Способ уменьшения трения газового потока на обтекаемой поверхности
Владельцы патента RU 2542824:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") (RU)
Изобретение относится к техническим объектам, испытывающим воздействие газовых потоков. Способ снижения трения газового потока на обтекаемой поверхности путем поперечного отсоса потока через перфорацию в обтекаемой поверхности заключается в том, что поперечный отсос газа осуществляют дискретно на отдельных перфорированных участках, расположенных последовательно на обтекаемой поверхности вдоль направления потока. Периодически чередуют отсос с поперечным выдувом. Чередующиеся отсос и выдув проводят дифференцированно со сдвигом фаз периодических отсоса и выдува на соседних участках, создавая таким образом у обтекаемой поверхности поперечные волны, бегущие в направлении потока. Величину скорости поперечных бегущих волн у обтекаемой поверхности создают равной или близкой к скорости газового потока на обтекаемой поверхности. Амплитуду поперечных бегущих волн создают близкой к толщине пограничного слоя на обтекаемой поверхности при прекращении отсоса и выдува. Изобретение направлено на уменьшение энергетических затрат. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к авиационной технике, а также к другим техническим объектам испытывающим воздействие газовых потоков.
При обтекании поверхностей, например: крыла, фюзеляжа летательных аппаратов, и других технических объектов потоком газа возникает сила поверхностного трения, приводящая к торможению потока газа, возникновению пограничного слоя вблизи обтекаемой поверхности и образованию силы сопротивления.
Известны способы снижения трения газового потока на обтекаемой поверхности путем создания участков поверхности движущихся по потоку (см., например, патенты: ФРГ 3534169 (Z2, T6), F-15D-1/12, 25.09.1985, Франции 2.168.196 (В) B64C 23/00, 20.01.1972). Для существенного снижения трения такими способами необходимо обеспечить скорость движения участков обтекаемой поверхности, близкую к скорости обтекающего потока.
Недостатком таких способов являются сложность конструкции, ее большой вес и высокое энергопотребление.
Известно большое количество способов снижения трения газового потока за счет выполнения на обтекаемой поверхности различных ребер, пластин и устройств, разрушающих вихревые структуры в турбулентном пограничном слое (см., например, патенты: США №4706910 НКИ 244-130, 27.12.1984, ФРГ 3609541, F15D-1/12; 21.03.1986, ЕВП заявка №2205289, B64C 21/10, 17.12.1986).
Недостатком таких способов является их низкая эффективность (снижение трения не превышает 15-20%) и возникновение дополнительного собственного сопротивления за счет установки дополнительных ребер и пластин.
Наиболее эффективным из известных способов снижения трения является способ, основанный на ламинаризации течения в пограничном слое путем поперечного (по отношению к направлению потока) отсоса части потока, находящегося в области пограничного слоя, через перфорацию в обтекаемой поверхности (см., например, патент РФ №2362708; МПК B64C 21/06, 11.05.2005 г.).
Недостатком данного способа являются большие затраты энергии, связанные с необходимостью отсоса большого количества воздуха и необходимостью его отвода с обтекаемой поверхности.
По техническим признакам данный способ наиболее близок предлагаемому изобретению и является его прототипом.
Задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение трения газового потока на обтекаемой поверхности при малых энергетических затратах.
Решение задачи и технический результат изобретения достигаются тем, что в способе снижения трения газового потока на обтекаемой поверхности путем поперечного отсоса потока через перфорацию в обтекаемой поверхности, поперечный отсос газа осуществляют дискретно на отдельных перфорированных участках, расположенных последовательно на обтекаемой поверхности вдоль направления потока, и периодически чередуют отсос с поперечным выдувом, причем чередующиеся отсос и выдув проводят дифференцированно со сдвигом фаз периодических отсоса и выдува на соседних участках, создавая таким образом у обтекаемой поверхности поперечные волны, бегущие в направлении потока.
Величину скорости поперечных бегущих волн у обтекаемой поверхности создают равной или близкой к скорости газового потока на обтекаемой поверхности. Амплитуду поперечных бегущих волн создают близкой к толщине пограничного слоя на обтекаемой поверхности при прекращении отсоса и выдува
Трение газового потока на обтекаемой поверхности обусловлено взаимным соприкосновением движущегося потока с неподвижной поверхностью.
Сущность предлагаемого способа состоит в том, что для снижения трения поток газа отделяют от контакта с неподвижной поверхностью путем создания между ними бегущих поперечных волн, за счет периодических чередующихся и сдвинутых по фазе поперечных отсосов и выдувов газа из участков обтекаемой поверхности, располагаемых последовательно вдоль направления обтекания.
Бегущие в направлении потока поперечные волны создают эффект подвижной границы, обеспечивающий значительно меньшее взаимодействие и торможение потока, чем на неподвижной поверхности, что в итоге приводит к уменьшению сопротивления трения.
Периодически чередующиеся отсос и выдув газа требуют значительно меньших затрат энергии по сравнению с постоянным отсосом газа с обтекаемой поверхности, как это имеет место в прототипе.
На фигуре представлена принципиальная схема сечения обтекаемой поверхности для уменьшения трения газового потока предлагаемым способом и процесс создания поперечных бегущих волн на обтекаемой поверхности.
Предлагаемый способ осуществляют на обтекаемой поверхности 1 с раздельными перфорированными участками 2, расположенными последовательно по направлению потока. Через перфорированные участки обтекаемой поверхности проводят поперечные периодически чередующиеся отсос и выдув газа 3 (далее по тексту отсос-выдув), например, такого же состава, как и обтекающий поток.
Отсос-выдув на соседних участках проводят со сдвигом фаз, создающим у обтекаемой поверхности поперечные волны 4, бегущие в направлении потока.
Периодический поперечный отсос-выдув у обтекаемой поверхности может быть осуществлен, например, с помощью электромагнитных мембранных вибрационных насосов 5, установленных на каждом из перфорированных участков и изображенных на фигуре условно в виде полуокружности.
Бегущие в направлении потока поперечные волны отделяют поток от обтекаемой поверхности и оказывают на него преимущественно поперечное воздействие, которое не оказывает существенного влияния на торможение потока.
Наибольшее влияние на уменьшение торможения и трения потока достигают при скорости бегущих волн, равной или близкой к скорости потока.
При скорости бегущих волн, равной скорости потока, трение потока у обтекаемой поверхности будет минимальным и практически не будет оказывать влияние на обтекание.
Амплитуду бегущих поперечных волн достаточно создавать близкой к толщине пограничного слоя, образующегося на обтекаемой поверхности при прекращении отсоса и выдува. В этом случае для создания отсоса-выдува и поперечных бегущих волн будут использовать небольшое количество газа из пограничного слоя обтекаемой поверхности, что требует значительно меньшего количества энергии, чем при постоянном отсосе газа.
В способе прототипе отсос с обтекаемой поверхности способствует ламинаризации обтекания и за счет этого снижается величина поверхностного трения. При этом взаимодействие потока с обтекаемой поверхностью и поверхностное трение сохраняются.
В предлагаемом способе взаимодействие потока с обтекаемой поверхностью радикальным образом ослабляется за счет создания бегущих поперечных волн между потоком и обтекаемой поверхностью. За счет этого снижение поверхностного трения будет значительно большим по сравнению с прототипом.
1. Способ снижения трения газового потока на обтекаемой поверхности путем поперечного отсоса потока через перфорацию в обтекаемой поверхности, отличающийся тем, что поперечный отсос газа осуществляют дискретно на отдельных перфорированных участках, расположенных последовательно на обтекаемой поверхности вдоль направления потока, и периодически чередуют отсос с поперечным выдувом, при этом отсос и выдув проводят дифференцированно со сдвигом фаз отсоса и выдува на соседних участках и создают таким образом у обтекаемой поверхности поперечные волны, бегущие в направлении потока.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину скорости поперечных бегущих волн у обтекаемой поверхности создают равной или близкой к скорости газового потока.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что амплитуду поперечных бегущих волн создают близкой к толщине пограничного слоя на обтекаемой поверхности при прекращении отсоса и выдува.
