Поверхность твердого тела, обтекаемая вязкой средой

Изобретение относится к машиностроению и транспортной технике, касаясь снижения гидродинамического трения при обтекании поверхности твердого тела вязкой средой. Поверхность твердого тела имеет множество ориентированных поперек потока обтекания канавок. Канавки ограничены с боков плоскостями или поверхностями вращения. Оси вращения этих поверхностей в плоскости, образованной точкой пересечения оси с поверхностью обтекания и нормалью, опущенной с оси на поверхность обтекания, наклонены под углом α, размеры которого варьируются от 0 до 90° по отношению к поверхности обтекания. Плотность нанесения канавок на обтекаемую поверхность варьируется от 5 до 99,9% общей площади поверхности обтекания. Поверхность канавки выполнена в виде усеченной фигуры вращения, ось которой расположена ниже поверхности обтекания. Длина канавки варьируется от половины глубины канавки до пятидесяти глубин канавки. Изобретение снижает сопротивление обтекания твердого тела вязкой средой путем предотвращения отрыва пограничного слоя. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Применяется в качестве поверхности для уменьшения гидродинамического трения при обтекании поверхности твердого тела вязкой средой. Изобретение относится к области машиностроения (подшипники скольжения) и транспорта - водного, авиационного и трубопроводного (классы 6, 7, 12 по МКТУ8).

В существующей практике поверхность транспортного средства, обтекаемая вязкой средой (вода, воздух, углеводороды и т.п.), изготавливается с высокой чистотой, для снижения гидродинамического сопротивления обтеканию.

Известны способы уменьшения гидродинамического трения путем нанесения на поверхность микрорельефов, которые вызывают турбулентное течение в пограничном слое, что приводит к снижению гидродинамического сопротивления при обтекании твердой поверхности вязкой средой с большими числами Рейнольдса.

Известны способы уменьшения гидродинамического трения путем нанесения на поверхность лунок, что отмечено в работе «Идентификация самоорганизующихся вихревых структур при численном моделировании ламинарного пространственного обтекания лунки на плоскости потоком вязкой несжимаемой жидкости». С.А.Исаев, А.И.Леонтьев, Д.П.Фролов, В.Б.Харченко, Письма в ЖТФ, 1998, том 24, № 6.

Известно, что сопротивление обтеканию водой снижается на 2...5% по сравнению с идеально гладкой поверхностью при применении установленных поперек потока желобков, в поперечном сечении, напоминающих зубья пилы (Фиг.1). На Фиг.1 изображена поверхность прототипа, а стрелками К показано направление потока обтекания. Данная поверхность носит гипотетический характер и построена на основании словесного описания в рекламной информации и соображений, полученных мною на основании независимых исследований.

Это на первый взгляд парадоксальное явление, объясняется возникновением в пограничном слое множества микровихрей, благодаря чему падает сопротивление обтеканию.

Недостатком прототипа является то, что длинные незамкнутые канавки не создают условий для устойчивого состояния микровихрей, и они отрываются от поверхности обтекания, на что уходит дополнительная энергия.

Мною предлагается поверхность твердого тела 1, на которой выполнено множество поперечных потоку вязкой среды К канавок 2, ограниченных с боков поверхностями 3, на которых удерживается вихрь (Фиг.2). Боковые поверхности канавок 3 выполнены в частном случае в виде плоскости (Фиг.2 и 3) или фигуры вращения, ось вращения которой составляет угол альфа (Фиг.3) по отношению к поверхности обтекания, размеры которого варьируются от 0 до 90°, причем оптимальная глубина h канавок имеет размер от 0,1 до 10 мм в зависимости от плотности вязкой среды р, вязкости обтекающей тело среды μ, от скорости обтекания V_п (Фиг.5) и статического давления среды Р₀, а длина канавки L варьируется от L=0,5 h до L=50 h (Фиг.3). Плотность нанесения канавок на обтекаемую поверхность варьируется от 5 до 99,9% общей площади поверхности обтекания.

Целью нанесения указанных канавок является снижение сопротивления обтекания твердого тела вязкой средой путем предотвращения отрыва пограничного слоя. В центральной части вихря (Фиг.5, 6) создается разряжение. Давление в центральной части вихря может быть оценено как

P_в=P₀-(pV_в ²):2,

где Р_в - давление в центральной части вихря; Р₀ - статическое давление вязкой среды; р - плотность вязкой среды; V_в - скорость на границе вихря, равная по соображениям неразрывности скорости потока V_п. Пограничный слой с поверхности 1 (Фиг.2, 3) всасывается в зону пониженного давления, подпитывая вихрь. Попав в центральную часть вихря, частицы вязкой среды принимают участие в вихревом движении и присоединяются к потоку вязкой среды, омывающему поверхность, без образования турбулентных вихрей, что показано на Фиг.5.

Указанная цель снижения гидродинамического трения достигается тем, что на поверхности обтекания выполнено множество поперечных потоку вязкой среды канавок, ограниченных с боков поверхностями, на которых замыкаются вихри, образовавшиеся под воздействием потока в канавке. Оптимальная глубина h канавок выбирается в зависимости от плотности вязкой среды р, вязкости обтекающей тело вязкой среды μ, скорости обтекания V_п и статического давления среды Р₀. Благодаря наличию боковой поверхности 3 у канавки 2 (Фиг.2, 3, 4) возникает условие устойчивого (безотрывного) существования вихря, который служит своеобразным гидродинамическим «подшипником», по которому «прокатывается» обтекаемая среда без затрат энергии на хаотическую турбулизацию.

Такое конструктивное выполнение поверхности обтекания обеспечивает существенное до 50% снижение гидродинамического трения.

На Фиг.1 изображена в изометрии поверхность прототипа.

На Фиг.2 изображена предлагаемая поверхность.

На Фиг.3 изображено сечение вдоль канавок.

На Фиг.4 изображено сечение поперек канавок.

На Фиг.5 и 6 изображена траектория движения частиц обтекающей вязкой среды, втянутых в вихрь, из пограничного слоя поверхности обтекания.

На наружной поверхности вихря скорость частиц V_в из пограничного слоя (траектория М) и обтекающего потока V_п (траектория К) практически равны по соображениям неразрывности течения, благодаря чему резко снижается сопротивление обтекания (Фиг.5, Фиг.6).

Для оптимизации процесса глубина канавок h выбирается по четырем параметрам: h=F (μ, V_п; Р₀; р) где μ - вязкость обтекающей среды; V_п - скорость обтекания; Р₀ - статическое давление обтекающей среды; р - плотность вязкой среды.

Боковые поверхности канавок 3 выполнены в виде плоскости (Фиг.2 и 3) или фигуры вращения, ось вращения которой составляет угол альфа с обтекаемой поверхностью 1, размеры которого варьируются от 0 до 90°.

Мною была сконструирована, построена и испытана указанная поверхность с углом альфа, варьирующимся от 0 до 5°. Длина канавки составляла 10-12 мм, глубина канала цилиндрической формы составляла от 1,5 до 2 мм, плотность нанесения канавок на обтекаемую поверхность составляла 57%, при этом было достигнуто снижение гидродинамического трения от 25 до 38%.

Для того чтобы поток не соприкасался с поверхностью обтекания, а в основном с поверхностями вихрей, боковые поверхности, ограничивающие канавки по длине, расположены на соседних канавках по ходу потока со смещением относительно друг друга, как показано на Фиг.2. При этом поток, прокатившись по вихрям, возникшим в одном ряде канавок, не успевает достичь поверхности обтекания в месте, где отсутствуют канавки (поверхность обтекания представляет собой часть плоскости между боковыми поверхностями, ограничивающими канавки с боков) и опирается на вихри, возникающие в следующем ряде канавок.

В трудно обтекаемых зонах, зонах затенения потока вязкой жидкости, для предотвращения отрыва потока возникает необходимость максимально отодвинуть поток от обтекаемой поверхности. Для этого целесообразно поверхность, образующую канавку, выполнять как часть тороидальной поверхности, чтобы вихри, генерируемые в канавках, отодвигали поток на максимальное расстояние от поверхности обтекания.

Для интенсификации удаления пограничного слоя с поверхности, обтекаемой вязкой средой, поверхность, образующую канавку, целесообразно выполнять в виде усеченной фигуры вращения, ось вращения которой составляет угол от 0 до 60° с обтекаемой поверхностью твердого тела в плоскости, образованной точкой пересечения оси с поверхностью твердого тела и нормалью, опущенной с оси на обтекаемую поверхность твердого тела. При этом вихрь, возникающий в канавке, будет одним концом прикрепляться к боковой (торцевой) поверхности канавки, ограничивающей канавку, а другим устремляться в поток, вынося в него стекающийся в центр вихря пограничный слой.

1. Поверхность твердого тела, обтекаемого вязкой средой, имеющая множество ориентированных поперек потока обтекания канавок, отличающаяся тем, что канавки ограничены с боков плоскостями или поверхностями вращения, оси вращения этих поверхностей в плоскости, образованной точкой пересечения оси с поверхностью обтекания и нормалью, опущенной с оси на поверхность обтекания, наклонены под углом α, размеры которого варьируются от 0° до 90° по отношению к поверхности обтекания, причем плотность нанесения канавок на обтекаемую поверхность варьируется от 5 до 99,9% общей площади поверхности обтекания, кроме этого поверхность канавки выполнена в виде усеченной фигуры вращения, ось которой расположена ниже поверхности обтекания, при этом длина канавки варьируется от половины глубины канавки до пятидесяти глубин канавки.

2. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что ось усеченной фигуры вращения поверхности канавки параллельна поверхности твердого тела.

3. Поверхность по п.2, отличающаяся тем, что канавка выполнена с каналом цилиндрической формы.

4. Поверхность по п.2, отличающаяся тем, что поверхность канавки является частью тороидальной поверхности.

5. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что поверхность канавки выполнена в виде усеченной фигуры вращения, ось вращения которой составляет угол от 0 до 60° с обтекаемой поверхностью твердого тела в плоскости, образованной точкой пересечения оси с поверхностью твердого тела и нормалью, опущенной с оси на обтекаемую поверхность твердого тела.