Техника - молодёжи 2002-11, страница 13

СТОЛЕТИЕ-И ВСЕ СНАЧАЛА?

Теорема Кутта — Жуковского не позволяет не только количественно оценить величину подобного сопротивления, но даже качественно показать основную причину и возможность его появления в условиях реальных физических процессов

Второй пример. Тихий, безветренный зимний день. Из кабины неподвижно стоящего автомобиля хорошо видно, как медленно падают с неба многочисленные пушистые снежинки. Совершая небольшие колебания, они снижаются почти вертикально и белым ковром ложатся на дорогу, капот и ветровое стекло. Но вот автомобиль трогается с места, разгоняется и движется с установившейся скоростью по прямой и пустынной дороги.

Хорошо видно, что еще за несколько метров до автомобиля снежинки резко приостанавливают свое свободное падение и начинают подниматься вверх,

значный — указанного сопротивления не должно быть! Об этом гласит, кстати, и так называемый аэродинамический парадокс Эйлера — Даламбера.

Но это всё примеры частные, хотя и яркие. В общем же случае нужно сравнить реальную картину обтекания ка-кого-либо типового по форме материального тела с соответствующими расчетными данными. При этом, для обеспечения объективности и независимости подобной оценки от субъективных факторов, целесообразно пользоваться лишь такими относительными показателями, которые минимально зависят от возможных методических и технических погрешностей.

Соответствующие эксперименты были проведены в аэродинамической трубе ЦАГИ Т-124 [4] В середине ее рабочей части, по всей ширине, с фиксированным углом атаки 6° был установлен симметричный профиль

огибая его носовую часть При этом поверхности автомобиля они нигде не касаются (рис. 2, справа показано движение снежинок в земной системе координат). Следовательно, с учетом конечности массы каждой снежинки и в соответствии с известными базовыми положениями механики, нетрудно выделить следующую цепочку причинно-следственных связей: наблюдаемое движение каждой снежинки связано с определенными затратами энергии, часть которой теряется необратимо, а значит — компенсируется за счет внешней энергии (получаемой от сгораемого в двигателе автомобиля топлива). Соответственно, на автомобиль должно действовать соответствующее суммарное сопротивление, обусловленное данными энергозатратами.

При этом ни оптимальная форма автомобиля, ни отсутствие пограничного слоя на его поверхности (к примеру, за счет обеспечения отсоса) не могут устранить причину подобного сопротивления. Она связана, как нетрудно заметить, с конечными геометрическими размерами и формой обтекаемого потоком материального тела.

Между тем, согласно классической теории, результат получается одно

NASA 65-015-М. Продувки проводились с тремя скоростяти потока 17, 34 и 80 м/с, соответствующих весьма малым числам М — 0,05, 01 и 0,23 (напомню, что числом Маха, М, называется отношение скорости полета к скорости звука в воздухе или скорости распространения малых возмущений). На каждой из указанных скоростей в 180 заранее выбранных контрольных точках в пространстве вокруг профиля определялись величина и направление (угол скоса) местной скорости потока. Ставилась задача — опытным путем оценить чувствительность указанных параметров к изменению числа М. Влияние вязкости воздуха было минимальным на всех режимах благодаря плавному, бес-срывному и установившемуся характеру потока

Что же получилось?

Во-первых, даже в рассмотренной области весьма малых чисел М, где сжимаемость НИКОГДА не учитывалась, наблюдается существенное изменение картины его течения. В количественном выражении увеличение числа М всего на 0,1 приводит к изменению некоторых параметров потока на несколько десятков процентов.

Во-вторых, зависимость каждого параметра от числа М применительно к каждой контрольной точке имеет индивидуальный, причем иногда весьма сложный, характер (включая изменение знака поправки)

В-третьих, подобные изменения картины течения потока определенным образом должны сказаться на параметрах силового взаимодействия обтекаемого тела с потоком.

Все эти выводы явно не согласуются с известными положениями классической теории, в соответствии с которыми при столь малых числах М воздух представляется несжимаемой средой, а все параметры потока и характеристики силового взаимодействия его с обтекаемым телом считаются практически неизменными — не более 3% отклонения.

Вместе с тем следует отметить, что в проведенных опытах один показатель — коэффициент подъемной силы С» — демонстрирует требуемую сходимость опытных и рассчитанных по классической теории результатов. Что ж, не случайно классическая аэродинамика продержалась почти век, но сейчас сходимости только по одному параметру уже мало...

По результатам экспериментов мы сделали следующие выводы:

— одной из главных причин несогласованности расчетных результатов с опытными данными является несовершенство известной теории в части адекватного учета влияния сжимаемости реальных газов (воздуха) на все особенности реальных физических процессов;

— в рамках принятого в классической теории методического подхода устранить указанную причину чрезвычайно сложно.

Именно с учетом этих выводов была признана целесообразной разработка новой базовой теории

КВАНТОВАЯ АЭРОДИНАМИКА.

Итак, если факты не соответствуют прежней теории, нужна новая. При ее разработке использован нетрадиционный методический подход, который условно можно назвать энергетическим (квантовым). Он предусматривает определение кинематических параметров движения потока на основе предварительного моделирования динамического процесса энергообмена между обтекаемым телом и окружающей средой. Такой подход выбран после анализа следующей логической цепочки причинно-следственных связей:

— любая находящаяся в таком потоке и имеющая конечную массу частица среды совершает направленное (то есть не хаотичное и с определенным вектором скорости) движение относительно невозмущенной среды в целом

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 112 0 0 2

11