|
разрывов (см. также Струйных течений теория). Большой вклад в разработку этого
направления был сделан лордом Рэлеем. В результате его исследований вычислены
коэффициент сопротивления некоторых простых тел, например, пластины,
установленной под углом к направлению потока. Эта теория хотя и объясняла
причину появления сопротивления и позволяла получать количественные результаты
для простейших случаев, которые, правда, не согласовывались с
экспериментальными данными, но не решала проблемы сопротивления в целом;
оставалось ещё много неясных вопросов: что вызывает сход линий тока с
поверхности тела, когда и при каких условиях реализуется безотрывная и отрывная
схема течения и т. д.
В конце этого периода созрели объективные условия для зарождения и развития
теории полёта и были проведены достаточно обширные экспериментальные
исследования, например О. Лилиенталем, в натурных условиях и на
аэродинамических установках по сравнительному анализу аэродинамических свойств
различных тел. Несмотря на значительный прогресс в теоретических и
экспериментальных исследованиях, основные проблемы А. — проблема сопротивления
и проблема подъёмной силы — оставались ещё нерешёнными.
Начало периода современной аэродинамики обычно связывают с первыми
аэродинамическими исследованиями Ф. Ланчестера, относящимися к 1891, а также с
работами Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина и Л. Прандтля. Ланчестер был
инженером-практиком и результаты своих исследований, по его словам, излагал «на
простом английском языке без математических украшении», но современники его не
понимали из-за сложного характера подачи материала. Результаты исследований
Ланчестера были опубликованы только в 1907. Запоздалое опубликование этих
результатов стало причиной того, что его идеи не оказали существенного влияния
на развитие А., а были выдвинуты и разработаны независимо от него другими
учёными.
Идея о циркуляции скорости Г пак причине создания подъёмной силы была выдвинута
Жуковским (1906); им была доказана теорема (см. Жуковского теорема), согласно
которой Y = QV{{?}}Г. Принципиальное значение этой теоремы состоит в том, что
создание подъёмной силы она связывает с наличием циркуляции скорости вокруг
профиля или, иными словами, с интенсивностью вихря присоединенного. Но в
идеальной жидкости образование вихрей невозможно, следовательно, это явление
должно быть связано с проявлением неидеальных свойств среды — её вязкостью.
Поэтому теорема Жуковского позволяет рассчитывать значение подъёмной силы по
заданной циркуляции Г, но само значение Г оставляет произвольным. Для получения
искомого решения в рамках идеальной жидкости необходимо наложить дополнительное
условие, которое было предложено Чаплыгиным и впервые использовано Жуковским
для расчёта подъёмной силы профиля крыла под углом атаки (см. Чаплыгина —
Жуковского условие). Оно состоит в требовании конечности скорости на острой
задней кромке профиля. Т. о., проблема подъёмной силы, возникающей при
обтекании аэродинамического профиля, была принципиально разрешена, а
разработанные в последующие годы методы расчёта позволяли проводить её оценку
для конкретных условий.
Первая попытка распространения вихревой теории на случай крыла конечного
размаха была предпринята Ланчестером; она получила признание в научном мире и
связала его имя с этой проблемой. Правда, независимо от него эта идея была
высказана и разработана математически Жуковским (1912) применительно к гребному
винту, а в завершённом виде теория крыла конечного размаха была создана
Прандтлем (1918). При решении этой задачи предполагалось, что с задних острых
кромок лопасти или крыла в поток дискретно или непрерывно сходят вихри, которые
образуют за телом соответственно систему вихрей свободных или вихревую пелену.
Характеристики завихренности при тех или иных предположениях связываются с
геометрическими характеристиками лопасти или крыла, а в рамках теории идеальной
жидкости разработанные эффективные методы построения поля скоростей по
заданному полю завихренности позволяют рассчитать аэродинамические
характеристики обтекаемого тела (см., например, Крыла теория); в частности,
было показано, что коэффициент индуктивного сопротивления сxi{{?}}с2y, где су —
коэффициент подъёмной силы (см. Аэродинамические коэффициенты). Результаты
расчётов по этим теориям достаточно хорошо согласуются с экспериментом для
«хорошо обтекаемых» тел с острой задней кромкой.
В этот период проблема сопротивления по прежнему находилась в центре внимания
исследователей. Решающий вклад в её разрешение был внесён в начале XX в.
Прандтлем. В 1904 он показал, что даже для очень маловязких жидкостей, какими
являются воздух и вода, силы трения необходимо учитывать, но лишь в тонком
пристеночном слое, в котором наблюдаются большие нормальные градиенты скорости,
а потому инерционные силы и силы трения имеют одинаковый порядок. Таким образом,
задачу об обтекании тела потоком вязкой жидкости при больших числах Рейнольдса
Прандтль свёл к решению двух более простых задач; задачи об обтекании тела
потоком идеальной жидкости, описываемой системой уравнений Эйлера, и задачи о
течении вязкой жидкости в пограничном слое, описываемой полученными им
уравнениями, которые в математическом отношении проще уравнений Навье — Стокса,
а при их решении распределения давления и скорости на внешней границе
пограничного слоя являются известными функциями. Пограничный слой, образующийся
на поверхности тела, всюду тонок и в первом приближении не оказывает влияния на
внешний потенциальный поток. Однако в областях с положительным градиентом
давления ситуация может существенно измениться: пристеночные частицы жидкости
могут затормаживаться и даже двигаться в направлении, не совпадающем с
направлением потока на внешней границе пограничного слоя. В результате этого
возникает отрыв пограничного слоя, потенциальное течение оттесняется от
|
|