|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Подъемная сила. Эффект Коанде |
 |
Подъемная сила. Эффект Коанде
Анимация
Описание
Подъёмная сила - составляющая полной силы давления жидкой или газообразной среды на движущееся в ней тело, направленная перпендикулярно к скорости тела (к скорости центра тяжести тела, если оно движется непоступательно). Возникает подъемная сила вследствие несимметрии обтекания тела средой. Например, при обтекании крыла самолёта (рис. 1) частицы среды, обтекающие нижнюю поверхность, проходят за тот же промежуток времени меньший путь, чем частицы, обтекающие верхнюю, более выпуклую поверхность и, следовательно, имеют меньшую скорость. Но, согласно Бернулли уравнению, там, где скорость частиц меньше, давление среды больше и наоборот. В результате давление среды на нижнюю поверхность крыла будет больше, чем на верхнюю, что и приводит к появлению подъемной силы.
Подъемная сила – сила, перпендикулярная вектору скорости движения центра тяжести тела, возникающая вследствие несимметрии обтекания тела потоком жидкости (газа). В двумерной модели движения крыла в идеальной и несжимаемой жидкости (рис. 1) несимметричное движение жидкости у границ крыла можно представить как сумму поступательного движения со скоростью v и циркуляционного движения интенсивностью Г. В суммарном течении при выбранном направлении циркуляции скорость v нижней границы профиля будет меньше, а давление больше, чем у верхней.
Схема обтекания профиля крыла самолёта. Скорость vн < vв давление рн > рв.
Рис. 1.
Подъемную силу можно выразить равенством:
где S – величина характерной для тела площади, Су – безразмерный коэффициент подъемной силы, зависящий в общем случае от формы тела, его ориентации в среде и чисел Рейнольдса Re и Маха М. Значение Су определяют теоретическим расчётом или экспериментально.
Несимметричное обтекание крыла можно представить как результат наложения на симметричное течение циркуляционного потока вокруг контура крыла, направленного на более выпуклой части поверхности в сторону течения, что приводит к увеличению скорости, а на менее выпуклой — против течения, что приводит к её уменьшению. Тогда подъемная сила Y будет зависеть от величины циркуляции скорости Г и, согласно Жуковского теореме, для участка крыла длиной L, обтекаемого плоскопараллельным потоком идеальной несжимаемой жидкости,
,
где r — плотность среды, u — скорость набегающего потока.
В реальной жидкости в результате влияния вязкости величина m меньше теоретической, причём эта разница возрастает по мере увеличения относительной толщины профиля; значение угла a0 также меньше теоретического. Кроме того, с увеличением угла a зависимость Су от a (рис. 2), перестаёт быть линейной и величина dСy/da монотонно убывает, становясь равной нулю при угле атаки aкр, которому соответствует максимальная величина коэффициента подъемной силы — Сymax. Дальнейшее увеличение а ведёт к падению су вследствие отрыва пограничного слоя от верхней поверхности крыла. Величина Сymax имеет существенное значение, т.к. чем она больше, тем меньше скорость взлёта и посадки самолёта.
Зависимость Су от a.
Рис.2.
При больших, но докритических скоростях, т. е. таких, для которых М < Мкр (Mкp — значение числа М набегающего потока, при котором вблизи поверхности профиля местные значения числа М = 1), становится существенной сжимаемость газа. Для слабо изогнутых и тонких профилей при малых углах атаки сжимаемость можно приближённо учесть, положив
, 
.
Ключевые слова
Области техники и экономики
Используемые естественнонаучные эффекты
Разделы естественных наук используемых естественнонаучных эффектов
Применение эффекта
Эффект широко используется при проектировании и эксплуатации летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, крылатых ракет, а также судов на подводных крыльях и подводных лодок).
Подъемная сила - составляющая полной аэродинамической силы, направленная перпендикулярно набегающему потоку. Сила сопротивления - составляющая полной аэродинамической силы, направленная параллельно набегающему потоку.
Проще всего почувствовать процесс образования подъемной силы с помощью плоской пластины. Меняя положение пластины относительно потока воздуха, Вы получите различные комбинации сил.
Подъемная сила и сила сопротивление для тел различной формы
Рис.1.
Реализации эффекта
Эффект Коанды — физическое явление, названное в честь румынского учёного Генри Коанды, который в 1932 году обнаружил, что струя жидкости, вытекающая из сопла, стремится отклониться по направлению к стенке и при определенных условиях прилипает к ней. Это обьясняется тем, что боковая стенка препятствует свободному поступлению воздуха с одной стороны струи, создавая вихрь в зоне пониженного давления. Аналогично и поведение струи газа. На основе этого эффекта строится одна из ветвей пневмоники (струйной автоматики).
Реализация:
Струя воздуха может быть либо свободной (ограниченной окружающим воздухом), либо ограниченной (стеснённой, ограниченной препятствиями со всех сторон), либо настилающей. Если пренебречь вязкостью, то на границе струи скорость воздуха должна быть равна 0. Для расчётов за границу струи обычно берут поверхность, где скорость равна 0,2 м/с.
Настилающая струя — это полуограниченная струя, и она всегда развивается только вдоль поверхности ограждения. Дальность распространения настилающей струи увеличивается приблизительно в 1,2 раза по сравнению со стеснённой струей. То есть струя, которая настилается на потолок или любую другую поверхность, имеет большую дальнобойность при остальных одинаковых условиях, чем струя не ненастилающая.
Этот эффект создается за счёт зоны пониженного давления возле поверхности (струя прилипает к поверхности и движется по ней).
.gif)
При сверхзвуковых скоростях характер обтекания существенно меняется. Так, при обтекании плоской пластины у передней кромки на верхней поверхности образуются волны разрежения, а на нижней — ударная волна (рис. 1). В результате давление рн на нижней поверхности пластины становится больше, чем на верхней (рв); возникает суммарная сила, нормальная к поверхности пластины, составляющая которой, перпендикулярная к скорости набегающего потока, и есть подъемная сила. Для малых М > 1 и малых a подъемная сила пластины может быть вычислена по формуле
.
Эта формула справедлива и для тонких профилей произвольной формы с острой передней кромкой.
Схема сверхзвукового обтекания пластинки: nв > n1, рв < p1; n2 < nв, р2 > рв; nн < n1, рн > n1; n3> nн, p3 < рн.
Рис. 1.
Литература
1. Жуковский Н.Е. О присоединенных вихрях, Избр. соч., т. 2 - М. — Л.: 1948.
2. Лойцянский Л. Г., Механика жидкости и газа, 2 изд. - М.: 1957.
3. Голубев В. В. Лекции по теории крыла - М. — Л.: 1949.
4. Ферри А. Аэродинамика сверхзвуковых течений, пер. с англ. - М.: 1953.
