ТУРБУЛЕНТНОСТЬ НАБЕГАЮЩЕГО ПОТОКА

Турбулентность набегающего потока — термин, обозначающий случайные колебания фонового уровня скорости потока во всех трех измерениях, имеющие место в любом потоке жидкости и газа. Ее показатели, например интенсивность и спектральный состав, зависят от того, как образуется турбулентность, и от изменения параметров потока до его подхода к исследуемой точке. Турбулентность набегающего потока присутствует в естественном ветре, и все обдуваемые ветром тела подвергаются ее влиянию. Турбулентность также образуется в спутных струях за препятствиями. Автомобили подвергаются воздействию турбулентности, порождаемой ветром и потоками, обтекающими другие автомобили. Даже при исследованиях в аэродинамических трубах, предназначенных для создания ламинарного равномерного потока, наблюдается незначительная турбулентность.

Одним из последствий наличия турбулентностей в потоке является возникновение неустановившихся ударных нагрузок. Кроме того, в результате сложного взаимодействия турбулентности с обтекающим тело потоком может измениться картина обтекания. Именно это взаимодействие и его влияние на осредненные по времени значения аэродинамических сил представляют наибольший интерес в контексте данной главы. Указанные вопросы недавно были исследованы Бирманом и Морелом. Результаты, представляющие интерес с точки зрения аэродинамики автомобиля, кратко изложены ниже.

Известны три основных механизма взаимодействия турбулентности набегающего потока с основным потоком: ускоренный переход к турбулентности в пограничных слоях, интенсивное перемешивание и вовлечение новых частиц в эти пограничные слои и искажение самой турбулентности набегающего потока под воздействием основного потока. Конечный эффект воздействия турбулентности набегающего потока часто является результатом действия более чем одного из этих основных механизмов.

Обычно турбулентность характеризуется интенсивностью и линейным размером. Интенсивность наиболее часто определяется как отношение корня из среднеквадратичного отклонения скорости в направлении потока воздуха и к скорости основного потока. Турбулентность возникает в пограничных слоях, которые обычно появляются в местах, противостоящих потоку. Интенсивность принято характеризовать условными терминами: «высокая», т. е. равная примерно 10 % и характерная, например, для естественного ветра, «низкая» — менее 5 %, и «очень низкая»— менее 0,1 %, соответствующая уровням турбулентности в аэродинамических трубах. Турбулентность набегающего потока, интенсивность которой имеет порядок 1 или 2 %, обычно никаким специальным термином не называется. Интенсивность турбулентности потока при движении по автомобильным дорогам может принимать разнообразные значения в зависимости от наличия ветра, скорости движения автомобиля и движения других автомобилей. Тем не менее, можно показать, что в качестве типичной величины интенсивности турбулентности для автомобилей можно принять 5 %. В аэродинамических трубах, используемых для исследования аэродинамики автомобилей, интенсивность турбулентности набегающего потока близка к 0,5 % т. е. в 10 раз меньше.

В зависимости от механизма воздействия турбулентности он может быть отрицательным (обычно близким к —0,2), когда важное значение имеет турбулентность малых размеров, например, в случае перехода ламинарных пограничных слоев в турбулентные. В других случаях оказывается, что наилучшим образом экспериментальные данные удается описать при положительных показателях степени порядка единицы возможно потому, что при этом существенное значение имеет турбулентность большого линейного размера. Наконец, в ряде других ситуаций размер турбулентности совсем не имеет никакого значения. Во всех этих случаях, однако, следует подчеркнуть, что использование параметров, определенных соотношением типа, должно быть ограничено такими случаями, когда размеры турбулентности набегающего потока сравнимы с характерным размером обтекаемого тела.

Изменение силы сопротивления в результате влияния на характер обтекания турбулентности набегающего потока может быть весьма существенным. Один пример сравнения характера влияния угла скоса основания на величину аэродинамического сопротивления ламинарному и турбулентному потокам уже рассматривался ранее. Другой пример относится к турбулизации потока, обтекающего двумерный цилиндр, и влиянию турбулентности на отрыв потока и величину аэродинамического сопротивления в диапазоне критических значений чисел Рейнольдса. Увеличение интенсивности турбулентности приводит к более раннему отрыву потока и очень большому (60 %) снижению аэродинамического сопротивления. Турбулентность набегающего потока влияет на тела с фиксированными точками отрыва. Противоположная тенденция обнаружена при обтекании турбулентным потоком куба, донное Давление в этом случае существенно возрастало при увеличении Интенсивности турбулентности.

Основной вывод, который можно сделать на основании этих экспериментальных данных, заключается в том, что влияние турбулентности набегающего потока не сводится просто к увеличению «эффективного» числа Рейнольдса потока, как это часто предполагается. В действительности, влияние гораздо сложнее и трудно предсказуемо. Коэффициент аэродинамического сопротивления может изменяться очень сильно, причем направление изменения может быть любым: аэродинамическое сопротивление может как увеличиваться, так и уменьшаться. Это свидетельствует о целесообразности проведения испытаний в потоках, моделирующих интенсивность и линейный размер турбулентности набегающего потока, ожидаемые в дорожных условиях.

Влияние турбулентности набегающего потока на величину аэродинамического сопротивления применительно к аэродинамике автомобиля изучалось Бакли и др. и Купером и Кемпбеллом, пришедшими к выводу, что наличием турбулентности набегающего потока в реальных дорожных условиях пренебрегать нельзя. Купер и Кемпбелл попытались разработать теорию, которая позволяла бы экстраполировать (корректировать) результаты, полученные при ламинарном обтекании в аэродинамической трубе, на реальные дорожные условия. Предложенная ими теория основы.