ОБТЕКАТЕЛЬ
FAIRING

Настоящее изобретение относится к области судостроения и может быть использовано в протяженных конструкционных элементах, находящихся под действием интенсивного набегающего потока жидкости. Кроме того, изобретение может найти применение в находящихся в условиях существенных ветровых нагрузок наземных протяженных конструкциях, таких как антенны, трубы, тросы и пр.
Известно устройство для гашения вихревой вибрации, применяемое в буксируемых и привязных подводных системах (см. патент US 7380513 2006 г.). Такое устройство представляет собой удобообтекаемый крыловидный профиль достаточно большого удлинения, устанавливаемый на круглое основание (например, трубу) протяженной конструкции, тем самым уменьшая интенсивность образовывающихся при обтекании потоком вихрей, что приводит к снижению уровня вихревой вибрации этой конструкции.
Недостатком данного изобретения является его существенный размер, а именно большое удлинение обтекателя, не позволяющее использовать его, например, на мачтовых устройствах, приведенных в патенте RU 2166458.
Известны также обтекатели для снижения уровня вихревой вибрации мачтовых устройств, лишенные указанного выше недостатка (см. Григоров М.Ю., Зайцев В.Н., Тюшкевич В.В. «Экспериментальная оценка гидродинамических характеристик и виброподверженности укороченных обтекателей мачтовых устройств», Труды Крыловского государственного научного центра. 2015. Вып. 88 (372). С. 149-152.) Форма таких обтекателей представляет собой укороченный крыловидный профиль, приближенный к форме профилей ступеней современных мачтовых устройств. Такая форма обусловлена необходимостью размещения дополнительных механизмов (помимо несущей трубы) внутри корпуса обтекателя и невозможности использования длинных удобообтекаемых профилей в пределах шахты мачтового устройства. Недостатком подобных профилей является их подтвержденная экспериментальным методом существенная виброподверженность, хоть и меньшая по сравнению с круглой трубой. Указанный недостаток обусловлен тем, что интенсивный отрыв вихрей, образованных в результате обтекания такого профиля потоком жидкости, вызывает нестационарную поперечную составляющую гидродинамической силы, действующую на конструкцию.
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща известному устройству Fairing for obtaining steady stabilization effects (Обтекатель, для получения устойчивого эффекта стабилизации, патент US 5449136, 1994 г.). Известное устройство содержит обтекатель, выполненный путем обрезания кормовой части удобообтекаемого крыловидного профиля с канавками в торце.
Недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются ограниченный диапазон скоростей эффективного использования данного устройства, а также то, что использование такого подхода не исключает образования вихрей, ось вращения которых проходит параллельно оси протяженной конструкции. Отрыв этих вихрей при выходе из зон фиксации (канавок в торце обтекателя) приведет к распределению давления по контуру тела, а следовательно, к образованию нестационарной боковой силы. Такая сила приводит к возникновению вихревой вибрации в определенных режимах обтекания конструкции.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является эффективная борьба с вихревой вибрацией протяженных конструкций, находящихся под действием набегающего потока жидкости.
Техническим результатом настоящего изобретения является отсутствие интенсивной вихревой вибрации обтекателя вследствие перераспределения турбулентной кинетической энергии жидкости, что приводит к значительному снижению величины нестационарных вихревых сил в поперечном потоку направлении.
Технический результат изобретения достигается следующим образом. Обтекатель, содержащий удобообтекаемый крыловидный профиль, по изобретению, кормовая часть которого выполнена в виде периодически чередующихся вдоль обтекателя элементов с несимметричными относительно продольной оси поперечными сечениями с одной острой кромкой, при этом поперечное сечение каждого следующего элемента образуется поворотом на 180 градусов сечения предыдущего элемента вокруг продольной оси.
Такая форма кормовой части приводит к тому, что вихри, образованные при обтекании тела с подобной кормовой частью, разворачиваются в другую плоскость таким образом, что их влияние на поперечную составляющую гидродинамической силы становится очень малым.
Дополнительными техническими результатами являются снижение силы лобового сопротивления конструкции по сравнению с круглой трубой, а также осуществление возможности размещения механизмов в пределах корпуса обтекателя по сравнению с удобообтекаемым тонким крыловидным профилем с хордой аналогичного размера.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен профиль поперечного сечения элемента обтекателя.
На фиг. 2 изображен общий вид секции обтекателя.
На фиг. 3 показаны сравнительные графики определенных по результатам эксперимента относительных амплитуд колебаний исходного укороченного и предложенного в изобретении обтекателей.
Заявленное изобретение включает удобообтекаемый крыловидный профиль, кормовая часть которого выполнена в виде периодически чередующихся вдоль обтекателя элементов - 1 с несимметричными относительно продольной оси - 2 поперечными сечениями - 3 с одной острой кромкой - 4. При этом поперечное сечение каждого следующего элемента образуется поворотом на 180 градусов сечения 3 предыдущего элемента вокруг продольной оси 2.
Геометрические характеристики профиля поперечного сечения элементов обусловлены необходимым полезным объемом внутри обтекателя для размещения узлов и механизмов и ограничены допустимыми габаритами обтекателя. Путем набора чередующихся по ориентации поперечного сечения и равных по высоте элементов формируется обтекатель необходимого размаха. Высота элементов обуславливается режимом эксплуатации конструкции, снабженной обтекателем.
Устройство работает следующим образом. Известно, что при обтекании плохообтекаемых протяженных конструкций в следе преобладают течения с образованием вихрей в поперечной плоскости (ось вращения вихря параллельна оси конструкции), тогда как при использовании предложенного обтекателя значительная часть кинетической турбулентной энергии распределяется в том числе вдоль этой оси посредством поворота оси вращения вихря, снижая влияние вихревого отрыва в поперечном направлении, что положительно сказывается на уменьшении нестационарных поперечных компонент гидродинамических сил, а следовательно, приводит к снижению уровня вихревой вибрации. К тому же, острые кромки обеспечивают независимость условий эксплуатации от числа Рейнольдса, что достигается фиксированием точек вихревого отрыва.
Положительный эффект от использования предложенного решения был подтвержден экспериментальным и расчетным методом. Сравнивались амплитуды вихревой вибрации и возникающие при этом поперечные силы на укороченном обтекателе с плоской кормовой частью и предложенном обтекателе. Результаты сравнения приведены на фиг. 3. Результаты исследования показали, что использование заявленного изобретения исключает возникновение интенсивной вихревой вибрации протяженной конструкции, при этом сила лобового сопротивления движению уменьшается.