|
Рис. 2.1
Структура течения вокруг крыла с указанием направления и скорости течения; меньший промежуток между линиями тока показывает участки наиболее высокой скорости
Рис. 2.2
Классическая гидродинамическая модель структуры течения «идеально» текущей среды без учета вязкости жидкости; рисунок иллюстрирует структуру течения вокруг препятствия цилиндрической формы
Рис. 2.3
Турбулентное течение позади погруженных тел: цилиндрической формы (а); обтекаемой формы (б); пограничные слои «замедленной» жидкости заштрихованы
жения в гипотетической «идеальной» жидкости. Однако линии на диаграммах структуры течения такой жидкости правильны, постоянны (рис. 2.2) и не объясняют явления, при которых важна роль вязкости. Без стрелок, указывающих направление течения, его невозможно было бы определить из-за абсолютной симметричности структур течения и давления. Кроме того, согласно теории идеальной жидкости, она скользит за телом, «не прилипая» к нему и не образуя пограничного слоя. Симметричность структуры течения и отсутствие слоя «задерживающейся» жидкости в этой идеальной невязкой жидкости означает, что на цилиндр не действует сила сопротивления.
Ввиду относительно небольшой вязкости воды и воздуха, по крайней мере по сравнению с такими жидкостями, как масло, в некоторых случаях можно было бы допустить применение теории идеальной жидкости, однако не при анализе
структуры их течения мимо твердого объекта, когда их вязкостью нельзя пренебречь (рис. 2.3).
Тонкие линии на рис. 2.3 отражают средние траектории движения потока. Имеется и пограничный слой «замедленной» жидкости вокруг передней половины цилиндра (заштрихованной), в котором элементы жидкости прилипают к объекту, что повышает вязкость и замедляет движение их «соседей». С другой стороны, движущиеся «соседи» воздействуют в направлении вниз на «приклеивающиеся» элементы, которые, в свою очередь, сообщают его телу в виде поверхностного сопротивления.
Вода не может ускоряться до бесконечности именно из-за своей вязкости (внутреннего трения), при отсутствии которой скорость течения в реках достигала бы сотен километров в час, что имело бы довольно плачевные последствия. Пловец способен «захватить» воду лишь потому, что вязкость воды способствует разделению потока, а это приводит к различию давления вокруг руки. При определенных условиях этот дифференциал давления обеспечивает сопротивление, вследствие которого возникает движущая сила (Каунсилмен, 1982). Однако вязкость не только помогает пловцу продвигаться вперед, но и создает сопротивление формы, затрудняющее его продвижение, в результате чего к телу «прилипают» контактирующие с ним элементы жидкости. Относительно этих элементов двигаются соседствующие с ними, что «включает» противодействующие движению и вызывающие трение силы сопротивления.
Большая часть вязкой деформации происходит в пределах пограничного слоя — относительно тонкой зоны, непосредственно прилегающей к поверхности тела, которое движется в водной среде. Пограничный слой, который состоит из ряда очень тонких слоев, всегда имеет градиент скорости;
ГЛАВА 2