Боковые воздействия газового потока на тело

Струйное течение, омывающее тело с одной его стороны, оказывает на него два воздействия – продольное и поперечное

Продольное струйное боковое воздействие является результатом торможения потока боковой стороной тела за счет вязкости среды, значение возникающей силы, лежащей в направлении потока, определяется уравнением Ньютона [33, с. 210]:

dFх = – η dS dv/dy, (5.97)

где η – динамическая вязкость среды; dS – элемент площади омываемой поверхности; dv/dy – градиент скорости в перпендикудярном относительно поверхности направлении. Однако уравнение Ньютона описывает процесс лишь в первом приближении, на самом деле картина достаточно сложна и связана с изменениями вязкости от температуры, с влиянием изменения плотности газа и т.п.

При омывании пластины потоком газа на ее поверхности давление cнижается. В первом приближении эту силу можно определить из уравнения Бернулли. На стороне пластины, омываемой газовым потоком, давление будет меньше, чем на противоположной стороне, и образуется результирующая сила в направлении, перпендикулярном направлению потока:

Если вращающийся цилиндр или цилиндрический газовый вихрь омывается потоком газа, то на нем возникает градиент скоростей. С той стороны, где направления потоков противоположны, градиент cкорости будет больше, чем на противоположной, где направления движения стенки цилиндра и потока совпадают, здесь градиент будет меньше. Соответственно падение давления на первой стороне окажется больше, а само давление меньше, чем на второй стороне. Разность давлений создаст на поверхности цилиндра силу, направленную перпендикулярно набегающему потоку в сторону меньшего давления, т.е. в сторону наибольшей разности скоростей. Явление было открыто в 1852 г. немецким ученым Г.Г.Магнусом и получило название эффекта Магнуса.

На тело вращающегося цилиндра будет действовать разность давлений

Δ P = Δ P₂ – Δ P₁ = 0, 5ρ (Δ v₂² – Δ v₁²). (5.103)

Здесь Δ v₂ и Δ v₁ – соответственно разности скоростей поверхности цилиндра и набегающего потока по обеим сторонам цилиндра. Таким образом, в направлении, перпендикулярном направлению потока, на поверхность будет действовать сила, связанная с уменьшением давления окружающей среды. Физической основой изменения скорости потока на омываемой поверхности является вязкость среды. Как будет показано ниже, именно эта сила является физической основой сильного ядерного и электромагнитного взаимодействий.