Отрывное течение (ОТ) – течение вязкой жидкости (газа), при котором следующий вдоль твёрдой поверхности поток жидкости отрывается от неё. Различают несколько типов ОТ: для гладкой поверхности отрыв с последующим присоединением оторвавшегося потока к поверхности и отрыв, в котором это присоединение не происходит. Кроме того, следует выделить отрыв перед и после уступа на поверхности тела, ОТ над выемкой и в донной области за телом.

Необходимое условие возникновения ОТ вязкой жидкости – повышение давления в направлении течения, то есть убывание скорости. Типичным примером такого течения при дозвуковых скоростях потока является течение у поверхности с образующими криволинейной формы (например, у профиля крыла ври больших углах атаки, сферы), в диффузоре, канале с уступом и других. При обтекании тела криволинейной формы (рисунок 1) в пределах толщины δ пограничного слоя по нормали к поверхности скорость течения убывает от значения v₀ на внешней границе слоя до v=0 на поверхности тела, а давление остаётся постоянным и равным давлению во внешнем потоке. В непосредственной близости от поверхности, где скорость течения мала, кинетическая энергия потока оказывается недостаточной для преодоления давления, повышающегося в направлении течения. В результате скорость течения становится равной нулю, а затем меняет направление на обратное. Возникновение обратного течения приводит к значительному утолщению пограничного слоя и отрыву потока от стенки. Течение в области между границей ОТ и поверхностью твёрдого тела становится вихревым. Точку S на поверхности, в которой (∂v/∂у)_y→0=0, обычно принимают за точку отрыва потока.

Рассмотренная схема возникновения ОТ при достаточно больших Рейиольдса числах Re справедлива как для сжимаемой, так и для несжимаемой среды или ламинарном или турбулентном режиме течения в пограничном слое. Так, отрыв турбулентного пограничного слоя возникает в случае, когда параметр ε=(δ*/ρv₀²)(dp/dx) превышает значения 0,015 для дозвуковых течений и 0,01 для течений, у которых число Маха М=3 (здесь δ* – толщина вытеснения пограничного слоя, ρ – плотность газа и dpldx – градиент давления в направлении течения х).

Образование области ОТ существенно влияет на аэродинамические (гидродинамические.) характеристики тел. Например, аэродинамическое сопротивление шара, движущегося с дозвуковой скоростью, в основном определяется ОТ на поверхности задней полусферы. Турбулизация ламинарного пограничного слоя изменяет профиль скорости в пограничном слое, уменьшает зону ОТ и в несколько раз уменьшает силу аэродинамического сопротивления шара. На верхней поверхности крыла самолёта при некотором угле атаки также возникает ОТ (рисунок 2), область которого с увеличением угла атаки возрастает. При этом подъёмная сила крыла сначала проходит через максимальное значение принимает α_кр, а затем быстро уменьшается. Для предотвращения отрыва потока в авиационной технике на крыле устанавливают «предкрылки» и «закрылки», увеличивающие кинетическую энергию потока в пограничном слое крыла, что позволяет увеличивать α_кр и максимальную, подъёмную силу крыла.

 

На рисунке 1 и 2 приведены примеры когерентных вихревых структур, полученных расчетным путем на компьютерах. Такое название получили крупномасштабные, в той или иной степени упорядоченные вихревые структуры, образующиеся в вихревых следах и струях. В последние годы им стали уделять большое внимание, установив, что они играют существенную роль в явлениях турбулентности.

В сверхзвуковых течениях при наличии ударных волн пересечение ударной волной поверхности с вязким пограничным слоем приводит к образованию ОТ, существенно влияющего на аэродинамические характеристики тела и его тепловой режим. Для турбулентного пограничного слоя возникновение ОТ при взаимодействии с ударной волной определяется некоторым «критическим» отношением давлений в ударной волне: p₂/p₁, где р₁ – давление во внешнем потоке перед ударной волной, а р₂ – давление за ней. Установлена эмпирическая зависимость

от числа Маха M₀ перед ударной волной и отношения k=c_р/с_v теплоёмкостей при постоянном давления (с_р) и объеме (с_v). Для ламинарного пограничного слоя величина p₂/p₁ завысит, кроме того, от числа Re.

При сверхзвуковом обтекании затупленного тела перед ним образуется отошедшая ударная волна. Если же на оси симметрии течения (рисунок 1) установить тонкую иглу 2, то при пересечении отошедшей ударной волной пограничного слоя на поверхности иглы образуется область ОТ. Потери энергии в ударной волне 4, образующейся при обтекании конической области ОТ 3, меньше, чем в отошедшей ударной волне перед торцевой поверхностью цилиндра, соответственно меньше аэродинамического сопротивления. Подробные исследования показали, что течение в отрывной зоне нестационарно: возникают пульсации давления большой интенсивности, причем тепловые потоки к элементам лобовой поверхности тела увеличиваются в несколько раз.