весьма эффективном стабилизирующем действии отсасывания (рис. 29). Здесь А – с асимптотическим отсасыванием газа из пограничного слоя (x=¥), В – без отсасывания (x=0). Таким образом, в пограничном слое при отсасывании сохраняется ламинарным не только благодаря уменьшению толщины слоя, но также, и притом в гораздо большей степени, благодаря повышению предела устойчивости для профилей скорости.

Предсказания теории устойчивости о стабилизирующем влиянии отсасывания были настолько впечатляющими, что попытки их реального применения на самолетах делались в Англии еще во время второй мировой войны. Но, пожалуй, наиболее известные работы были сделаны в США на двух самолетах НОРТРОП Х-21 в 60-е годы. Было проведено более 200 полетов, продемонстрирована хорошая эффективность ламинаризации обтекания на крейсерских режимах полета, надежность системы отсасывания и удовлетворительные характеристики управляемости. На поверхностях крыла самолета Х-21 вдоль размаха имелось множество узких щелей. Воздух, засасываемый в щели с поверхности крыла, проходил через каналы в насосы, установленные в гондолах под крылом. В целом было получено уменьшение сопротивления, но не столь впечатляющее как это следовало из теории. Дороговизна же изготовления систем управления пограничным слоем, сложности в эксплуатации таких самолетов охлаждали интерес к этой идее. Однако по прошествии времени интерес снова возвращался. Рост цен на энергоносители, появление новых эффективных технологий (таких как лазерная обработка металлов), снова и снова напоминали авиастроителям о привлекательной идее ламинарного самолета.

Как последнее из достижений в использовании отсоса для управления течением приведу данные из книги "Ветры перемен", посвященной 75-летию НАСА (1917-1992). В 90-е годы был сделан фактический "прорыв" в этой области. Совместными усилиями НАСА, ВВС США и фирмы БОИНГ был испытан Боинг757 с 22-футовыми секциями отсоса на крыльях. Девятнадцать миллионов отверстий, просверленные лазером, использовались для отсоса. Ламинарное течение было получено более чем на 65% площади крыла (рис. 30).

Прогнозы показали, что если на большей части крыла, фюзеляжа, оперения и гондол двигателя течение будет ламинарным, то сопротивление трения снизится на 25%, а каждый процент экономит $ 100 миллионов долларов (по курсу 1990 г.).

Влияние центробежных сил. Особого рода неустойчивость возникает