Перетащите кризис

В гидродинамике ( кризис сопротивления также известный как парадокс Эйфеля) ^[1]) — это явление, при котором коэффициент сопротивления внезапно падает по мере увеличения числа Рейнольдса . Это хорошо изучено для круглых тел, таких как сферы и цилиндры . Коэффициент сопротивления сферы будет быстро меняться примерно от 0,5 до 0,2 при числе Рейнольдса в диапазоне 300000. Это соответствует точке, где картина потока меняется, оставляя более узкий турбулентный след. Поведение сильно зависит от небольших различий в состоянии поверхности сферы.

История

Кризис сопротивления наблюдался в 1905 году. ^{[ нужна ссылка ]} Николая Жуковского , который догадался, что этот парадокс можно объяснить отрывом линий тока в разных точках сферы на разных скоростях. ^[2]

Позже парадокс был независимо открыт в экспериментах Гюстава Эйфеля. ^[3] и Шарль Морен. ^[4]После выхода на пенсию Эйфеля он построил первую аэродинамическую трубу в лаборатории, расположенной у подножия Эйфелевой башни , для исследования ветровых нагрузок на конструкции и первые самолеты. В серии испытаний он обнаружил, что силовая нагрузка резко снижается при достижении критического числа Рейнольдса.

Парадокс был объяснен на основе теории пограничного слоя немецким специалистом по гидродинамике Людвигом Прандтлем . ^[5]

Объяснение

Кризис сопротивления связан с переходом от ламинарного к турбулентному течению в пограничном слое, прилегающем к объекту. Для цилиндрических структур этот переход связан с переходом от хорошо организованного вихреобразования к хаотизированному характеру образования вихрей для сверхкритических чисел Рейнольдса, в конечном итоге возвращаясь к хорошо организованному срыву при более высоком числе Рейнольдса с возвратом к повышенным коэффициентам силы сопротивления.

Сверхкритическое поведение может быть описано полуэмпирически с использованием статистических средств или с помощью сложного программного обеспечения для вычислительной гидродинамики (CFD), которое учитывает взаимодействие жидкости со структурой для данных условий жидкости, используя моделирование больших вихрей (LES), которое включает динамические смещения. структуры (DLES) [11]. Эти расчеты также демонстрируют важность коэффициента блокировки, присутствующего для интрузивных фитингов при испытаниях на поток в трубах и в аэродинамической трубе.

Критическое число Рейнольдса является функцией интенсивности турбулентности, профиля скорости вверх по течению и стеновых эффектов (градиентов скорости). Полуэмпирические описания кризиса сопротивления часто описываются с точки зрения полосы пропускания Струхаля, а образование вихрей описывается широкополосным спектральным содержанием.

Ссылки

^ Биркгоф, Гаррет (2015). Гидродинамика: исследование логики, фактов и подобий . Издательство Принстонского университета. п. 41. ИСБН 9781400877775 .
^ Жуковский, Н.Е. (1938). Собрание сочинений Н.Е.Жуковского . п. 72.
^ Эйфель Г. О сопротивлении сфер в движущемся воздухе, 1912 г.
^ Туссен, А. (1923). Лекция по аэродинамике (PDF) . Технический меморандум NACA № 227. с. 20.
^ Прандтль, Людвиг (1914). «Воздуховое сопротивление пуль». Новости Общества наук в Геттингене : 177–190. Перепечатано в Толлмиен, Уолтер; Шлихтинг, Герман; Гертлер, Генри; Ригельс, Ф.В. (1961). Людвиг Прандтль Сборник трактатов по прикладной механике, гидродинамике и аэродинамике . Шпрингер Берлин Гейдельберг. дои : 10.1007/978-3-662-11836-8_45 . ISBN 978-3-662-11836-8 .

Дополнительное чтение

Фунг, ЮК (1960). «Колебательная подъемная сила и сопротивление, действующие на цилиндр в потоке при сверхкритических числах Рейнольдса», J. Aerospace Sci., 27 (11), стр. 801–814.
Рошко, А. (1961). «Эксперименты по обтеканию круглого цилиндра при очень высоком числе Рейнольдса», J. Fluid Mech., 10, стр. 345–356.
Джонс, GW (1968). «Аэродинамические силы на неподвижном и колеблющемся круглом цилиндре при высоких числах Рейнольдса», Симпозиум ASME по нестационарному потоку, отдел гидротехники. , стр. 1–30.
Джонс, Г.В., Синкотта, Дж.Дж., Уокер, Р.В. (1969). «Аэродинамические силы на неподвижном и колеблющемся круглом цилиндре при высоких числах Рейнольдса», Отчет НАСА TAR-300, стр. 1–66.
Ахенбах, Э. Хайнеке, Э. (1981). «О вихреобразовании из гладких и шероховатых цилиндров в диапазоне чисел Рейнольдса от 6x103 до 5x106», J. Fluid Mech. 109, стр. 239–251.
Шеве, Г. (1983). «О флуктуациях силы, действующих на круглый цилиндр в поперечном потоке от докритических до закритических чисел Рейнольдса», J. Fluid Mech., 133, стр. 265–285.
Кавамура Т., Накао Т., Такахаши М., Хаяси Т., Мураяма К., Гото Н. (2003). «Синхронные колебания круглого цилиндра в поперечном потоке при сверхкритических числах Рейнольдса», ASME J. Press. Vessel Tech., 125, стр. 97–108, DOI: 10.1115/1.1526855.
Здравкович, М.М. (1997). Обтекание круглых цилиндров, Том I, Оксфордский университет. Нажимать. Перепечатка 2007 г., с. 188.
Здравкович, М.М. (2003). Обтекание круглых цилиндров, Vol. II, Оксфордский университет. Нажимать. Перепечатка 2009 г., с. 761.
Бартран, Д. (2015). «Поддержка гибкости и собственных частот защитных гильз, монтируемых на трубах», ASME J. Press. Весс. Техн., 137, стр. 1–6, DOI:10.1115/1.4028863.
Боттерилл, Н. (2010). «Моделирование взаимодействия с жидкостной структурой кабелей, используемых в строительных конструкциях», докторская диссертация ( http://etheses.nottingham.ac.uk/11657/ ), Ноттингемский университет.
Бартран, Д. (2018). «Кризис сопротивления и конструкция защитной гильзы», J. Press. Весь. Тех. 140(4), 044501, статья № ПВТ-18-1002. ДОИ: 10.1115/1.4039882.

Внешние ссылки

«Моделирование кризиса сопротивления сферы с использованием граничных условий поверхностного трения» (PDF) . Проверено 24 октября 2008 г.
«Обтекание цилиндра: нестабильность слоя сдвига и кризис сопротивления» (PDF) . Проверено 24 октября 2008 г.

[1] Биркгоф, Гаррет (2015). Гидродинамика: исследование логики, фактов и подобий . Издательство Принстонского университета. п. 41. ИСБН 9781400877775 .

[2] Жуковский, Н.Е. (1938). Собрание сочинений Н.Е.Жуковского . п. 72.

[3] Эйфель Г. О сопротивлении сфер в движущемся воздухе, 1912 г.

[4] Туссен, А. (1923). Лекция по аэродинамике (PDF) . Технический меморандум NACA № 227. с. 20.

[5] Прандтль, Людвиг (1914). «Воздуховое сопротивление пуль». Новости Общества наук в Геттингене : 177–190. Перепечатано в Толлмиен, Уолтер; Шлихтинг, Герман; Гертлер, Генри; Ригельс, Ф.В. (1961). Людвиг Прандтль Сборник трактатов по прикладной механике, гидродинамике и аэродинамике . Шпрингер Берлин Гейдельберг. дои : 10.1007/978-3-662-11836-8_45 . ISBN 978-3-662-11836-8 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]