Понять небо

Пегин Дэннис

Рис. 94. Смысл турбулентности

Мы можем дать определение турбулентности как хаотическое случайное движение воздуха. И хотя отдельные формы турбулентности отличаются некоторой организованностью, такие как роторы, вспухания при термической активности, все-таки определяющий фактор — это случайность. Смысл турбулентности В зависимости от причины и характера турбулентности пилот принимает решение о типе аппарата и о возможности полетов вообще.

Для наблюдателя на луне смерчь,

видимый в атмосфере Земли — это турбулентность. Для землянина — это стихийное бедствие. С другой стороны, экстремальное состояние воздуха для бабочки — лишь легкое дуновение для человека. Как правило, более легкие летательные аппараты и аппараты с меньшей нагрузкой на крыло более чувствительны к любого рода турбулентностям.

ПРИРОДА ТУРБУЛЕНТНОСТИ

Влияние турбулентности на летательный аппарат во многом такое же, как и на наше тело (рис. 94). Скорость и направление полета относительно ветра будут менять влияние вихрь на крыло. Воздействие его на аппарат зависит от интенсивности, размеров и ориентации вихря.

Маленькие вихри создают ощущение быстрых ударов таких же, какие испытывает быстроходная лодка на озере с мелкой волной. Вихри диаметром от нескольких метров до размаха вашего летательного аппарата принесут вам как ощущение сильных ударов, так и, возможно, проблемы в управлении. Вихри еще большего диаметра будут восприниматься как внезапные подъемы, снижения, повороты, торможения или ускорения. И в конце концов, вихри очень больших размеров будут ощущаться, как изменение скорости и направления ветра на определенный период времени.

Опасности влияния турбулентности на полет следующие: внезапное попадание в нее может привести к нештатным параметрам полета, что особенно опасно на малой высоте; могут возникнуть проблемы с управлением, опять же очень опасные на малых высотах; в некоторых случаях — попадание в ротор или сильную термичность — возможны развороты и броски; и самое неприятное — возможно даже разрушение элементов летательного аппарата.

Цикл турбулентности начинается, когда она формируется одним из трех способов, которые будут обсуждаться далее. Крупный ротор движется с основным потоком ветра и разбивается на все более и более мелкие, но увеличивающиеся в количестве вихри. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вихри не становятся так малы, что энергия движения гасится вязкостью и подобна тепловому движению (диаметром около 0,25 мм на уровне моря). По существу имеет место обмен энергией между крупномасштабным движением и более мелкими. Благодаря этому механизму, движение масс воздуха будет угасать быстрее, чем в идеальных условиях.

Более мелкие вихри не обязательно будут оказывать меньшее влияние на ваше крыло, они могут иметь энергию большую, чем крупные вихри, из которых они образовались. Это можно заметить, наблюдая за течением воды, когда маленькие быстровращающиеся водовороты двигаются внутри более крупных и медленных. И только с прохождением времени и определенного пути вихри турбулентности уменьшают свою энергию.

Турбулентность, возникая, имеет тенденцию распространять вокруг все свойства воздуха. Например, теплота, влажность и загрязненность расходится во всех направлениях, турбулентность уравнивает разницу в ветре. Подчеркнем, что градиент скорости ветра уменьшается турбулентностью, но она сама по себе может быть большей проблемой для пилотов, чем сам градиент.

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОСТИ

Разделим турбулентность в зависимости от причин возникновения и развития на механическую, термическую и среза потоков. Каждая имеет существенные различия, поэтому мы рассмотрим их раздельно. Однако, мы должны сознавать, что они могут встречаться в любой комбинации. Например, механическая и термическая турбулентности часто присутствуют обе вблизи поверхности в жаркие, ветреные дни.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ

Когда твердое тело — будь то гора, лес, дом или человек находится в потоке воздуха, оно разбивает его. Если скорость воздуха невелика, то возможно просто отклонение потока, но при больших скоростях

поток разбивается с образованием вихрей, которые создают за объектом след, являющийся уже настоящей турбулентностью.

Этот эффект можно наблюдать, опуская руку в воду, текущую с различной скоростью. На рисунке 95 показано обтекание твердого тела потоком воздуха, при различной скорости. Подчеркнем, что более скоростной поток создает не только более сильную турбулентность, но и увеличивает ее след за объектом. Интересно расположение вихрей. Более или менее стабильные вихри, расположенные в одном месте, определяются формой твердого тела. В атмосфере такие вихри мы называем роторами. Естественно, эти роторы могут отрываться потоком и уносится, но их место занимают новые. В основном, они стабильны и занимают свое место до тех пор, пока существует поток с определенными параметрами. Если скорость потока сильно увеличится, роторы унесет, на их месте будет сплошная турбулентность.

Рис. 95. Механическая турбулентность

Как гласит закон Ньютона, силы, с которыми тело действует на поток эквивалентны и противоположны тем, которые действуют на тело со стороны потока. Эти силы можно наблюдать, выставляя руку в окно автомобиля, движущегося с различными скоростями. Испытываемая сила сопротивления определяется разностью давлений спереди и сзади руки. Чем больше сила сопротивления, тем сильнее турбулентность за рукой. Кроме скорости потока, очень важным фактором является форма объекта. Если предмет имеет острые кромки, то невозможно безотрывное обтекание поверхностей из-за инерции молекул воздуха. На рисунке 96 показаны тела различной формы и модель их обтекания. На первой картинке изображено сечение объекта, создающего минимальное сопротивление и минимальную турбулентность. Самолеты и лодки очень похожи на него, а деревья, растущие в районах с сильными и частыми ветрами, стремятся к подобной конфигурации. На других картинках показано, как острые кромки или большая кривизна поверхности инициируют турбулентность.

Рис. 96. Обтекание потоком тел различной формы

Теперь понятно, что любой предмет на земной поверхности является турбулизатором движущегося воздуха, а интенсивность турбулентности зависит от скорости ветра, размеров и формы горы, здания или любого другого объекта. Турбулентность, вызванная любыми твердыми телами, расположенными на земной поверхности, ограничивается слоем толщиной до 500 м над самым высоким из них. В предыдущей главе, в таблице мы назвали этот слой переходным. В этом слое имеет место нарушение ламинарности и равномерности потока. Величина объектов, стоящих на пути воздушного потока, определяет начальные размеры вихрей турбулентности. Чем больше преграда, тем больше вихри, но они могут быстро разделиться на более мелкие. Обычно объект создает начальный вихрь в 1/10 — 1/7 своего размера. Таблица, приведенная ниже, дает примерный диаметр вихрей для некоторых территорий.

Примерные диаметры вихрей турбулентности

Город или лес… 2,0 м

Отдельностоящие дома… 0,5 м

Скошеное поле (стерня)… 0,1 м

Скошенная трава… 10 мм

Океан, большое озеро… 0,3 мм

Рассмотрим влияние скорости ветра. При слабом ветре турбулентность слаба или отсутствует совсем. В средний ветер могут формироваться вихри, и тогда для наблюдателя ветер будет быстро меняться, в том числе и по направлению. В более сильный ветер (более 30 км/ч) вихри могут быть очень интенсивными, более мелкими и сноситься потоком, пока не разрушатся. В этом случае будут заметны существенные изменения в скорости ветра, а изменения в направлении слабо выражены.