Лекции.Орг


Поиск:




Категории:

Астрономия
Биология
География
Другие языки
Интернет
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Механика
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Транспорт
Физика
Философия
Финансы
Химия
Экология
Экономика
Электроника

 

 

 

 


Обтекание шара потоком жидкости




Рассмотрим задачу об установившемся обтекании шара потоком ньютоновской жидкости, имеющим на бесконечности постоянную скорость Uo при давлении .

Решение этой задачи при малых числах Рейнольдса принадлежит Стоксу. Подробное изложение метода получения решения приведено в .

Совместим центр шара с началом координат и направим ось х параллельно скорости U 0, радиус шара пусть равен R. Система уравнений (4.2) и (4.3) имеет вид

, ,

. (4.10)

Граничные условия:

, , где

, , , . (4.11)

В постановке Стокса характеристики потока зависят только от следующих параметров: µ, R, U0.

Сила сопротивления шара F может выражаться только через эти величины; из них можно составить одну комбинацию с размерностью силы – произведение µ·R·U0. Следовательно, пользуясь теорией размерности получим:

, (4.12)

где с – постоянная величина.

Не входя в подробности вычислений, приведем решение системы уравнений (4.10) с граничными условиями (4.11). Получим следующие формулы для составляющих скорости и давления:

(4.13)

где .

Полное сопротивление шара F можно получить, используя полученное решение. Получим

. (4.14)

Это есть известная формула Стокса для сопротивления шара. Необходимо отметить, что сопротивление пропорционально первой степени скорости. Сравнив (4.14) и (4.12) получим, что с=6 .

Полученное решение соответствует действительности только при малых значениях числа Рейнольдса <<1, где d=2R.

Представим сопротивление F как произведение коэффициента сопротивления сх на площадь поперечного сечения шара и на динамическое давление . Получим

. (4.15)

Заменив F его значением из формулы (4.14), найдем коэффициент сопротивления

(4.16)

где .

Полученное выше решение задачи об обтекании шара было уточнено Осееном. Дело в том, что на достаточно больших расстояниях от шара решение Стокса оказывается неприемлемым. Для того, чтобы убедиться в этом, оценим член , которым мы пренебрегли в уравнении (4.1). Для такой оценки обратимся к соотношениям (4.13) и рассмотрим для простоты только точки, лежащие на оси Ох, для которых х = r. На больших расстояниях . Производные же от скорости на этих расстояниях порядка величины , как это видно из (4.13). Следовательно, . Оставленные же в уравнении (4.1) члены – порядка величины (как это видно из (4.13) той же формулы для скорости или для давления). Условие >> выполняется только на расстояниях << ( <<1). На больших расстояниях полученное распределение скоростей оказывается неправильным [2].

Для получения распределения скоростей на больших расстояниях от обтекаемого шара следует учесть отброшенный в (4.1) член . Так как на этих расстояниях скорость мало отличается от U0, то можно написать приближенно вместо . Тогда мы получим для скорости на больших расстояниях линейное уравнение

. (4.17)

Решение этого уравнения изложено в . С помощью этого решения можно получить уточненную формулу для коэффициента сопротивления шара:

. (4.18)

Результаты опытов показывают, что формула Осеена (4.18) пригодна до Re = 1,5. Уточнение Осеена оправдано вдали от шара на расстояниях r>>R. Поэтому, давая правильное уточнение картин движения на больших расстояниях от обтекаемого тела, уравнение Осеена не дает такого уточнения на близких расстояниях. Это проявляется в том, что решение Осеена не удовлетворяет точному условию обращения в нуль скорости на поверхности шара. Поэтому может показаться, что поправка Осеена не может послужить для правильного вычисления поправочного члена в силе сопротивления. Однако, поскольку мы рассматриваем движения с малыми числами Re, то как полные инерционные члены, так и заменяющие их поправочные выражения Осеена в уравнении (4.17) будут малы по сравнению с членами, происходящими от сил вязкости. Следовательно, в области, примыкающей к шару уравнения (4.17) и уравнения Стокса (4.10) являются в одинаковой мере хорошими приближениями к полной системе дифференциальных уравнений (4.1).

Формулу Стокса (4.14) или (4.16) можно применять только в случаях очень малых чисел Рейнольдса, например для дождевых капель или пыли в атмосфере, падения стальных шариков в очень вязких жидкостях.

Пользуясь формулой Стокса (4.14) при очень малых числах Re можно найти скорость осаждения мелких капель тумана и прочих мелких частиц. Приравнивая силу сопротивления шара (4.14) результирующей сил гидростатического давления, получим формулу для скорости падения шариков малых размеров в вязкой жидкости.

(4.19)

где - плотность вещества шарика, - плотность жидкости.

Формула (4.19) используется для определения коэффициента вязкости сильно вязких ньютоновских жидкостей. Вискозиметр, основанный на принципе падения тяжелого шарика, состоит из трубки с делениями. Время падения от одного фиксированного деления трубки до другого, определяется секундомером. Найденное так значение скорости подставляют в (4.19) и определяют коэффициент динамической вязкости. При больших числах Рейнольдса полученные выше формулы становятся неудовлетворительными. Объясняется это тем, что с возрастанием числа Рейнольдса в кормовой области шара образуется отрыв и сложные нестационарные явления типа автоколебаний. Для широкого диапазона чисел Re приходится пользоваться эмпирическими данными или решать задачу численно.

 





Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2016-04-03; Мы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 1473 | Нарушение авторских прав


Поиск на сайте:

Лучшие изречения:

В моем словаре нет слова «невозможно». © Наполеон Бонапарт
==> читать все изречения...

2187 - | 2152 -


© 2015-2024 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.008 с.