簡介
尾流是指運動物體後面或物體下游的紊亂旋渦流,又稱尾跡。流體繞物體運動時,物體表面附近形成很薄的邊界層渦旋區。如果物體是象建築物或橋墩那樣的非流線型物體,流動將從物體後部表面分離,並有渦旋斷續地從物體表面脫落。這些薄邊界層或分離流渦旋區將順流而下,在物體後面形成紊亂的,充滿大大小小旋渦的尾流。如果物體是鈍體,尾流能保持很遠距離,並對處於尾流中的其他物體產生影響。
在遠離物體下游處,尾流可用邊界層理論進行分析。以下只限於討論低速湍性尾流。附圖所示為圓柱後面的平面湍性尾流流型。其中虛曲線表示尾流邊界。從圖上可以看出,由於物體的阻滯作用,尾流中速度將“虧損”(即減小)。從速度分布看,尾流象是反過來畫的射流,而且在遠離物體的下游處,尾流的虧損速度(用△ū表示)分布也具有相似性,即△ū/△ū≈f(y/b) 式中△ū b為尾流寬度的一半; y為縱坐標。但是,尾流與射流根本不同。尾流的對流加速度比射流大得多。由邊界層方程推出的尾流方程也不一樣。H. 施利希廷根據混合長和相似性等假設,求出平面湍性尾流的解。其主要結果如下:
①尾流寬度同到物體的距離的平方根成正比;
②虧損速度分布為:
③尾流中心最大速度虧損同上述距離的平方根成反比。當這一距離很大時,尾流速度虧損可以忽略。
對於三維物體後面的尾流可作類似的分析。在高速尾流中應當考慮流體的可壓縮性影響。在高超聲速尾跡中則發生一系列物理化學現象,其分析方法根本不同。
飛機尾流
尾流的分類
①滑流:由於螺旋槳飛機的螺旋槳高速旋轉而產生的尾流。
②紊流:飛機機翼表面由於橫向流動的氣流而產生的尾流。
③噴流:噴氣發動機飛機的發動機產生的高溫、高速尾流。
④翼尖渦流:飛機機翼翼尖處產生的尾流。翼尖渦流是航空器在飛行過程中形成的尾流的主體部分。由於機翼翼尖處有自下而上翻動的氣流,從而以翼尖為中心形成高速旋轉並向後、向下延伸的螺旋形氣流。機翼兩翼尖形成的兩股渦流的選擇方向相反,在兩股渦流內側形成強大的下降氣流,外側形成強大的上升氣流,從而對其後通過的航空器造成影響。翼尖渦流在航空器起飛時抬前輪的那一點開始形成,直至該航空器著陸時前輪接地的那一點消失。
尾流的特性
尾流在飛機後面一個狹長的尾流區里形成極強的湍流。尾渦流場的寬度約為兩個翼展,厚度約為一個翼展。
尾流的強度由產生尾渦的飛機重量、飛行速度和機翼形狀所決定,其中最主要的是飛機的重量。尾渦強度隨飛機重量、載荷因數的增加和飛行速度的減小而增大,曾測得最大的湍流切線速度達67米/秒。
當重型飛機在光潔構型下低速飛行時,將會產生最強的尾流。
尾流是向外和向下擴散運動的。在空中,尾流大約以120-150米/分鐘的速率下降(最大可達240-270米/分鐘),在飛行高度以下約250米處趨於水平,不再下降。當存在側風的時候,尾流將向下風方向移動。當存在頂風時,將在飛機的後方延長尾流區。當存在順風時,尾流將增加向外擴散的速度。
尾流的危害
當後機進入前機的尾流區時,會出現飛機抖動、下沉、改變飛行狀態、發動機停止甚至翻轉等現象。小型飛機尾隨大型飛機起飛或著陸時,若進入前機尾流中,處置不當還會發生事故。
後機應該在不低於前機的飛行高度上飛行,方可免受尾渦的危害。
後機從後方進入前機的一個尾渦中心時,一個機翼遇到上升氣流,另一個機翼遇到下降氣流,飛機會因承受很大的滾轉力矩而急劇滾轉。滾轉速率主要取決於後機翼展的長度,翼展短的小型飛機滾轉速率大。如果滾轉力矩超過飛機的控制能力,飛機就會失控翻轉。
參考文獻
謝象春著:《湍流射流理論與計算》,科學出版社,北京,1975。
1.謝象春著:《湍流射流理論與計算》,科學出版社,北京,1975。
2.詞條作者:晏名文《中國大百科全書》74卷(第一版)力學 詞條:流體力學 中國大百科全書出版社 ,1987 :492頁