Почему искривленные потоки ускоряются?

Возможно, это помогло бы понять обтекание плоской пластины, где скорость потока направлена ​​перпендикулярно пластине.

В модели потенциального потока жидкость обтекает пластину. Почему он хочет ускоряться на поворотах?

В действительности за пластиной остается след, потому что поток теряет часть энергии на трение.

Почему поток хочет обернуться вокруг и занять это пространство? Потому что там ничего нет и жидкость имеет давление.

Представьте черный шарик в виде вакуума. Взяв каплю жидкости рядом с вакуумом, мы видим, что нет соседних частиц жидкости по направлению к вакууму, создающих давление. Таким образом, дисбаланс давления толкает частицы жидкости к вакууму.

Чтобы понять ваш пример с крылом, теперь попробуйте наклонить пластину, а затем добавить некоторую кривизну.

Давайте начнем с того, что жидкость вблизи поверхности аэродинамического профиля будет следовать контуру аэродинамического профиля, иначе жидкость либо проникнет в поверхность, либо создаст вакуум.

Основываясь только на этом предположении, можно сделать вывод, какие виды градиентов давления мы можем ожидать увидеть, а затем сделать предположение о природе поля скоростей.

Поскольку жидкость следует по криволинейным траекториям вокруг аэродинамического профиля, она испытывает ускорения в различных направлениях, проходя через аэродинамический профиль. Эти ускорения выровнены с градиентами давления в жидкости.

В этом примерном изображении верхняя линия тока сильно изогнута вблизи областей 2 и 3, красные стрелки показывают направление, в котором элементы жидкости должны ускоряться, чтобы следовать этим кривым.

Зная, что жидкости ускоряются от областей более высокого давления к областям более низкого давления, мы можем предположить, что область чуть ниже передней кромки аэродинамического профиля является областью более высокого давления, а область чуть выше и позади передней кромки является областью более низкого давления.

Теперь, когда мы установили, какие области, как ожидается, будут выше и ниже давления окружающей среды на основе кривизны линии тока, мы можем сделать вывод, как изменится скорость жидкости вдоль поверхности аэродинамического профиля.

Между регионами$1 \rightarrow 2$давление увеличивается, а скорость уменьшается по мере увеличения давления жидкости.

Между регионами$2 \rightarrow 3$давление уменьшается, поэтому скорость увеличивается по мере того, как жидкость ускоряется из области высокого давления в область низкого давления.

Затем жидкость постепенно замедляется через области$3 \rightarrow 4 \rightarrow 5$по мере приближения к задней кромке, где мы ожидаем найти слабую область высокого давления.

Жидкость слабо ускоряется между областями$5 \rightarrow 6$, поскольку он восстанавливается до давления окружающей среды после выхода из задней кромки.

Теперь давайте посмотрим на поле давления, рассчитанное с учетом потенциального потока. Давление окружающей среды отмечено зеленым цветом, высокое давление – желтым, а низкое – синим и фиолетовым.

Неплохая догадка, давайте посмотрим на поле скоростей ниже, чтобы быть уверенным. Здесь низкие скорости окрашены в фиолетовый цвет, средние — в синий, а высокие — в зеленый и желтый.

Теперь мы видим именно то, что и ожидали увидеть: аэродинамический профиль, в котором жидкость движется быстрее по верхней поверхности, чем под нижней.

Это относится не только к аэродинамическим профилям, любая область криволинейного потока сопровождается градиентом давления, а любой градиент давления, который не идеально параллелен потоку, будет сопровождаться кривизной потока.