Механика трубопроводов и шлангов

Статика стержней, находящихся в потоке воздуха или жидкости

В главе II рассматривались задачи статики стержней (трубо­проводов и шлангов), нагруженных внутренним потоком жидко - in. Это один из возможных случаев взаимодействия стержней потоком воздуха или жидкости. Второй случай взаимодействия

■ I ержней с потоком имеет место, когда стержни находятся в по - тке воздуха или жидкости. В свою очередь, при внешнем по "шошению к стержню воздействии потока возможны два слу­чая: I) неподвижный стержень обтекается потоком (например, провода линий электропередач, трубопроводы и шланги в пото - I г с постоянной скоростью и т. д.) и 2) движущийся стержень! например, при технологических операциях смотки и намотки, работающая баллистическая антенна и т. д.). Основная слож - и сть задач данного класса заключается в том, что, как прави - !•>, отсутствует необходимая информация о аэродинамических

• i.'iax, которые очень чувствительны как к профилю обтекаемых

■ I ержней, так и к их ориентации относительно направления ло­тка. Для получения необходимой информации об аэродинами - ■ч-ских силах необходимы экспериментальные исследования с и-»следующим теоретическим обобщением полученных резуль-

1 I ГОБ.

Определение равновесных пространственных форм стержня | потоке приводит к очень сложным нелинейным уравнениям, и потому этим задачам уделялось мало внимания, в то время

I к с точки зрения прикладных задач они являются основными. Г|-теине нелинейных уравнений равновесия осложняется еще и м, что аэродинамические силы при больших перемещениях u-ржня зависят от этих перемещений (вернее, от их первых производных), так как при этом изменяется ориентирование «.чементов стержня по отношению к потоку.

Как уже указывалось, практически невозможно эксперимент

I. 4i. no получить аэродинамические силы (особенно распреде - кчшые) для произвольных углов между вектором скорости по - iMKd и направлением касательной к осевой линии стержня (век- юром ci, см. рис. ЮЛ). Единственная возможность получения | »[к»динамических сил связана с экспериментально-теоретиче-

* Mivi методом, когда экспериментальные данные для частных
случаев обтекания потоком обобщаются на все возможные случаи ориентирования стерж­ня в потоке. При этом прихо­дится делать ряд допущений и предположений о физике взаи­модействия стержня с потоком, что приводит к некоторым не­точностям в числовых значени­ях аэродинамических сил (по сравнению с их истинными значениями).

Задачами статики гибких стержней в потоке занимались многие исследователи как у нас [18; 19], так и за рубежом [90], однако рассматривались только частные задачи; в основном слу­чай, когда равновесная форма осевой лннин стержня (абсолют­но гибкого стержня — нити) расположена в плоскости потока, а стержень является слабоискривленным. В реальных условиях имеют место более сложные случаи нагружения стержней аэро­динамическими силами, когда равновесные формы осевой линии стержня являются пространственными кривыми (см. рис. 10.1), причем при больших скоростях потока эти равновесные формы могут сильно отличаться от равновесных форм в неподвижной среде (при нулевой скорости потока), т. е. задачи статики стерж­ня в потоке являются нелинейными. Задачи определения равно­весных пространственных форм стержня в потоке являются очень сложными (нелинейными), и иоэюму им уделялось мало внимания, тогда как с точки зрения прикладных задач они яв­ляются основными.

При рассмотрении статики стержней в потоке подразумева­ется, что обтекание стержня потоком является стационарным (без срывов) независимо от принимаемой стержнем формы в потоке Это предположение подтверждается экспериментальны­ми исследованиями при продувке гибких и абсолютно гибких стержней круглого поперечного сечения (до определенных ско­ростей потока). Для стержней прямоугольного или треугольного поперечного сечения поворот сечения может привести к резкому изменению аэродинамических сил [36], что очень осложняет ре­шение задачи статики при больших перемещениях.

Следует отметить, что разделение задач взаимодействия гиб­ких стержней с потоком на задачи статики и динамики (для большого интервала скоростей потока) является условным, так как при больших числах Рейнольдса имеет место отрывное об­текание и чистой статики нет. Однако такое искусственное раз­деление задач взаимодействия гибких стержней с потоком на статику и динамику существенно облегчает решение задач меха­ники стержней, взаимодействующих с потоком.