Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )
|
Сопротивление поверхностным трением является составной частью паразитного сопротивления , которое представляет собой силу сопротивления, действующую на объект, движущийся в жидкости. Сопротивление поверхностного трения вызывается вязкостью жидкости и развивается от ламинарного сопротивления до турбулентного сопротивления, когда жидкость движется по поверхности объекта. Сопротивление поверхностного трения обычно выражается числом Рейнольдса , которое представляет собой соотношение между силой инерции и силой вязкости.
Поток и влияние трения кожи на сопротивление [ править ]
Ламинарное обтекание тела возникает, когда слои жидкости плавно проходят друг мимо друга по параллельным линиям. В природе такое течение встречается редко. Когда жидкость течет по объекту, она прикладывает силы трения к поверхности объекта, которые препятствуют движению объекта вперед; результат называется сопротивлением поверхностного трения. Сопротивление трением кожи часто является основным компонентом паразитного сопротивления объектов в потоке.
Обтекание тела может начинаться как ламинарное. Когда жидкость течет по поверхности, напряжения сдвига внутри жидкости замедляют дополнительные частицы жидкости, вызывая увеличение толщины пограничного слоя. В какой-то момент по направлению потока поток становится нестабильным и становится турбулентным. Турбулентный поток имеет колеблющуюся и нерегулярную структуру потока, что проявляется в образовании вихрей . По мере роста турбулентного слоя толщина ламинарного слоя уменьшается. Это приводит к более тонкому ламинарному пограничному слою, который по сравнению с ламинарным потоком снижает величину силы трения, когда жидкость течет по объекту.
Коэффициент трения кожи [ править ]
Определение [ править ]
где:
- - коэффициент поверхностного трения.
- это плотность жидкости.
- - скорость набегающего потока, т.е. скорость жидкости вдали от поверхности тела.
- напряжение сдвига кожи на поверхности.
- - динамическое давление набегающего потока.
Коэффициент поверхностного трения представляет собой безразмерное напряжение сдвига на поверхности, которое обезразмеривается динамическим давлением набегающего потока.
Ламинарный поток [ править ]
Решение Блазиуса [ править ]
где:
- , которое является числом Рейнольдса .
- - расстояние от контрольной точки, на котором начинает формироваться пограничный слой .
Приведенное выше соотношение получено из пограничного слоя Блазиуса , который предполагает постоянное давление во всем пограничном слое и тонком пограничном слое. [1] Приведенное выше соотношение показывает, что коэффициент поверхностного трения уменьшается с увеличением числа Рейнольдса ( ).
Переходный поток [ править ]
Вычислительный метод трубки Престона (CPM) [ править ]
Метод CPM, предложенный Ницше, [2] оценивает напряжение сдвига кожи в переходных пограничных слоях путем подгонки приведенного ниже уравнения к профилю скорости переходного пограничного слоя. (Постоянная Кармана) и (напряжение сдвига кожи) определяются численно в процессе подгонки.
где:
- это расстояние от стены.
- скорость потока при заданном .
- - постоянная Кармана, которая ниже 0,41, значения для турбулентных пограничных слоев, в переходных пограничных слоях.
- - постоянная Ван Дриста, равная 26 как в переходных, так и в турбулентных пограничных слоях.
- - параметр давления, равный, когда - давление, и координата вдоль поверхности, на которой образуется пограничный слой.
Турбулентный поток [ править ]
Закон Прандтля в одной седьмой степени [ править ]
Вышеприведенное уравнение, которое выводится из закона Прандтля в одной седьмой степени, [3] обеспечивает разумную аппроксимацию коэффициента сопротивления турбулентных пограничных слоев с низким числом Рейнольдса. [4] По сравнению с ламинарными потоками, коэффициент поверхностного трения турбулентных потоков снижается медленнее с увеличением числа Рейнольдса.
Сопротивление трением кожи [ править ]
Полная сила сопротивления поверхностного трения может быть рассчитана путем интегрирования напряжения сдвига кожи на поверхности тела.
Связь между трением кожи и теплопередачей [ править ]
С инженерной точки зрения расчет поверхностного трения полезен для оценки не только полного сопротивления трения, оказываемого на объект, но также скорости конвективной теплопередачи на его поверхности. [5] Это соотношение хорошо развито в концепции аналогии Рейнольдса , которая связывает два безразмерных параметра: коэффициент поверхностного трения (Cf), который представляет собой безразмерное напряжение трения, и число Нуссельта (Nu), которое указывает величину конвективной теплопередачи. . Например, лопатки турбины требуют анализа теплопередачи в процессе их проектирования, поскольку они находятся в высокотемпературном газе, который может повредить их из-за высокой температуры. Здесь инженеры рассчитывают поверхностное трение на поверхности лопаток турбины, чтобы предсказать, что теплообмен происходит через поверхность.
См. Также [ править ]
- Паразитическое сопротивление
Ссылки [ править ]
- ^ Белый, Фрэнк (2011). Механика жидкости . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. С. 477–478. ISBN 9780071311212.
- ^ Nitsche, W .; Thünker, R .; Хаберланд, К. (1985).Вычислительный метод трубки Престона. Турбулентные сдвиговые потоки, 4 . С. 261–276.
- ^ Прандтль, Л. (1925). "Bericht uber Untersuchungen zur ausgebildeten Turbulenz". Zeitschrift мех ангев. Математика. u. Механик 5.2: 136–139. Cite journal requires
|journal=
(help) - ^ Белый, Фрэнк (2011). Механика жидкости . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. С. 484–485. ISBN 9780071311212.
- ^ Incropera, Франк; Бергман, Теодор; Лавин, Эдриенн (2013). Основы теплопередачи . Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. С. 402–404. ISBN 9780470646168.
Основы полета Ричарда Шепарда Шевелла