Обтекаемая конструкция

 

Изобретение относится к области прикладной гидрогазодинамики, в частности к системам для управления пограничным слоем, и может быть использовано, например, на летательных аппаратах, а также на судах и в трубопроводах. Техническим результатом изобретения является снижение гидравлического сопротивления на поверхности обтекаемой конструкции, а также уменьшение теплообмена между текучей средой и поверхностью обтекаемой конструкции. Обтекаемая конструкция содержит открытые полости, ограниченные поверхностями обтекаемой конструкции Полости могут быть выполнены открытыми, по меньшей мере, с любой одной из сторон обтекаемой конструкции. Однако для достижения заявленного технического результата это должна быть та сторона обтекаемой конструкции, которая взаимодействует с потоком текучей среды таким образом, чтобы поток текучей среды мог тангенциально, т.е. продольно обтекать ее и попадать внутрь этих полостей. Если в заявляемой конструкции n-полостей открыты на какую-либо одну ее сторону, взаимодействующую с потоком, обтекающим заявляемую конструкцию, то хотя бы для двух из этих n полостей должно выполняться следующее соотношение: Для i полости обтекаемой конструкции может выполняться соотношение Fi _отв/Fi _общ<0,2, где Fi отв - суммарная площадь отверстий и ограничивающих i полость поверхностях конструкции, Fi _общ - суммарная площадь поверхностей конструкции, ограничивающих i-полость. 1 з.п.ф-лы, 17 ил.

Изобретение относится к области прикладной гидрогазодинамики, в частности к системам для управления пограничным слоем, и может быть использовано, например, на летательных аппаратах, а также на судах и в трубопроводах.

Известна поверхность, обтекаемая жидкостью или газом, содержащая мелкие выступающие элементы в виде ворса (А.с. СССР 464716, F 15 D 1/12, опуб. 1975).

Применение этой поверхности для снижения сопротивления затрудняется такими недостатками, как сложность изготовления и дороговизна ворсистого покрытия, трудность точного выдерживания гидродинамических форм тела, покрытого ворсом, старение со временем материала ворса и изменение его упругих и демпфирующих свойств.

Известно устройство для снижения сопротивления трения потока жидкости или газа, когда на обтекаемую поверхность механическим путем наносится направленная по потоку микрошероховатость типа "риблет", в поперечном сечении напоминающая "рыбью чешую" (Сб. "Снижение вязкого трения" под ред. Г.Р.Хью, М., Машиностроение, 1984).

Основным недостатком такой поверхности является снижение только мелкомасштабной турбулентности.

Известна поверхность Винокурова, снижающая сопротивление трения и состоящая из отдельных пластин, установленных со смещением и соединенных друг с другом посредством эластичных прокладок с образованием герметичных камер (А. с. СССР 1665882, F 15 D 1/12, БИ 27, опубл. 1991 г.).

При движении потока вдоль поверхности твердого тела происходит уменьшение вихреобразования и выравнивание толщины пограничного слоя за счет прогиба пластин и их колебательного движения во всех направлениях.

Основным недостатком указанной поверхности является необходимость крепления ее только к твердому телу, а также значительная инерционность, что существенно снижает область применения данной конструкции.

Известна также поверхность, снижающая сопротивление трения при обтекании ее жидкостью или газом (А.с. СССР 1672021, кл. F 15 D 1/12, БИ 31, опубл. 1991 г.).

Данная поверхность содержит основу, имеющую продольные ребра прямоугольного сечения, на которых закреплены поперечные пластины, между которыми имеются зазоры.

При обтекании поверхности потоком среда в пограничном слое имеет возможность циркулировать из области повышенного давления в область пониженного давления благодаря имеющимся в устройстве свободному пространству и зазорам между продольными ребрами и поперечными пластинами. В результате самопроизвольной циркуляции среды через сообщающиеся между собой поперечные зазоры давление на обтекаемой поверхности выравнивается, снижается величина положительного продольного градиента давления, что снижает вероятность отрыва потока и уменьшает сопротивление трению.

Основным недостатком указанной поверхности является громоздкость конструкции и необходимость крепления ее только к твердому телу, а также значительная инерционность системы, что значительно уменьшает область применения данной поверхности.

Известны устройства, например диффузоры, поверхность которых обтекается жидкостью или газом, и содержит ориентированные поперек потока выступающие элементы в виде ребер (Мигай В.К., Гудков Э.И. "Проектирование и расчет выходных диффузоров турбомашин". Л., Машиностроение, 1981 г., стр. 48-49).

В данной поверхности при движении жидкости поперек ребер турбулентность в пограничном слое увеличивается, кинетическая энергия пограничного слоя возрастает, а это приводит к усилению турбулентного обмена и затягиванию отрыва пограничного слоя от стенки диффузора.

Основным недостатком данных поверхностей является то, что сопротивление трению на них выше, чем на гладкой поверхности.

Предлагаемым изобретением решается задача снижения гидравлического сопротивления на поверхности обтекаемой конструкции, а также уменьшения теплообмена между текучей средой и поверхностью обтекаемой конструкции.

Для достижения указанного технического результата обтекаемая конструкция, содержит открытые полости, ограниченные поверхностями конструкции, причем хотя бы для двух из n полостей, открытых на одну из сторон обтекаемой конструкции, выполняется соотношение где Si - площадь поверхности зеркала, образованного при заполнении i полости максимальным объемом жидкости, Hi - глубина i полости, n - количество полостей, открытых на одну из сторон обтекаемой конструкции.

Для i полости обтекаемой конструкции может выполняться соотношение Fi _oтв./Fi _общ<0,2, где Fi _oтв. - суммарная площадь отверстий в ограничивающих i полость поверхностях конструкции, Fi _общ - суммарная площадь поверхностей конструкции, ограничивающих i полость.

Заявляемая обтекаемая конструкция, иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-17.

На фиг.1, 2 показаны варианты расположения заявляемой обтекаемой конструкции по отношению к поверхности, на которой необходимо снизить гидравлическое сопротивление и теплообмен с текучей средой.

На фиг.3 показан разрез по Б-Б фиг.1.

На фиг.4-9 показаны варианты выполнения заявляемой обтекаемой конструкции, используемой для снижения гидравлического сопротивления и теплообмена с текучей средой в виде самостоятельного элемента.

На фиг.4 показана конструкция, полости которой открыты на одну сторону и имеют разные глубины H1 и Н2.

На фиг. 5 показана конструкция, полости которой открыты на две противоположные стороны и имеют одинаковую глубину Н.

На фиг.6 - вид А на фиг.5.

На фиг.7 показана конструкция, полости которой открыты на одну сторону и имеют одинаковую глубину Н и, кроме того, в ряде поверхностей обтекаемой конструкции, ограничивающих полости, выполнены отверстия.

На фиг.8 показан разрез по В-В фиг.7.

На фиг.9 показан разрез по Г- Г на фиг.5.

На фиг.10-14 показаны различные варианты формы полостей, образованных в обтекаемой конструкции, при виде на конструкцию со стороны открытых полостей, аналогично как на фиг 6.

На фиг.15 - увеличенный фрагмент I на фиг.7.

На фиг. 16 - вариант выполнения и крепления поверхностей обтекаемой конструкции, ограничивающих полости.

На фиг. 17 - распределение осредненной скорости в пограничном слое при использовании диффузорного канала с оребренной поверхностью (см. Мигай В.К., Гудков Э. И. "Проектирование и расчет выходных диффузоров турбомашин". Л., Машиностроение, 1981 г., стр.48-49) и поверхности, изготовленной в соответствии с заявляемым предложением.

Обтекаемая конструкция 1 содержит открытые полости 2, ограниченные поверхностями 3, 4, 5, 6, 7, 8 обтекаемой конструкции 1.

По определению "открытый" - ничем не загражденный, не защищенный, не закрытый ("Большой толковый словарь русского языка", С.-П.,"Норинт", 2000 г., стр. 749).

Полости могут быть выполнены открытыми, по меньшей мере, на одну - любую - из сторон обтекаемой конструкции. Однако для достижения заявленного технического результата это должна быть та сторона обтекаемой конструкции, которая взаимодействует с потоком текучей среды таким образом, чтобы поток текучей среды мог тангенциально, т. е. продольно обтекать ее и попадать внутрь этих полостей. Если в заявляемой конструкции n полостей открыты на какую-либо одну ее сторону, взаимодействующую с потоком, обтекающим заявляемую конструкцию, то хотя бы для двух из этих n полостей должно выполняться следующее соотношение: В формулу изобретения введено понятие Si, которое определено как - площадь поверхности зеркала, образованного при заполнении i-полости максимальным объемом жидкости.

По определению "зеркало - поверхность, площадь чего-либо" ("Большой толковый словарь русского языка". С.-П.,"Норинт", 2000 г., стр. 364). В данном случае под Si понимается площадь поверхности, которую образовала бы жидкость при заполнении полости максимальным объемом жидкости. В качестве жидкости может быть использована, например, вода или какая-либо другая жидкость, обладающая хорошими качествами смачивания и минимальным коэффициентом вязкого трения.

На фиг. 10-14 показаны различные формы выполнения полостей, а следовательно, и различные варианты поверхности, образующиеся при заполнении открытой полости максимальным объемом жидкости, т.е. различные варианты Si.

В случае, если полость открыта больше чем на одну из сторон обтекаемой конструкции, например на две, то при определении Si предполагается, что открытую полость сначала дополнительно ограничивают с одной из сторон поверхностью, до получения открытой с одной стороны полости, после чего заполняют эту открытую с одной стороны полость максимальным объемом жидкости.

В материалах заявки приведено понятие Hi, которое характеризует глубину i полости. Для случая, если полости выполнены открытыми с двух противоположных сторон, понятие глубины также будет справедливо, так как по определению глубина - протяженность, расстояние от передней, наружной стороны, края внутрь до конца или до какой-либо точки ("Большой толковый словарь русского языка", С.-П.,"Норинт", 2000 г., стр. 209).

Конструкция может быть изготовлена из листового материала, например металла, пластика, керамики, дерева, бумаги или иных материалов, что зависит от области ее применения.

Полости обтекаемой конструкции ограничены поверхностями элементов этой конструкции, например перегородок. Перегородки могут быть соединены друг с другом различными способами, например сваркой или пайкой, или штамповкой, например, если они изготавливаются из металла или пластика. В случае изготовления конструкции из бумаги перегородки могут быть получены, например, склеиванием или гофрированием. Толщина поверхностей может быть различной, что зависит от материала и размеров конструкции, а также от области ее применения.

При изготовлении различных вариантов конструкции возможен такой ее частный вариант, при котором поверхности конструкции, ограничивающие полости, могут быть выполнены с перфорацией, либо в них возможно выполнение отдельных отверстий, либо материал, из которого они изготовлены, обладает определенной проницаемостью (см. фиг.7, 15, 16). В соответствии с определением "проницаемость - способность пропускать сквозь себя что-либо" ("Большой толковый словарь русского языка", С.-П., "Норинт", 2000 г., стр. 1018).

В данном случае для i-полости обтекаемой конструкции может выполняться соотношение Fi_отв/Fi_общ<0,2, где Fi _отв - суммарная площадь отверстий в ограничивающих i полость поверхностях конструкции, Fi общ - суммарная площадь всех поверхностей конструкции, ограничивающих i-полость, т.е. можно говорить о том, что проницаемость поверхностей конструкции, ограничивающих i- полость, также должна лежать в данном диапазоне, причем при определении суммарной площади Fi_общ не учитывается суммарная площадь отверстий в ограничивающих i полость поверхностях конструкции Fi отв.

Предлагаемая конструкция может быть либо закреплена и выступать над поверхностью, на которой необходимо снизить гидравлическое сопротивление и теплообмен с рабочей средой (фиг.2), либо заподлицо с этой поверхностью (фиг. 1, 3), либо использоваться в виде самостоятельного устройства (фиг.4, 5, 6, 7, 8, 9), либо соединяться с поверхностью каким-нибудь иным образом.

Работа конструкции осуществляется следующим образом: при тангенциальном обтекании потоком текучей среды заявляемой конструкции на части поверхности конструкции, а именно там, где обтекаемая конструкция содержит открытые полости, ограниченные ее поверхностями, происходит снижение трения. Это связано с уменьшением возмущающего влияния обтекаемой поверхности конструкции на пограничный слой, т.к. набегающий поток как бы скользит по вихрям, образующимся в полостях 2 обтекаемой конструкции 1. При этом эффект снижения трения проявляется при тангенциальном обтекании заявляемой конструкции 1 вне зависимости от направления натекающего потока (варианты направления потока рабочей среды показаны, например, на фиг.14). При этом, хотя бы две из n полостей должны быть открыты на одну сторону обтекаемой конструкции и для них должно выполняться заявляемое в независимом пункте формулы изобретения соотношение.

Пример 1: Авторами были проведены экспериментальные исследования профилей скорости на заявляемой конструкции, изготовленной из повторяющихся шестиугольников, которые имели следующие размеры: толщина перегородок, ограничивающих полости, - 1 мм, длина стороны шестиугольника - 10 мм и глубина полостей, образованных поверхностями, ограничивающими полости- Н=4 мм. Для конструкции обеспечивали тангенциальное, т.е. безотрывное натекание на нее потока.

При этом в одном случае полости были открыты на одну из сторон обтекаемой конструкции (фиг.1, 2, 3, 4, 7, 8), а во втором случае полости были открыты на две противоположные стороны поверхности (фиг.5, 6, 9).

Во втором случае конструкция при испытаниях помещалась в поток таким образом, чтобы обеспечить равномерное обтекание ее потоком с двух сторон, т.е. профили скорости с обеих сторон конструкции были симметричными.

Полученные в результате экспериментов данные практически легли на одну кривую К, приведенную на фиг.17. На графике по оси абсцисс откладывались значения отношения текущей координаты "у" по нормали к поверхности к толщине пограничного слоя "δ", развивающегося на данной поверхности, а по оси ординат - отношение текущей скорости потока u к скорости набегающего потока u_e.

На фиг. 17 приведены сравнительные характеристики значений осредненной скорости в пограничном слое в диффузорном канале с поперечным оребрением (см. Мигай В. К., Гудков Э.И. "Проектирование и расчет выходных диффузоров турбомашин", Л. , Машиностроение, 1981 г.) и при обтекании потоком воздуха онструкции, изготовленной из повторяющихся шестиугольников в соответствии с заявляемой формулой изобретения.

На кривой К показаны результаты экспериментов с заявляемой поверхностью, а на кривой И - результаты экспериментов с оребренной поверхностью.

Пример 2: Авторами были также проведены экспериментальные исследования профилей скорости на заявляемой конструкции, изготовленной из повторяющихся шестиугольников, которые имели следующие размеры: толщина поверхностей, ограничивающих полости, - 1 мм, длина стороны шестиугольника - 10 мм и глубина полостей, образованных поверхностями, ограничивающими полости, - Н=4 мм. Для конструкции обеспечивали тангенциальное, т.е. безотрывное натекание на нее потока. При этом рассматривались варианты конструкция, в которых поверхности, ограничивающие полости, были выполнены проницаемыми. Были проведены два эксперимента, в первом случае отношение F_отв/F_полн=0,18, а во втором случае отношение F отв./F_полн=0,4.

Результаты экспериментов приведены на фиг.17: в первом случае (при соотношении площадей 0,18) экспериментальные точки легли на кривую К, а во втором случае (при соотношении площадей 0,4) - на кривую Л.

Из сопоставления кривых, приведенных на фиг.17, видно, что при использовании обтекаемой конструкции, изготовленной в соответствии с заявляемым решением, трение существенно меньше, чем на поверхности, выполненной с оребрением, в связи с наличием скольжения потока на стенке, так как поток на заявляемой поверхности, как уже было сказано выше, скользит по поверхности образующихся в полостях вихрей.

Формула изобретения

1. Обтекаемая конструкция, содержащая открытые полости, ограниченные поверхностями конструкции, при этом хотя бы для двух из n полостей, открытых на одну из сторон обтекаемой конструкции, выполняется соотношение

где Si - площадь поверхности зеркала, образованного при заполнении i-полости максимальным объемом жидкости;

Hi - глубина i-полости;

n - количество полостей, открытых на одну из сторон обтекаемой конструкции.

2. Обтекаемая конструкция по п.1, отличающаяся тем, что для i-полости выполняется соотношение Fi oтв./Fi общ. < 0,2, где Fi отв. - суммарная площадь отверстий в ограничивающих i-полость поверхностях конструкции, Fi общ. - суммарная площадь поверхностей конструкции, ограничивающих i-полость.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17