Шероховатая поверхность предотвращает развитие турбулентности
|
Эксперименты показывают, что воздух, обтекающий шероховатую поверхность, приобретает дополнительную устойчивость и гораздо позже переходит к турбулентности, чем в случае гладкой поверхности.
Любое тело, движущееся сквозь жидкость или газ, испытывает сопротивление среды. Такая сила сопротивления затрудняет движение, и поэтому физики пытаются использовать все возможные способы, чтобы уменьшить это сопротивление.
При медленном обтекании или при протекании сквозь тонкие капилляры жидкость движется плавно, и основная сила сопротивления — это сила вязкости. Как мы недавно писали, с ней уже научились бороться путем создания поверхностей с аномально малым «сцеплением» между жидкостью и твердым телом.
При очень высоких скоростях развивается сильная турбулентность — бурная завихренность жидкости позади тела, — которая тоже тормозит движение, причем гораздо сильнее, чем при плавном обтекании. Бороться с ней можно разными способами, например с помощью добавления полимеров в небольших концентрациях.
В промежуточной ситуации — когда турбулентность только-только начинает появляться, — все эти методы, по-видимому, не вполне эффективны. (Подробнее о физических явлениях при таком течении читайте в популярной статье: Козлов В. В. Физические процессы в потоках // СОЖ, 1997, № 4, с. 83–90.) В этом случае, однако, вырисовывается новая возможность — искусственно отсрочить появление турбулентности. Как утверждается в недавней статье J. H. M. Fransson et al, Physical Review Letters, 96, 064501 (17 February 2006), это вовсе не так уж и сложно: для этого достаточно нанести на гладкую поверхность шероховатости определенной формы.
В этой статье сообщаются результаты экспериментов по продуванию воздуха над гладкой и над шероховатой поверхностями. Ровный поток над гладкой поверхностью, как выяснилось, при большой скорости неустойчив: он порождает случайные волны, «зерна» турбулентных вихрей (см. рисунок, нижнюю часть). Если же на ровную поверхность приклеить в правильном порядке кружочки толщиной всего полтора миллиметра, то происходит интересное явление. Однородный поток воздуха перестраивается, становится как бы гофрированным, и из-за этого повышается его устойчивость к развитию турбулентности (верхняя часть рисунка).
Турбулентность, впрочем, начинается и над шероховатой поверхностью, но значительно дальше по течению: рельеф поверхности не ослабляет турбулентность, а лишь задерживает ее развитие. Но и этого может оказаться достаточно для того, чтобы поток «проскочил» обтекаемое тело небольшого размера, так и не начав завихряться, и не оказал существенного сопротивления его движению.
Возможно, для лучшего представления описанного явления поможет такая не совсем точная, но наглядная аналогия. Большой лист бумаги легко изгибается в разные стороны и полощется на ветру. Если же его полусложить в гармошку, то он приобретет ребра жесткости и станет сопротивляться изгибающим усилиям. Похожим способом изменяются и свойства тонкого воздушного слоя, который течет непосредственно над поверхностью: в гофрированном виде он дольше сохраняет устойчивость, чем ровный плоский слой.
