Картина обтекания и срыв потока

Воздух не скользит по крылу идеально — у самой поверхности есть тонкий, но решающий слой.

Пограничный слой — тонкий слой воздуха у поверхности крыла, где скорость потока меняется от нуля (на стенке) до скорости набегающего потока; его поведение определяет сопротивление и срыв.

Если бы воздух был идеально невязким, картина обтекания была бы простой и красивой. Но у воздуха есть вязкость, и именно она прилепляет к поверхности тонкий пограничный слой, в котором происходит всё самое важное.

Ламинарный и турбулентный слой

Вблизи передней кромки пограничный слой обычно ламинарный — воздух течёт ровными слоями. Дальше по крылу он переходит в турбулентный — с хаотичными вихрями. Турбулентный слой даёт больше трения, но лучше «держится» за поверхность и сопротивляется срыву. Условную границу режимов оценивают через число Рейнольдса:

$$ Re = \frac{\rho\, v\, c}{\mu} $$

где $c$ — хорда, $\mu$ — динамическая вязкость воздуха. Большое $Re$ означает, что инерция потока преобладает над вязкостью.

import math
rho = 1.225      # кг/м^3
mu = 1.81e-5     # Па*с, вязкость воздуха
c = 1.5          # хорда, м
for v in (20, 50, 80):
    Re = rho * v * c / mu
    print(f"v={v:2d} м/с: Re = {Re:,.0f}".replace(',', ' '))

Вывод:

v=20 м/с: Re = 2 030 387
v=50 м/с: Re = 5 075 967
v=80 м/с: Re = 8 121 547

Срыв потока

При увеличении угла атаки точка, где поток отрывается от верхней поверхности, ползёт вперёд. После критического угла (обычно 15–18°) пограничный слой не может преодолеть растущее давление к задней кромке и отрывается массово — наступает срыв потока. Подъёмная сила резко падает, сопротивление растёт, крыло «проваливается». Это и есть сваливание.

Как работает под капотом

Двигаясь к задней кромке, поток попадает в область растущего давления (адверсный градиент). Воздух в пограничном слое уже потерял энергию на трение, и этот «встречный подъём» давления его тормозит до остановки и разворота — слой отрывается. Турбулентный слой переносит энергию от внешнего потока к стенке лучше, поэтому держится дольше; вот почему на крыльях ставят турбулизаторы и вихрегенераторы.

Частые ошибки

Считать турбулентность всегда злом. Турбулентный пограничный слой увеличивает трение, но оттягивает срыв — иногда это выгодно.
Думать, что срыв зависит от скорости. Срыв определяется углом атаки: сорвать крыло можно и на большой скорости при резком манёвре.
Игнорировать число Рейнольдса при моделировании маленьких аппаратов: у моделей и дронов $Re$ мал, и профили ведут себя иначе.

Итог

Вязкость создаёт пограничный слой; его режим (ламинарный/турбулентный) задаёт число Рейнольдса $Re=\rho v c/\mu$.
Срыв потока наступает по достижении критического угла атаки, а не определённой скорости.
Турбулентный слой лучше держится за поверхность и оттягивает срыв.