Режим течения в динамическом пограничном слое зависит от Рейнольдса числа Re и может быть ламинарным или турбулентным. При турбулентном режиме в пограничном слое на некоторое осреднённое движение частиц жидкости в направлении основного потока налагается хаотическое, пульсационное движение отдельных жидких конгломератов. В результате интенсивность переноса количества движения, а также процессов тепло- и массопереноса резко увеличиваются, что приводит к возрастанию коэффициента поверхностного трения, тепло- и массообмена. Значение критического числа Рейнольдса, при котором происходит переход в пограничном слое ламинарного течения в турбулентное, зависит от степени шероховатости обтекаемой поверхности, уровня турбулентности внешнего потока, Маха числа М и некоторых др. факторов. При этом переход ламинарного режима течения в турбулентный с возрастанием Re происходит в пограничном слое не внезапно, а имеется переходная область, где попеременно чередуются ламинарный и турбулентный режимы.

Особенностью пограничного слоя является его свойство допускать при некоторых обстоятельствах возникновение возвратного течения в непосредственной близости от стенки. С этим свойством связаны отрыв пограничного слоя от тела и возникновение более или менее сильных вихрей на кормовой части обтекаемого тела (см. рис.1). Эти явления обусловливают значительное изменение распределения давления вдоль поверхности обтекаемого тела по сравнению с распределением давления в потоке без трения, что приводит к возникновению так называемого сопротивления давления обтекаемого тела. Теория пограничного слоя указывает путь к вычислению этого сопротивления. Теория пограничного слоя дает ответ на важный вопрос о том, какую форму должно иметь обтекаемое тело для того, чтобы не возникало вредного отрыва потока от тела. Однако отрыв потока от тела может возникать не только при обтекании тела, но и при течении жидкости в канале. Следовательно, теория пограничного слоя дает возможность исследовать особенности течения в межлопаточных каналах гидравлических и газовых машин (насосов, турбин). Только на основе теории пограничного слоя могут быть объяснены явления, возникающие при достижении подъемной силой крыла максимального значения и также связанные с отрывом потока.

В зависимости от скорости движения, формы крыла и угла, под которым оно расположено относительно потока, поведение оторвавшегося течения различно. При отрыве стационарного ламинарного течения оторвавшийся поток может вновь присоединиться к поверхности крыла. При этом возникает местная зона отрыва, или отрывной пузырь, которая обычно имеет небольшие размеры по сравнению с размерами самого крыла. В этом случае отрывная область на крыле существует в виде узкой полосы, вытянутой вдоль его размаха. В то же время в ней ярко проявляется фундаментальное свойство отрывных течений — гидродинамическая неустойчивость. То есть неустойчивость возмущений малой амплитуды вызывает ламинарно-турбулентный переход и как следствие — сильное перемешивание жидкости, приводящие к присоединению потока к поверхности. Таким образом, в данном случае отрывная зона формируется в переходном режиме, то есть при переходе к турбулентности в пределах области отрыва или вблизи нее. Упрощенная схема включает в себя отрыв ламинарного пограничного слоя, последующий переход к турбулентности и присоединение турбулизованого потока.

Как известно, с физической точки зрения процесс перехода ламинарного течения в турбулентное состояние при малой интенсивности внешних возмущений состоит из трех условно разделяемых этапов: генерации волн сдвигового слоя, их усиления по законам линейной теории и нелинейного разрушения ламинарного режима течения. Каждому этапу в перечисленной последовательности соответствует характерная область в пространстве по мере возрастания расстояния от передней кромки модели. Отметим, что последняя, нелинейная область развития процесса перехода относительно малопротяженна и характер ее в значительной степени определяется свойствами исходного течения, внешних возмущений и процессами, происходящими в предыдущих двух областях.

 

В задачах обтекания твердого тела жидкостью или газом часто возникает задача определения аэродинамических характеристик этого тела, которые позволяют, например, определить насколько хорошо обтекаема его форма, и таким образом количественно сравнивать между собой обтекаемость профилей различной геометрии. Для решения задач обтекания могут применяться разные модели с введением некоторых упрощений. Классические модели в ряде случаев приводят к расхождению с экспериментальными данными, особенно для отрывных течений. Один из последних методов - интегральный метод Эпплера, в котором применяются достаточно простые формулы для расчета обтекания тел с учетом отрыва ламинарного и турбулентного пограничных слоев. В работе Эпплера сказано, что результаты решения задач довольно хорошо согласуются с экспериментальными данными. Поэтому применение этого метода достаточно перспективно.

Общим свойством переходных отрывных течений является зависимость поля скорости во всей зоне отрыва, включая ее ламинарный участок, от перехода к турбулентности, который происходит в пределах отрывной области или вблизи нее. В частности, влияние процесса перехода вверх по потоку выражается в искажении профилей скорости среднего течения при возбуждении волн неустойчивости, о чем говорилось выше, то есть колебания малых амплитуд, возбужденные в зоне отрыва тем или иным способом, воздействуют на процесс ламинарно-турбулентного перехода и течение в районе присоединения оторвавшегося слоя. Вызванное этим возмущение распространяется на всю отрывную зону, что ведет к изменению распределения скорости среднего течения, которое может на порядок величины превышать локальный в том же сечении по продольной координате максимум амплитуды возбужденных колебаний.

Более десяти лет назад было установлено, что при отрыве потока на прямом крыле (имеющем прямоугольную форму в плане с передней кромкой, расположенной перпендикулярно направлению потока) в области отрыва возникают грибообразные структуры, каждая из которых представляет собой пару крупномасштабных вихрей, вращающихся в плоскости крыла в противоположные стороны. Трехмерная вихревая структура течения над поверхностью крыла показана на рис. 1, где приведены фотографии визуализаций обтекания при последовательном увеличении угла атаки экспериментальной модели; воздушный поток направлен на рисунке сверху вниз. При минимальном угле атаки, равном 9,1° (рис. 1, а), около передней кромки крыла отрывается ламинарное течение и возникает узкая (локальная) область отрыва, расположенная вдоль размаха модели. Ниже по потоку течение турбулентно, его новый отрыв происходит вблизи задней кромки крыла и сопровождается образованием вихрей — на фотографии зафиксированы пять хорошо различимых вихревых пар. С увеличением угла атаки их число уменьшается в результате слияния вихрей, а характерный масштаб растет. При угле атаки 12,3° (рис. 1, б) наблюдаются три вихревые пары, при 16,8° (рис. 1, в) — две, а при 18,4° (рис. 1, г) — только одна. Дальнейшее возрастание угла атаки приводит к радикальной перестройке режима обтекания крыла: вместо отрывного пузыря у передней кромки и последующего турбулентного отрыва возникает срыв потока (рис. 1, д). В этом режиме течения формирование отрывной зоны связано с развитием в оторвавшемся слое газа собственных колебаний, вызывающих его переход из ламинарного состояния в турбулентное, и срыв потока отличается по существу происходящих при этом физических явлений от отрыва турбулентного течения. Между тем для топологии отрывного течения также характерна пара вихрей, вращающихся в плоскости крыла. По сравнению со случаем турбулентного отрыва их фокусы меняют свое положение, сдвигаясь против направления потока.

Таким образом, реальное течение в отрывной области даже в тех геометрических условиях, которые можно считать близкими к двумерным, оказывается трехмерным и имеет сложную внутреннюю пространственную структуру. Полученные в эксперименте данные, аналогичные приведенным на рис. 1, позволяют установить ее зависимость от условий возникновения отрыва потока. Один из возможных механизмов образования трехмерных вихревых структур при двумерном отрыве потока был предложен несколько лет назад и заключается в следующем: при сходе потока с передней и задней кромок крыла образуются вихри, оси которых параллельны его размаху (рис. 2, а). Эта вихревая система неустойчива (не путать с гидродинамической неустойчивостью профиля средней скорости), вихри деформируются (рис. 2, б), происходит их перезамыкание, и в итоге появляются трехмерные структуры (рис. 2, в). Их «отпечаток» на поверхности крыла имеет грибообразную форму (рис. 2, г), наблюдаемую в эксперименте.