Устройство для снижения турбулентного сопротивления в пристенной турбулентной области поля течения вблизи поверхности стенки

 

Изобретение относится к управлению турбулентностью в пристенной турбулентности области поля течения вблизи поверхности стенки, обладающей системой парных цилиндрических вихрей или полосок, примыкающих к поверхности, содержащее средство ввода в пристенную область пассивного возмущающего воздействия, подавляющего образование парных цилиндрических вихрей. Это средство ввода имеет форму двумерной решетки выступов на упомянутой поверхности или впадин в ней, расположенных в последовательных колонках перпендикулярно направлению потока. Выступы или впадины в последующем ряду расположены в шахматном порядке относительно выступов предыдущего ряда. Техническим результатом изобретения является упрощение управления турбулентным потоком. 8 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 табл.

Изобретение относится к устройству для управления турбулентностью в пограничном слое и в других полях течения, ограниченных стенками, в частности к устройству для снижения турбулентного сопротивления в пристенной турбулентной области поля течения вблизи поверхности стенки.

В патенте США 5263793 от 23 ноября 1993 г. и патенте США 5354017 от 11 октября 1994 г., которые используются в качестве аналогов, рассматривается турбулентность с парными схемами или картинками течения в ядре кажущейся неупорядоченности потока. В частности, эти модели течения, а также публикации, цитируемые в этих патентах, описывают турбулентные потоки, которые характеризуются наличием системы вращающихся вокруг главной оси парных цилиндрических вихрей или полосок, причем эта ось проходит в направлении потока, а также наличием проходящих наклонно или под углом к оси потока структур, которые взаимодействуют с системой вращающихся парных цилиндрических вихрей или полосок. Очевидно, что эти структуры распространяются с постоянной групповой скоростью, причем они возникают или образуются для уничтожения или взрывания вращающихся вихрей или полосок, которые повышают гидравлическое сопротивление потока. Наиболее существенными моделями или режимами распространения, очевидно, являются те, которые направлены под углом приблизительно 65^o относительно направлению течения, а которые направлены под углом в диапазоне 50-80^o, несут основную часть энергии распространяющихся структур.

Эти вихри или полоски вращаются в противоположные стороны и располагаются вблизи ограничивающих стенок у наружной кромки и вне подслоя. Их динамические характеристики существенно меняются и колеблются. Существенно то, что мгновенные отклонения или изломы динамических параметров приводят к мгновенным выбросам среды, текущей с малой скоростью у стенки, в ядро потока, движущееся с большой скоростью. Оценка показала, что выбросы определяют значение сопротивления стенок. Кроме этого, выбросы, которые составляют до 80% сопротивления стенки, занимают по времени около 20%. Также изучение моделей течения таких потоков показывает, что при искажении цилиндрических вихрей происходит изменение сопряженной схемы течения, что типично для любой пристенной турбулентности.

Для уточнения размера полосок в первую очередь необходимо понимать, что полоски являются проявлением локальных условий за пределами подслоя потока, примыкающего к стенке, а не природы самой стенки и не поля течения на значительном расстоянии от стенки. Локальные условия полностью определяются средним значением напряжения трения у стенки S, плотностью среды r, а также вязкостью среды m. Эти количественные значения определяют величину локального масштаба размера или масштаб длины L*, который обычно называют единицей размера стенки и который равен m/(sr)^o. Преобладающее значение диаметра цилиндра номинально составляют 50-100 единиц размера стенки или 100L*-200L* на пару цилиндрических вихрей.

Термин "преобладающий" в отношении диаметра означает, что наибольшее количество турбулентной энергии (пульсационной скорости) приходится на эти размеры. Дополнительно к этому имеются цилиндрические вихри с другими диапазонами размеров, обладающие значительным количеством турбулентной энергии.

В соответствии с приведенными выше патентами управление турбулентностью среды осуществляют локальным вводом в пристенную турбулентную область двух отдельных возмущающих элементов, которые эффективны для создания в локальной зоне сложного возмущающего поля, которое строго связано с проходящими косо или под углом к продольной оси структурами, модифицируя их таким образом, что уменьшается или возрастает взаимодействие структур с системой парных цилиндрических вихрей, тем самым локально уменьшая или увеличивая турбулентность в поле течения. Первые возмущения могут вызываться пассивными средствами, например взаимодействием среды с рядом полосок, имеющих форму дельтовидных выступающих частей, разнесенных по стенке (т.е. поперек направлению потока), причем вершины выступающих частей направлены против потока. Вторые возмущения могут быть вызваны активными средствами, такими как ввод энергии в локальную зону активными механическими, электрическими или гидродинамическими средствами.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание устройства, предназначенного для упрощения управления турбулентным потоком, используя определенные типы пассивных возмущений, которые могут также создаваться активными средствами.

Этот технический результат достигается тем, что в устройстве для снижения турбулентного сопротивления в пристенной турбулентной области поля течения вблизи поверхности стенки, обладающей системой парных цилиндрических вихрей или полосок, примыкающих к поверхности, содержащем средство ввода в пристенную область пассивного возмущающего воздействия, подавляющего образование парных цилиндрических вихрей, согласно изобретению средство ввода имеет форму двумерной решетки выступов на упомянутой поверхности или впадин в ней, расположенных в последовательных колонках перпендикулярно направлению потока, причем выступы или впадины в последующем ряду расположены в шахматном порядке относительно выступов предыдущего ряда.

Выступы или впадины могут быть расположены в шахматном порядке регулярно или в шахматном порядке беспорядочно.

Выступы и впадины могут проходить в поток на длину в диапазоне 5-15 единиц размера стенки, где единица размера стенки равна вязкости, деленной на квадратной корень из плотности и напряжения сдвига.

Выступы и впадины могут иметь V-образную форму, причем вершины выступов или впадины могут быть направлены против направления течения.

Угол при вершине выступов или впадин может находиться в диапазоне 50-90^o.

Шаг между выступами или впадинами в рядах может составлять один выступ или одну впадину на 200-300 единиц размера стенки.

Шаг между выступами или впадинами в направлении течения может находиться в диапазоне один ряд на 200-300 единиц размера стенки.

Размер выступов в направлении потока может находиться в диапазоне 150-250 единиц размера стенки.

Ниже описаны варианты реализации настоящего изобретения в качестве примеров со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых: фиг. 1 представляет поперечное сечение пристенной области течения перпендикулярно направлению потока; фиг. 2 схематично в плане показывает поле потока, представленное на фиг. 1, где видны полоски или цилиндрические вихри, примыкающие к границе стенки и имеющие волнообразную структуру "в елочку"; фиг.3 показывает поперечное сечение стенки с волнообразной структурой; фиг.4 показывает другой вариант волнообразных структур; фиг.5 представляет часть стенки, в которой имеются выступы; фиг.6 представляет сечение стенки по линии 6-6 на фиг.5.

Как показано на чертежах, позицией 10 обозначена пристенная область течения со стенкой 12, ограничивающей текучую среду 13, в которой имеются локальные статистические структуры в виде вращающихся в противоположные стороны цилиндрических вихрей 14, 16 этой среды. Оси этих цилиндрических вихрей или полосок, как их иногда называют, располагаются усредненно в направлении течения, которое проходит в плоскость чертежа на фиг.1 и которое обозначено стрелкой 17 на фиг.2. Коротко говоря, цилиндрические вихри, вращающиеся в противоположные стороны, в среднем имеют длину, которая намного больше диаметра (приблизительно 1000L*). Как было указано выше, преобладающий размер цилиндрического вихря составляет приближенно от 100L* до 200L* на пару.

В полностью развитом турбулентном течении эти локальные цилиндрические вихри перемещаются по потоку в любой части его у стенки, они разрушаются, искривляются и окончательно исчезают (т.е. уводятся из пристенной области). В патентах, приведенных выше, взаимодействие между парной структурой элементов, которые распределены на поверхности и находятся в потоке, и парными цилиндрическими вихрями, было рассмотрено с точки зрения уничтожения этих цилиндрических вихрей с последующим смешением медленно перемещающейся текучей среды в пограничной зоне с быстро перемещающейся текучей средой в ядре потока и наоборот. В этих патентах описаны активные и пассивные механизмы, которые предназначены для управления и запуска режимов, связанных с распространением волновых структур, которые, как было признано, играют определенную роль в уничтожении цилиндрических вихрей в пристенной области турбулентных течений.

Пассивный механизм в соответствии с изобретениями, описанными в упомянутых патентах и направленными на управление распространением волновых структур, использует измерение формы поверхности, например, канавки, волнистость поверхности и т.п. при наличии турбулентного потока. Например, изменить форму поверхности можно, выполнив в ней канавки или наложив на нее клейкую полосу материала, в которой выполнены углубления заданной формы. Если имеет место волнообразное изменение формы поверхности, то амплитуда волновых структур должна быть в диапазоне 5-20 единиц размера стенки, чтобы она заключала зоны с пиковыми значениями турбулентности. Длина волны или шаг волновых структур зависят от цели, преследуемой при управлении турбулентностью. Ориентация волновых структур, т.е. направление впадин между вершинами их, проходит под углом приблизительно 15-30^o относительно направления потока. Можно сказать, что направление "распространения" волновых структур должно быть приблизительно под углом 60-75^o от вектора скорости потока.

На фиг.2 в плане показаны цилиндрические вихри 14, 16, на которые накладываются волны, распространяющиеся в направлении по стрелке 18, проходящий под углом ±Θ относительно направления 17 потока. Как было указано выше, угол Θ находится в диапазоне 50-80^o, причем это значение угла относится к волнам, несущим основную часть энергии. Учитывая двойное направление этого угла распространения структур, они должны иметь форму "елочки" 20, как это видно на фиг. 2, или перекрестной штриховки, или "накатки". В соответствии с упомянутыми патентами для улучшения перемешивания и, например, повышения теплопередачи (т. е. увеличения турбулентности), следовательно, для уничтожения вихрей волнообразные структуры должны иметь синусоидальную форму, как это показано на фиг.3. Длина волны P преимущественно находится в пределах 100-300 единиц размера стенки для достижения резонанса с режимами возникновения вихревых структур, а амплитуда преимущественно находится в пределах 15-20 единиц размера стенки.

Для уменьшения сопротивления волновые структуры должны иметь рисунок, который способствует фазовой интерференции волн таким образом, как это относится к вышеупомянутой фазовой беспорядочности. Одним из способов достижения этого является создание "хаотической" картины модуляции с помощью резонансной длины волны и суммированием несоизмеримых синусоид с уменьшающейся длиной волны. Сечение такого варианта показано на фиг.4.

В соответствии с настоящим изобретением можно управлять турбулентным сопротивлением на граничной поверхности путем введения в область, примыкающую к ограничивающей стенке, пассивного средства, создающего возмущение, которое способствует или подавляет образование пар цилиндрических вихрей, тем самым увеличивая или уменьшая турбулентность в поле течения. Когда возмущающее действие способствует образованию этих вихрей, сопротивление возрастает, а когда возмущающее действие подавляет их образование, то сопротивление уменьшается.

Предпочтительным способом введения возмущающих действий данного типа является нанесение на ограждающие стенки рельефа вступающих элементов или канавок, в противном случае поверхность остается гладкой. Размеры выступов или канавок, а также рисунок рельефа таких выступов или канавок либо подавляет, либо способствует возникновению пар цилиндрических вихрей.

На фиг. 5 позицией 50 обозначено устройство по настоящему изобретению, предназначенное для подавления образования цилиндрических вихревых пар в пограничном слое или в каком-либо поле течения, ограниченном стенками и направление которого указано стрелкой 53, причем имеет место турбулентный режим течения у поверхности 51 стенки 52. На поверхности 51 имеется средство пассивного типа, предназначенное для внесения в пристенную область возмущающего действия, которое подавляет образование цилиндрических вихревых пар. Такое средство преимущественно имеет форму двумерной решетки 54, образованной выступами 55 на поверхности 51. Как вариант, такое средство может быть образовано канавками в поверхности 51.

Преимущественно решетка 54 образована множеством выступов, расположенных в последовательных рядах, перпендикулярных направлению течения среды, причем выступы в последовательных рядах расположены в шахматном порядке, регулярно или беспорядочно от ряда к ряду. Преимущественно выступы имеют V-образную форму, а их вершины направлены против направления движения потока. Т.е. можно сказать, что вершина 56 выступа обращена навстречу потоку. При этом боковые стороны, которые отходят назад от вершины выступа, показаны на чертеже прямыми, но они могут быть закругленными, вогнутыми или выпуклыми. Кроме этого, угол при вершине выступа преимущественно находится в диапазоне 50-90^oС.

Конкретное применение решетки выступов по настоящему изобретению может потребовать изменения масштаба. Это относится к турбулентным пограничным слоям, которые могут образовываться на крыле или фюзеляже летательного аппарата. Толщина пограничного слоя возрастает в масштабе 1/10 длины обтекаемой поверхности.

Как показано на фиг.5, шаг между выступами в направлении течения (т.е. шаг между рядами в решетке) обозначен "а", а размер выступов в направлении потока обозначен "b". Размер выступов в направлении, перпендикулярном потоку (т. е. размах), обозначен "с". Шаг между выступами в направлении поперек потоку (т.е. в направлении ряда) обозначен "d", а сдвиг между выступами в последующем ряду относительно предыдущего ряда (т.е. в шахматном порядке между колонками выступов) обозначен "е". И наконец, высота или толщина выступов обозначена "f".

Конкретные формы стенок были испытаны в замкнутом контуре низкоскоростной аэродинамической трубы. Размеры испытательной секции аэродинамической трубы следующие: высота 5,5 см, ширина 75 см, длина 850 см. Перед испытательной секцией на расстоянии 150 см расположена камера, выравнивающая поле течения. Числа Рейнольдса при испытаниях составляли 10800-18000, что соответствует осевой скорости 6-10 м/сек. Форма с выступами накладывалась только на нижнюю или донную поверхность испытательной секции.

В табл. А приведены размеры в миллиметрах решеток выступов, которые дали снижение сопротивления, а в табл. В приведены размеры решеток выступов, которые привели к повышению сопротивления. В конструкции 2 сдвиг "е" был фиксированный, регулярный или беспорядочный, указанное значение "е" является усредненным. Конструкции 3 и 4 были оценены при фиксированном сдвиге "е".

В отношении уменьшения сопротивления с использованием конструкции 2 были получены следующие результаты, при этом сдвиг в шахматном порядке был беспорядочный (т. е. решетка с произвольным шагом в шахматном порядке), и при указанных ниже скоростях течения (при скорости 7 м/с единица размера стенки приблизительно равна 0,05 мм): V (м/с) - Изменение сопротивления (%) 5,86 - -9,95 7,03 - -13,5
8,39 - -8,1
9,48 - -6,7
10,05 - -6,5
При фиксированном сдвиге (т.е. картина с равномерным шахматным порядком, как показано на фиг.6) было получено уменьшение сопротивления, но при одинаковых условиях эксперимента этот результат значительно меньше, чем при произвольном сдвиге. Принцип хаотичности был также применен к значениям высоты выступов, а также к V-образной форме выступов.

Были получены результаты для смешения (т.е. увеличения сопротивления), приведенные в табл.С.

В отношении смешения отметим, что сдвиг "е" между выступами в предыдущем и последующих рядах (т.е. расположение в шахматном порядке между колонками) был равен нулю. Другими словами, смешение интенсифицируется, если выступы расположены не в шахматном порядке. Форма такого вида подходит для теплообменных поверхностей и т.п.

Если выступы располагаются в шахматном порядке, то настоящее изобретение можно применить к устройствам, в которых имеется любая движущаяся среда, таким как трубы, патрубки любого поперечного сечения, воздушные суда, например фюзеляжи самолетов, водные суда и т.п. аэродинамические профили, а также каналовые течения, которые исследовались в опытах, описанных выше. Кроме этого, настоящее изобретение можно также применить к активным возмущающим устройствам путем использования пьезоэлектрических и электрогидродинамических средств соответствующего размера, причем эти устройства должны располагаться таким образом, чтобы возмущающее воздействие взаимодействовало с парами цилиндрических вихрей.

Расположение V-образных элементов в ряду может быть также хаотичным, т. е. положение элементов в ряду относительно элементов, находящихся на центральной линии, может быть произвольно выдвинутым или отодвинутым назад. При этом рисунок может повторяться.

Результаты, приведенные выше, относящиеся к уменьшению сопротивления, были получены путем наложения решеток выступов только на нижнюю стенку (пол) исследовательской секции аэродинамической трубы. Если наложить такой материал с выступами на все стенки каналов или труб, то достигнутое уменьшение сопротивления (на основании нелинейного анализа) должно быть в большей степени по сравнению с простым интуитивным дублированием или сложением результатов по каждой стенке. При оптимальных условиях (скорость 7 м/сек для данного примера) уменьшение сопротивления может превысить 30%. Аналогичное улучшение смешения можно ожидать, если наложить на все стенки материал с соответствующим рисунком выступов.

Преимущества и улучшенные результаты, которые получаются при использовании способа и устройства по настоящему изобретению, можно выявить из описания, приведенного выше, предпочтительного варианта реализации изобретения. В рамках прилагаемой формулы изобретения возможны различные изменения и модификации, не отходя от его существа.

Формула изобретения

1. Устройство для снижения турбулентного сопротивления в пристенной турбулентной области поля течения вблизи поверхности стенки, обладающей системой парных цилиндрических вихрей или полосок, примыкающих к поверхности, содержащее средство ввода в пристенную область пассивного возмущающего воздействия, подавляющего образование парных цилиндрических вихрей, отличающееся тем, что средство ввода имеет форму двумерной решетки выступов на упомянутой поверхности или впадин в ней, расположенных в последовательных колонках перпендикулярно направлению потока, причем выступы или впадины в последующем ряду расположены в шахматном порядке относительно выступов предыдущего ряда.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выступы или впадины расположены в шахматном порядке регулярно.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выступы и впадины расположены в шахматном порядке беспорядочно.

4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что выступы и впадины проходят в поток на длину в диапазоне 5-15 единиц размера стенки, где единица размера стенки равна вязкости, деленной на квадратный корень из плотности и напряжения сдвига.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что выступы и впадины имеют V-образную форму, причем вершины выступов или впадины направлены против направления течения.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что угол при вершине выступов или впадин находится в диапазоне 50-90^o.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что шаг между выступами или впадинами в рядах составляет один выступ или одну впадину на 200-300 единиц размера стенки.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что шаг между выступами или впадинами в направлении течения находится в диапазоне один ряд на 200-400 единиц размера стенки.

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что размер выступов в направлении потока находится в диапазоне 150-250 единиц размера стенки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9