Розглянемо область обуреного вихрового потоку за Летатель-ними апаратами, що утворюється при їх обтіканні, що відрізняється від навколишнього повітряного простору значеннями швидкостей, давши лений, температури і т. П. І отримала назву вихрового сліду. Тут і далі, крім спеціально обумовлених випадків, під літальних-ми апаратами будемо розуміти літаки і вертольоти. Слід разли-чати поняття «спутний слід» і «вихровий слід». Супутні сліди обра-ся при безвідривному обтіканні тіла у в'язкому середовищі і обумовлені лобовим опором тіла. Супутні сліди представляють область зниженою середньої швидкості і підвищеного рівня турбулентності. Вихрові сліди утворюються при обтіканні тіла у в'язкому середовищі слідом-ствие виникнення підйомної сили і, відповідно, при реалі-зації індуктивного опору супроводжуються утворенням на деякій відстані позаду тіла системи з двох поздовжніх вихорів противоположенного обертання.
Вихровий слід за ЛА є необмеженим потоком, який рухається з середньою швидкістю невозмущенного потоку. Довжина вихорі-вого сліду становить 10-12 км, іноді більше, і залежить від стану атмосфери, аеродинамічного компонування і польотної конфігурації ЛА, польотної маси, швидкості і висоти польоту. Вихровий слід за ЛА характеризується полем обурених швидкостей W, а також формою і положенням кінцевих джгутів в просторі. Обурені швидкості зазвичай представляють у вигляді наступних складових: Wx - осьові швидкості; Wr - радіальні швидкості; Wt - окружні (Танго-альні) швидкості, які в свою чергу діляться на вертикальні Wy і горизонтальні швидкості Wz, т. Е.
По довжині вихрового сліду умовно можна виділити зони (рис. 1.1): формування; стійкого сліду; нестійкого сліду; зруйнованого сліду.
Мал. 1.1. Структура вихрового сліду літака
У зоні формування вихрового сліду відбувається згортання всієї вихровий структури літака, прикордонного шару і струменів дві-ваному в два вихрових джгута (див. Фотографію на передній страни-це обкладинки). Стікає з поверхні планера прикордонний шар не вносить Великих збурень в повітряний потік і на видаленні 50-150м від ЛА практично зникає.
Струмені вихлопних газів, хоча і володіють Великий кінетичної енергією, являють собою вузькі потоки газів, що розширюються під кутами 3-4 °, їх температура і швидкість швидко падають.
Прикордонний шар і вихлопні гази впливають на на-чільного параметри кінцевих джгутів, яке може виражатися в по-підвищенні температур і швидкостей в вихорі.
Найбільший внесок у формування спутного сліду за Летатель-ним апаратом і його результуючі характеристики вносять вихори, які сходять з крила, стабілізатора, інших несучих і управля-чих поверхонь, а також з фюзеляжу. Цю вихревую поверхню в головному наближенні можна розглядати як поверхня розрив-ва тангенциальной компоненти швидкості. Товщина цієї поверхні порівнянна з товщиною турбулентного прикордонного шару, який є продовженням прикордонного шару, що зійшов з гострою задньою кромки і торцевих крайок поверхонь літального апарату. У ре-док відразу ж за задньою кромкою крила спостерігається Турбулент-ве вихровий ядро кінцевого розміру, це - центр, навколо якого формується концєвой джгут. Під радіусом вихрового ядра розуміють відстань від осі джгута до точки в поперечному його перетині, де значення окружної швидкості максимальне. Зона формування спут-ного сліду закінчується утворенням стійких кінцевих джгутів і має протяжність 2-3 розмаху крила.
У зоні стійкого вихрового сліду відбувається стійке дви-ються і опускання кінцевих джгутів вниз з поступовим їх зату-ханіем, Кінцеві джгути в цій зоні - стійкі формування, які мають протилежне обертання всередину, При симетричному навантаженні на несучих поверхнях літального апарату інтенсив-ність кінцевих джгутів однакова , Типовий розподіл вертикаль-них швидкостей в зоні стійкого вихрового сліду в ядрах кінцевих джгутів представлено на рис, 1,2 для літака Іл-76, що летів на ви-соте H = 400 м із швидкістю V = 550км / год.
Відстань між осями кінцевих джгутів залежить від навантаження на несучих поверхнях ЛА. При симетричному навантаженні відстань між осями кінцевих джгутів складає 0,8L, де L - розмах крила літака,
Починаючи з цієї зони, спутний слід за літальним апаратом має тенденцію до зниження, Швидкість опускання кінцевих джгутів обумовлена їх взаємним впливом і приблизно дорівнює швидкості, ін-дуціруемой одним кінцевим джгутом на осі іншого, Переміщення спутного сліду підкоряється загальним законам руху вихорів в атмо-сфері , Поле швидкостей в зоні спутного сліду істотно неоднорідний-но, Швидкість обуреного руху повітря визначається інтенсив-ністю кінцевих джгутів і часом існування сліду, Перебіг характеризується наявністю тангенціа льних складових обурений-ної швидкості і складових швидкості вздовж осі концєвого джгута, які можуть або збігатися зі швидкістю потоку, що набігає, або перевищувати її, або бути спрямованими проти потоку, що набігає, Поле тангенціальних швидкостей утворює скіс потоку вниз в області між вихорами і скіс потоку вгору в зовнішньої області (див, рис, 1,2),
Максимальні значення окружних швидкостей в окремих випадках можуть досягати половини швидкості польоту літака-генератора.
Розподіл осьових швидкостей має знакозмінний характер. У районі кордону ядра осьовий протягом має протилежне направ-ня щодо осьових швидкостей в районі осі вихору.
Режим течії в кінцевих джгутах є, як правило, турбу-лентним. Турбулентність проявляється в накладенні на осредненние швидкості в зоні спутного сліду пульсаційних складових, які призводять до перемішування шарів повітря і сприяють загасання і розмивання кінцевих джгутів. Турбулентність в основному ограниче-на областю вихрового ядра.
Аналіз результатів, отриманих в льотному експерименті, показуючи-ет, що в міру збільшення довжини спутного сліду подсасиваніе потоку в область вихрового ядра, як правило, не відбувається.
У зоні нестійкого вихрового сліду вихори починають раз-рушаться. Основними видами початку руйнування кінцевих джгутів в зоні нестійкого вихрового сліду можна вважати:
• природне затухання за рахунок дисипації і дифузії вихорів;
• хвильову нестійкість вихрових джгутів, пов'язану з тур-булентностью атмосфери (див. Фотографію на задній сторінці обкладинки);
• інтенсивну турбулізації вихрового ядра (вибух вихору), меха-нізм якої ще мало вивчений.
Переважання одного з факторів визначає не тільки інтенсив-ність руйнування кінцевих джгутів, але і положення їх у просторі щодо літака. З плином часу змінюється структура і просторове положення сліду. Система кінцевих джгутів в цій зоні продовжує існувати відносно довго, поступово зату-Хая або руйнуючись.
Іноді система кінцевих джгутів робить симетричне і при-близно гармонійне рух. Причина цього явища заклю-чає в наступному. Сформований спутний слід являє собою два кінцевих джгута з осями, розташованими у просторі стве приблизно паралельно одна інший. Вихрові лінії в кожному джгуті мають форму спіралі, закрученої навколо осі джгута. У зоні стійкого спутного сліду осьові обурені швидкості, які спрямовані вздовж осі джгута і обумовлені рухом ЛА, впливають на стан вихорів в просторі і деформують вихрові ли-нии. Система вихорів рухається в своєму власному индуцированном поле. Атмосферна турбулентність, пориви вітру або безладні відхилення від траєкторії польоту незначно деформують вихорі-ші лінії. За рахунок взаємної індукції і впливу осьових швидкостей кінцевий палять деформується так, що його вісь набуває хвилі довжиною А і амплітудою 6. При певних співвідношеннях А і 6 хвильової характер осі кінцевого джгута, а відповідно і самого джгута, є найбільш швидко наростаючим видом нестійкого коливання. Осі кінцевих джгутів хвилеподібно сходяться і розходяться до тих пір поки не з'єднаються в ближчих точках і не утворюють ланцюжок ізольованих вихрових кілець.
У зоні зруйнованого вихрового сліду спостерігається ланцюжок з-ліровать вихрових кілець. Процес руйнування спутного сліду в ві-де хвильової нестійкості і течія в цій зоні спутного сліду нестаціонарні. Зона зруйнованого спутного сліду по протяжності істотно менше зони нестійкого сліду. Дослідження поки-викликають, що хвильовий нестійкості схильні більшою мірою вихрові сліди за літаками складної компонування, які мають крила малого подовження, складної форми в плані, а також за Верт-літами.
Необхідно відзначити, що під руйнуванням кінцевих джгутів або вихрового сліду треба розуміти такий процес зміни стану спутного сліду, в результаті якого спостерігаються: перебудова кар-тини течії в кінцевих джгутах загасання обурених швидкостей в кінцевих джгутах і в околиці їхні до величин, порівнянних з пульсаціями швидкості в атмосфері зміни просторового положення кінцевих джгутів і пов'язане з ними зміна кінематі-чеських параметрів течії.
Руйнування вихору може спостерігатися і внаслідок «вибуху» його ядра. Під цим розуміють різке збільшення радіусу вихору і уменьше-ня максимальних значень окружних швидкостей. Фізична природа цього явища імовірно пов'язана з певним рівнем осьових швидкостей, їх зміною в часі і співвідношенням осьових і тангенціальних швидкостей в кінцевому джгуті. В результаті «вибухо-ва» ядра вихору можуть утворитися тороїдальні вторинні вихори і з'являтися зворотні течії. «Вибух» ядра характерний для одного з кінцевих джгутів і є локальним. Інший концєвой джгут може тривалий час існувати в атмосфері.
Зміна характеристик вихрового сліду відбувається при Інтерфом-ренції вихрових потоків з різними будівлями, складками місць-ності, пагорбами, лісовими ділянками. В районі аеродрому благопр-ятние умови для освіти локальних вихрових потоків створюють великі будови, будівлі, споруди, поверхню землі зі складність ним рельєфом місцевості. Хоча висоти будівель поблизу злітно-посадкової-дочних смуг обмежені, в сукупності вони створюють виражену локальну неоднорідність у вигляді бар'єру до натекает потоку. Повітря обтікає будови збоку і зверху, сприяючи утворенню локальних вихрових потоків, в тому числі зсуву вітру. Зміна характеристик вихрового сліду відбувається інтенсивніше, стирається раз-відмінність між зонами нестійкого і зруйнованого сліду, структура сліду і течія в ньому носять яскраво виражений нестаціонарний харак-тер. Інтерференція вихрового сліду і вихрових потоків від будівель, споруд та ділянок місцевості зі складним рельєфом і змінної шорсткістю поверхні призводить до появи на аеродромі зон
зі складною структурою течії, зрушенням вітру, роторами і швидкостями потоку, що представляють небезпеку для літальних апаратів.
Наведені відомості про вихрових слідах і потоках і тенден-ціях їх поширення в просторі дозволяють зробити висновок про нестационарном перебігу в зоні вихрового сліду. Нестационарность течії обумовлена тимчасовою залежністю зміни швидкостей в поперечному перерізі сліду і просторових характеристик сліду. Слід зазначити, що зміна просторового положення сліду носить яскраво виражений нестаціонарний характер в разі появи хвильової нестійкості.
Зазначені особливості формування і поширення вихорі-вого сліду дозволили намітити два підходи до моделювання. При першому підході спутний слід представляється у вигляді осей кінцевих джгутів і положенням цього сліду вважається становище осей. Возму-щенние швидкості в області спутного сліду задаються або обчислюються на основі емпіричних і напівемпіричних моделей, що впливає на точність моделювання. При другому підході вихровий слід моді-ліруется у вигляді вихровий пелени, що утворюється при моделюванні обтікання ЛА. У цьому випадку положення вихрового сліду виходить безпосередньо, а обурені швидкості визначаються особливості-ми обтікання.