Grenselagsseparasjon

Den separasjon av grensesjikt er en effekt som kommer opp rundt et legeme som beveger seg i en væske når det grensesjiktet fluidum, ikke følge konturene av kroppen.

To typer separasjoner

Det er separasjon (eller løsrivelse) av grenselaget som utvikler seg på et legeme når de nåværende linjene som omgår dette legemet ikke lenger følger veggen til dette legemet. Dette kan skje:

Hvis kroppen presenterer en geometrisk diskontinuitet (former som er for brå eller kantete): man snakker da om "inertiseparasjon" ;
Hvis kroppens former er tilstrekkelig strukket, blir grenselaget konfrontert med en ugunstig trykkgradient. Dette blir da referert til som "trykkgradient" separasjon.

Den første typen separasjon (eller løsrivelse) observeres på baksiden av et legeme som ender brått (med en skarp seksjon), som det sylindriske skroget til en rakett som ender med en base. Ettersom strømlinjeformene som løper langs denne flykroppen ikke kan ta en vinkling, fortsetter de rett frem av treghet. Det samme fenomenet oppstår når et flatt legeme blir hulet ut av et hulrom: de nåværende linjene passerer over dette hulrommet (uten å gå ned dit) og finner kroppens vegg nedstrøms fra det.

Den andre typen separasjon kan forekomme selv når kroppsoverflaten har svært liten krumning (for eksempel på baksiden av en vingeprofil). Denne typen var vanskeligere for den tidlige væskemekanikken å forstå; Ludwig Prandtl forklarte det om kulen og sylinderen dra krise .

Treghetsskille på skarpe kanter

Det enkleste eksemplet på denne typen er løsrivelsen av grenselaget som oppstår når du krysser ryggen på bunnen av en tung lastebiltilhenger: strømmen kan ikke ta denne rettvinklede svingen, så den fortsetter hele veien. Rett ved treghet , forlater en sone med dødt trykk med lavt trykk bak på tilhengeren. Et annet eksempel er løsrivelsene på stigende og synkende trinn (første bilde i galleriet nedenfor). Animasjonen av en vannstrøm i sand (andre bilde) gir et eksempel på løsrivelsen nedstrøms for et nedadgående trinn.

Det faktum at strømmen tar av treghet på en skarp kant, betyr imidlertid ikke at den ikke kan feste seg litt lenger nedstrøms til overflaten av kroppen (vi sier også "å re-stick" eller "to re-stick" ). Dette er hva vi observerer på trinnene opp og ned og i det andre tilfellet av det andre bildet under (2D-strømning på en femkant), hvor strømmen festes på nytt like før ryggen etter den som skapte løsrivelse (dette på tverrgående Reynolds 10.000).

Denne typen treghetsskille observeres også når man krysser de skarpe kantene på frontflatene til tunge lastebiler. Frakobling når du krysser disse skarpe kantene, gir opphav til en lomme med dødt vann umiddelbart nedstrøms for frontflaten, og denne lommen øker bredden sett av strømmen av kjøretøyet og forringer lyden . Dannelsen av disse lommene med dødt vann forhindres ved å montere viderekoblingsvinger som forsyner disse lommene med lavtrykk dødvann med overtrykksluft fanget foran på kjøretøyet (tredje bilde nedenfor, i høye). Et gjeldende resultat vises på det fjerde bildet. $C_x$

Som Hoerner påpeker i sin bok Drag , er omdirigeringsskovlene plassert foran på kroppen, i tillegg til å forhindre dannelse av lommer med dødt vann, gjenstand for aerodynamiske krefter som har en tendens til å trekke kjøretøyet fremover (som sådan reduser derfor motstanden ytterligere).

Det nedre galleribildet illustrerer lommen med dødt vann som dannes umiddelbart nedstrøms det flate hodet til en sylinder plassert aksialt i en strøm. Denne sylinder med en flathodet oppfører seg som en stigende trinn omdreinings: lommen på dødt vann som dannes blir hevet fra 1,5 til 1,6 diametre lang ved Reynolds går fra til . ${\ displaystyle 6 \; 10 ^ {4}}$ ${\ displaystyle 5 \; 10 ^ {5}}$

Løsrivelse på stigende og synkende trinn.
Eksempel på løsrivelse nedstrøms for et trinn nedover.
Flyt på seksjonen av en femkant i henhold til presentasjonen, på tvers av Reynolds 10 000 (legg merke til vedlegget til den andre presentasjonen).
Viderekoblingsvinger på dårlig profilerte 2D-kropper, ifølge Hoerner, med eller uten vinger er indikert. $C_x$
Viderekoblingsvifte plassert foran på en lastebil.
Lomme med dødt vann nedstrøms det flate hodet til en sylinder presentert aksialt.

Det samme fenomenet med treghetsskille med gjeninnfesting nedstrøms oppstår når et profilert legeme blir hulet ut av et hull eller et hulrom: strømlinjene passerer over dette hulrommet (uten å falle ned i det) og festes på nytt til veggen. Av kroppen umiddelbart nedstrøms hulrommet. Hoerner indikerer på side 89 i den franske utgaven av sitt arbeid Drag at "de sylindriske hullene boret i skinnet på et fly viser en relativt liten luftmotstand, tilsvarende en dragkoeffisient i størrelsesorden ( som er basert på delen av hullet , eller hvis det er et hull med diameter ) ”. ${\ displaystyle C_ {x \ pi D ^ {2} / 4} = 0.01}$ ${\ displaystyle C_ {x \ pi D ^ {2} / 4}}$ $C_x$ ${\ displaystyle \ pi D ^ {2} / 4}$ $D$

Fenomenet treghetsskille forekommer også over rektangulære hulrom som er gjennomboret i et fly; arbeidet til forskjellige forskere indikerer at disse rektangulære hulrommene har en vinge som kan være 4 til 6 ganger sterkere enn den lokale friksjonskoeffisienten, da den ville blitt målt i fravær av hulrommet. Denne multiplikasjonskoeffisienten (4 til 6) avtar også for dypere hulrom på grunn av installasjonen av et system med faste virvler. $C_x$ ${\ displaystyle C_ {f}}$

Tetninger til bildører og bakluker er eksempler på slike hulrom over hvilke løsrivelse av treghetsstrømmer forekommer, samt i større skala bilhjulbuer (foran og bak).

Strømmen over slike hulrom kan forbedres noe ved å avrunde nedstrømsryggen (men den blir sterkt forringet hvis oppstrømsryggen er avrundet).

Et annet eksempel på treghet er løsrivelse frontruten som skjer nedstrøms frontruten til en cabriolet: strømmen passerer over kupeen (åpen) og passasjerer.

Trykkgradient separasjon

Laminær (eller turbulent) separasjon

Den nedstrøms strømmen av en kropp (en vinge, en profilert kropp eller ikke) skaper generelt et laminært grenselag. En gang forbi kroppens hovedmoment øker imidlertid trykkoeffisienten til strømmen når man nærmer seg kroppens rumpe for å nå omgivelsestrykk. Det vil si at trykkgradienten er positiv. Vi sier at denne trykkgradienten er ugunstig , i den grad trykket i grenselaget er sterkere nedstrøms enn oppstrøms (de øker nedstrøms: dette kalles kompresjon ). Følgelig er det lokale trykket på et gitt punkt av grenselaget på overflaten av legemet derfor noe lavere enn trykket lenger nedstrøms. Dette lette overstrøms nedstrøms kan da føre til inntrengning av nedstrøms trykk under grenselaget, som får det til å løsne seg.

Hvis denne separasjonen har skjedd i (eller under) et laminært grenselag, kalles det laminær separasjon (eller laminær separasjon ).

Dette er tilfelle, hvis grenselaget har gjort sin overgang fra det laminære regimet til det turbulente regimet (vi sier da at grenselaget er turbulent ), er dette turbulente grenselaget dannet av mange små virvler. Når vi måler gjennomsnittshastigheten i det turbulente grenselaget, finner vi en profil mye "fyldigere" enn profilen til det laminære grenselaget (nær kroppen er hastigheten på det turbulente grenselaget betydelig høyere). De små virvlene i det turbulente grenselaget er derfor utstyrt med mer kinetisk energi enn de (roligere) laminære trådene i det laminære grenselaget. Dermed motstår de bedre inntrenging av den ugunstige trykkgradienten som kommer fra nedstrøms, og det turbulente grenselaget motstår også løsrivelse bedre (hvis det er løsrivelse, vil det skje lenger nedstrøms). Vi snakker da om turbulent separasjon eller turbulent separasjon .

For enkelhets skyld sies det noen ganger på en mnemonisk måte at det turbulente grenselaget er "mer tyktflytende" (det fester seg bedre til kroppen).

Dette komplekse fenomenet ble først forklart av Ludwig Prandtl om sfæren og sylinderenes krise : overgangen av grenselaget fra det laminære regimet til det turbulente regimet på overflaten av disse legemene overføres lenger nedstrøms. Løsningen av grenselaget, som produserer den ganske kontraintuitive effekten at når strømningshastigheten øker, reduseres Cx (og til og med dra).

Det er viktig å huske at separasjon (eller løsrivelse) av grenselaget med trykkgradient på ingen måte er et treghetsfenomen; Vi kan til og med si at det er fordi grenselaget mangler treghet (det går ikke raskt nok) at det ikke kan motstå inntrenging av ugunstig trykkgradient.

Trykkgradient separasjonskontroll på vingene

På en flyfløy skjer løsrivelsen av grenselaget først ved bakkanten og utvikler seg deretter mot forkanten , med fare for å påvirke hele vingekorden og forårsake stall .

Ved å bruke turbulatorer er det mulig å forutse overgangen av grenselaget fra dets laminære regime til dets turbulente regime. Den turbulente tilstanden til grenselaget gir mer kinetisk energi til væskepartiklene, spesielt nær veggen. Det turbulente grenselaget er derfor mer motstandsdyktig mot inntrenging under det av den ugunstige trykkgradienten, som forhindrer dannelsen av en separasjonsboble og løsrivelse. Men siden størrelsen på turbulensboblen avhenger av innfallsvinkelen, er det vanskelig å identifisere den optimale plasseringen for å plassere turbulatorene på vingeflaten.

Eksempler på biler

I diagrammet på motsatt side, nedstrøms separasjonspunktet (A) til venstre , dannes en virvel-sone (i lyseblå, i blått ) mellom den laminære strømmen (i blått, strømlinjene ) og kroppen (i svart). Betegnet (B)). Fra separasjonspunktet (A) til venstre forbinder den laminære strømmen imidlertid kroppens overflate på et annet punkt (C) og passerer over vortexsonen (B) (kalt den turbulente boblen ). Punktet (C) kalles reattachment point . Legg merke til likheten med boblen som dannes foran trinnet oppover (bildet presentert ovenfor).

Ved bunnen av bilen oppstår en annen løsrivelse (eller separasjon av grenselaget), på punkt (A) til høyre. Denne klassiske løsrivelsen kalles en basisavdeling eller dødvannsone .

Hvis dannelsen av den turbulente boblen (B) ikke er veldig straffende for bilen, gir den veldig store sonen med dødt vann som dannes ved basen, en veldig sterk motstand (som er preget av de base), dette fordi dette dødvannssonen er i en sterk depresjon, som trekker bilen tilbake. VSx{\ displaystyle C_ {x}} $C_x$

Hvis man ikke ser bort fra det åpenbare tilfellet med grenselagsseparasjon over det åpne passasjerrommet til en konvertibel topp-topp, er det fortsatt mange strømningsavdelinger (eller grenselagskillinger) på kjøretøyets overflate.

over grillen hvis vinkelen med frontdekselet er for skarp;
under den fremre støtfangeren, også hvis vinkelen med bunnen av bilen er for skarp;
langs stolpene på frontruten der det utvikler seg to koniske virvler som sammen bidrar med ~ 5% til kjøretøyets verdi; ${\ displaystyle C_ {x}}$
så vel som overalt, i flyten, der det er stigende eller synkende trinn , til og med av lav høyde, (trinn dannet av dørstolpene med vinduene).

Alternativ separasjon av grenselag

Strømmen av en væske rundt visse dårlig profilerte kropper (uendelig sirkulær sylinder presentert frontalt, også uendelige prismer, vinger ved 90 ° forekomst osv.) Er preget av den alternative separasjonen av grenselagene (styrbord og babord) i form av en Bénard-Karman boblebad . Grenselagene er faktisk viklet opp vekselvis for å gi opphav til virvler med akser parallelt med sylinderen og prismerne, og hver virvel skaper forhold for fødselen av en annen virvel på den andre siden av sylinderen eller prismer. Frekvensen som disse virvlene sendes ut er avbildet av et dimensjonsløst tall , Strouhal-tallet .

De vekslende løsrivelsene av grenselagene kan være en kilde til aerodynamisk støy eller til og med for sykliske krefter som fremkaller en farlig vibrasjon av det aktuelle legemet.

Bruker og kontrollerer

Når piloten til en flyplass (fly, seilfly) ønsker å redusere farten, bruker han (mer eller mindre) luftbremsene. Disse fører til at grenselaget løsner med dannelsen av en lavt trykk dødvannssone nedstrøms for bremsen, dette lave trykket øker luftmotstanden betydelig.

I sin avhandling beviste Keith Koenig at fordelen av en sirkulær sylinder i diameter kunne passere fra til ved å installere en forløperplate med diameter mellom og foran forsiden av denne sylinderen (forløperplaten holdes av en aksel med liten diameter) . Den toriske virvelen som legger seg mellom forløperplaten og forsiden av sylinderen (bildet motsatt) skaper et slags transportbånd som strømlinjeformer helheten. $C_x$ $D_ {2}$ ${\ displaystyle 0.7}$ ${\ displaystyle \ ca 0.01}$ ${\ displaystyle D_ {1} = 0,75D_ {2}}$ ${\ displaystyle 0.25}$ ${\ displaystyle 0.50D_ {2}}$

En annen bruk av grenselagavdelinger er opprettelsen, på baksiden av tunge lastebiler, av basen i påfølgende trinn. Som i Koenigs arbeid, legger toriske virvler seg permanent i konkaviteten som er skapt av hvert trinn, og oppfører seg som transportbånd som sikrer innsnevring av strømlinjene bak den tunge vekten.

Ulike prosesser kan føre til eliminering eller begrensning av avgrensning av grenselag, passive prosesser (installasjon av turbulatorer, avbøyere eller omdirigeringsventiler) og aktive prosesser (blåsning av grenselaget, piezoelektriske enheter, etc.)

Innføring av Reynolds-nummeret

Som vanlig i fluidmekanikk er det igjen et dimensjonsløst tall , Reynolds-tallet , som styrer alle tilfellene nevnt i denne artikkelen. Her igjen kan vi si "På samme Reynolds-nummer, samme flyt på samme form". Det vil si at ved samme Reynolds-tall vil to strømmer på samme form vise den samme tendensen til løsrivelse av grenselaget (eller til ikke-løsrivelse).

Merknader og referanser

Jean-Christophe Robinet, Grenselaget i aerodynamikk, ue: Fundamental Aerodynamics, kapittel 3, Arts et Métiers Paris Tech, SISYF leses online .
Fawzi Fadla, Eksperimentell karakterisering av dynamikken i grenselagfrigjøring indusert av en ugunstig trykkgradient og en krumningseffekt , doktorgradsavhandling lest online , s ..
Denne lavtrykkssonen (og vortex) kalles dødvannssonen fordi den først ble observert bak broene.
EKSPERIMENTAL STUDY OF ﬂ OW RUND POLYGON CYLINDERS, SJ Xu, WG Zhang, L. Gan, MG Li and Y. Zhou, Durham Research Online [1]
S. F. Hoerner , Motstand mot fremgang i væsker , Gauthier-Villars redaktører Paris Gauthier-Villars redaktører, Paris
(en) SF Hoerner , væskedynamisk drag [2]
nevnte vinge fordi beregnet fra åpningsarealet av hulrommet $C_x$
Vi adopterer ofte, i størrelsesorden, et rom på 0,003 for lite luftfart ${\ displaystyle C_ {f}}$
Ewald Hunsinger og Michaël Offerlin, aerodynamikk og opprinnelsen av parasittmotstanden ,1997, 67 s. ( les online [PDF] ).
VEHICLE AERODYNAMICS, The drag, Alessandro Talamelli, 2002, KTH-Mekanik, University of Bologna, https://www.mech.kth.se/courses/5C1211/KTH_FinalLecture_11.pdf
Denne løsrivelsen produserer den velkjente (og veldig slitsomme) aerodynamiske støyen når et av frontvinduene åpnes
Interferenseffekter på drag av bløfflegemer i tandem, avhandling av Keith Koenig [3]
EN EKSPERIMENTELL STUDIE AV GEOMETRISKE EFFEKTER PÅ DRAG- OG STRØMSFELTET AV TO BLUFF-ORGANER Separert av et gap, av Keith Koenig og Anatol Roshko [4]
I aerodynamikk er en innsnevring en konisk form hvis seksjoner reduseres nedstrøms.
For eksempel en glatt kule eller en vinge av en bestemt profil ved samme forekomst