В 1904 г. Л. Прандтль в своем докладе "О движении жидкости при очень малом трении", прочитанном на математическом конгрессе, указал путь, сделавший доступными теоретические, исследования течений жидкости с трением в практически важных случаях. А именно, исходя из теоретических соображений и некоторых простых экспериментов, Л. Прандтль показал, что течение в окрестности тела можно разделить на две области: на область очень тонкого слоя вблизи тела (пограничный слой), где трение играет существенно роль, и на область вне этого слоя, где трением можно пренебрегать. Эта гипотеза, с одной стороны, позволила получить физически очень наглядное объяснение важной роли вязкости в проблеме сопротивления, а с другой стороны, дала возможность преодолеть математические трудности и тем самым открыла путь теоретическому исследованию течений жидкости с трением.

Профильное сопротивление состоит из сопротивления трения и сопротивления давления.

Сопротивление трения определяется как проекция на направление движения главного вектора касательных сил, приложенных со стороны жидкости к поверхности тела, а сопротивление давления - соответственно аналогичной проекцией главного вектора нормальных сил. Во многих случаях даже при безотрывном обтекании сопротивление трения не составляет основную часть профильного сопротивления.

Лобовое сопротивление - это сопротивление движению крыла самолета в воздухе. Оно складывается из профильного, индуктивного и волнового сопротивлений:

Сопротивление трения возникает вследствие проявления вязкости воздуха в пограничном слое обтекающего профиля крыла. Величина сил трения зависит от структуры пограничного слоя и состояния обтекаемой поверхности крыла (его шероховатости). В ламинарном пограничном слое воздуха сопротивление трения меньше, чем в турбулентном пограничном слое. Следовательно, чем большую часть поверхности крыла обтекает ламинарный пограничный слой воздушного потока, тем меньше сопротивление трения.

На величину сопротивления трения влияют: скорость самолета; шероховатость поверхности; форма крыла. Чем больше скорость полета, с худшим качеством обработана поверхность крыла и толще профиль крыла, тем больше сопротивление трения.

Для уменьшения сопротивления трения при подготовке самолетов к полету необходимо сохранять гладкость поверхности крыла и частей самолета, особенно носка крыла. Изменение углов атаки на величину сопротивления трения практически не влияет.

Соотношение между сопротивлением трения и сопротивлением давления в большой степени зависит от толщины профиля (см. Рис.1). На рисунке видно, что с ростом относительной толщины профиля увеличивается доля, приходящаяся на сопротивление давления.

Сопротивление трения обтекаемых тел – часть силы лобового сопротивления тела обтекаемого воздушным (жидким) потоком, которая возникает вследствие трения среды о поверхность тела, т. е. вызывается касательными к поверхности тела напряжениями. При обтекании потоком профиля крыла сопротивление трения является частью профильного сопротивления.

В качестве областей применения теории пограничного слоя упомянем о вычислении сопротивления, возникающего при обтекании тела вследствие трения
жидкости о поверхность тела (корабля, профиля крыла, фюзеляжа самолета или корпуса ракеты и т.д.). 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. 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.

Аэродинамическое сопротивление, лобовое сопротивление, сила, с которой газ (например, воздух) действует на движущееся в нём тело; эта сила направлена всегда в сторону, противоположную скорости, и является одной из составляющих аэродинамической силы. Знание лобового сопротивления необходимо для аэродинамического расчёта летательных аппаратов, так как от него зависит, в частности, скорость движения при заданных тяговых характеристиках двигательной установки. Аэродинамическое сопротивление – результат необратимого перехода части кинетической энергии тела в тепло. Зависит аэродинамическое сопротивление от формы и размеров тела, ориентации его относительно направления скорости, значения скорости, а также от свойств и состояния среды, в которой происходит движение. В реальных средах имеют место: вязкое трение в пограничном слое между поверхностью тела и средой, потери на образование ударных волн при около- и сверхзвуковых скоростях движения (волновое сопротивление) и на вихреобразование. В зависимости от режима полёта и формы тела будут преобладать те или иные компоненты аэродинамическое сопротивление. Например, для затупленных тел вращения, движущихся с большой сверхзвуковой скоростью, аэродинамическое сопротивление определяется в основном волновым сопротивлением. У хорошо обтекаемых тел, движущихся с небольшой скоростью, аэродинамическое сопротивление определяется сопротивлением трения и потерями на вихреобразование.

При безотрывном обтекании профиля сопротивление будет определяться почти полностью трением, то, очевидно, в этом случае для уменьшения сопротивления необходимо увеличивать участок ламинарного пограничного слоя. Иначе обстоит дало с плохо обтекаемыми телами, для которых характерно отрывное обтекание. Отрыв турбулентного погранслоя происходит позже, чем ламинарного, затягивание точки отрыва турбулентного слоя существенно влияет на уменьшение величины полного сопротивления плохо обтекаемых тел (таких, как шар или поперечно обтекаемый цилиндр), поскольку при отрыве потока сопротивление возрастает.

 

Гидродинамическое сопротивление, сопротивление движению тела со стороны обтекающей его жидкости или сопротивление движению жидкости, вызванное влиянием стенок труб, каналов и т.д. При обтекании неподвижного тела потоком жидкости (газа) или, наоборот, когда тело движется в неподвижной среде, Гидродинамическое сопротивление представляет собой проекцию главного вектора всех действующих на тело сил на направление движения. Гидродинамическое сопротивление

где r — плотность среды, v — скорость, S — характерная для данного тела площадь. Безразмерный коэффициент Гидродинамического сопротивления с_х зависит от формы тела, его положения относительно направления движения и чисел подобия. Силу, с которой жидкость действует на каждый элемент поверхности движущегося тела, можно разложить на нормальную и касательную составляющие, т. е. на силу давления и силу трения. Проекция результирующей всех сил давления на направление движения даёт Гидродинамическое сопротивление давления, а проекция результирующей всех сил трения на направление движения — Гидродинамическое сопротивление трения. Тела, у которых сопротивление от сил давления мало по сравнению с сопротивлением от сил трения, считаются хорошо обтекаемыми. Гидродинамическое сопротивление плохо обтекаемых тел определяется почти полностью сопротивлением давления. При движении тел вблизи поверхности воды образуются волны, в результате чего возникает волновое сопротивление.

При протекании жидкости по трубам, каналам и т.д. в гидравлике различают два вида Гидродинамическое сопротивление: сопротивление по длине, прямо пропорциональное длине участка потока, и местные сопротивления, связанные с изменением структуры потока на коротком участке при обтекании различных препятствий (в виде клапанов, задвижек и др.), а также при внезапном расширении или сужении потока или при изменении направления его течения. В гидравлических расчётах Гидродинамическое сопротивление оценивается величиной «потерянного» напора h_v, представляющего собой ту часть удельной энергии потока, которая необратимо расходуется на работу сил сопротивления.

Значение h_v по длине трубы при напорном движении вычисляется по формуле Дарси

где l — коэффициент сопротивления; l и d — длина и диаметр трубы; v — средняя скорость; g — ускорение свободного падения. Коэфф. l определяется характером течения. При ламинарном течении он зависит только от Рейнольдса числа Re (линейный закон сопротивления), а при турбулентном течении — ещё и от шероховатости стенок трубы. При очень больших Re (порядка 10 и более) l зависит только от шероховатости (квадратичный закон сопротивления). Местные Гидродинамическое сопротивление оцениваются общей формулой h_v = zv²/2g, где z, — коэффициент местного сопротивления, различный для разных препятствий; зависит от числа Re.

Числовые значения коэффициента l и z распределяются по формулам, приводимым в справочниках. Определение величины hv для открытых потоков производится также по специальным формулам. Гидродинамическое сопротивление в открытых потоках и при движении в напорных трубопроводах обусловлены одними и теми же физическим причинами.

Правильное определение величины Гидродинамическое сопротивление имеет большое значение при проектировании и постройке самых разнообразных сооружений, установок и аппаратов (гидротехнические сооружения, турбинные установки, воздухо- и газоочистительные аппараты, газо-, нефте- и водопроводные магистрали, двигатели, компрессоры, насосы и т.д.).