СПОСОБ СНИЖЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТРЕНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНОГО ТЕЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
FRICTION REDUCTION METHOD FOR AXISYMMETRIC BODY AND RELATED DEVICE

Изобретение относится к области аэромеханики и может быть использовано в воздушном транспорте для уменьшения сопротивления трения движущегося объекта при его обтекании потоком воздуха, а также в устройствах для управления структурой пристенной турбулентности.
Известен способ снижения аэродинамического сопротивления тела вращения путем формирования спиральных вихревых колец с помощью генератора вихря, представляющего собой неподвижную спиралевидную конструкцию, разработанную в соответствии с правилом "Золотого сечения" и установленную на носовой части тела вращения (патент WO 03/056190 А1, 2003). Сформированные таким образом спиральные вихревые кольца сносятся вниз по потоку, воздействуя на свойства течения тела вращения и уменьшая его сопротивление трения. Генератор вихря может быть также выполнен в виде спиралевидной канавки (или желоба), изготовленной на поверхности тела вращения по всей его длине.
Недостаток данного технического решения заключается в том, что оно может быть использовано лишь для конкретного режима обтекания движущегося объекта, поскольку жесткая (нерегулируемая) конструкция генератора вихря исключает возможность эффективного управления потоком в условиях изменившегося режима течения. Эффективность указанного способа воздействия на вязкий поток с точки зрения уменьшения сопротивления движущегося объекта не определена.
Известен способ снижения аэродинамического сопротивления, состоящий в том, что на поверхности обтекаемого тела (преимущественно на обшивке летательного аппарата) устанавливают вихреобразователи поперек набегающего потока, которые выполнены в виде последовательности гребней, имеющих выпуклую и вогнутую поверхности, причем выпуклая часть обращена навстречу потоку (патент RU 907971, 1995), либо вихреобразователи с установленными на всей высоте гребня параллельными поперечными перегородками, препятствующими сходу вихрей при перетекании потока с нижней поверхности крыла на верхнюю (патент RU 2001833, 1990), либо вихреобразователи, в донной части которых имеются сквозные щелевые отверстия, выходящие на обтекаемую поверхность и способствующие ослаблению отрыва потока (патент RU 95106564, 1997). При обтекании гребня вследствие вязкого взаимодействия и прилипания потока к выпуклому участку поверхности в зоне ее вершины или кромки (эффект Коанда) присоединенный слой потока за кромкой под действием донного разрежения поворачивает в полость между гребнями. Двигаясь далее по круговой поверхности, поток сворачивается в вихрь, обеспечивая снижение сопротивления за счет реализации трения качения между вихрем и потоком.
Недостатками перечисленных технических решений является сложность конструктивного оформления обтекаемой поверхности летательного аппарата и невысокая эффективность их использования как пассивного способа управления потоком в условиях изменившегося режима течения. Количественные данные, подтверждающие эффективность указанного способа воздействия на вязкий поток с точки зрения снижения сопротивления обтекаемой несущей поверхности, не представлены.
Известен способ управления турбулентностью в пограничном слое, который предполагает наличие в пограничном слое системы вихревых пар, диаметр которых функционально связан с интенсивностью потока и распространяющихся в направлении потока с помощью линейной полоски или дельтовидных выступов, расположенных на стенке поперек направления течения, либо с помощью генератора звуковых частот (патент RU 2159363, 1996). С целью снижения сопротивления воздействуют на область расположения системы вихревых пар путем введения локального возмущения, что приводит к генерированию пары наклонных волн, усиливающих вихревые пары, так что вихревые пары становятся организованными.
Недостатком данного способа управления является сложность практической реализации, невозможность его использования для управления структурой пристенной турбулентности тела вращения и невысокая эффективность с точки зрения снижения сопротивления трения.
Наиболее близким по принципу подачи воздуха во внешнюю среду к заявляемому способу является способ снижения трения, базирующийся на использовании актюатора синтетической струи (Exp. in Fluids, 2001, Vol.31), представляющего собой устройство, состоящее из плоской стенки со щелью шириной 5 мм и расположенного под ней динамического громкоговорителя. Создавая с помощью динамического громкоговорителя фазу отсоса и фазу вдува, формируют поперечную плоскую струю из щели во внешний поток, которая, скручиваясь в форме вихря, взаимодействует с внешней средой.
В качестве основного недостатка данного способа воздействия на пограничный слой следует указать невозможность его использования для снижения турбулентного трения осесимметричного тела, поскольку в этом случае необходимо генерировать последовательность тороидальных вихрей с заданными свойствами. Кроме того, широкая щель по существу представляет собой каверну, являющуюся источником дополнительных возмущений во внешний поток.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение составляющей поверхностного трения осесимметричного тела, обтекаемого потоком воздуха, путем генерации тороидальных вихрей в турбулентном пограничном слое осесимметричного тела, распространяющихся соосно его продольной оси, с возможностью управления вихрем по частоте следования и его интенсивности. Решение задачи создает благоприятную возможность для управления турбулентным течением, формирующемся в более общем случае обтекания движущегося объекта сходной геометрии.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в стенке осесимметричного тела организуют узкую кольцевую щель шириной 1-1,5 мм, ориентированную под отрицательным углом (-100°≤α≤-120°) к продольной оси х, направленной вдоль образующей осесимметричного тела, через которую осуществляют периодический вдув/отсос воздуха контролируемой частоты и амплитуды с помощью источника периодических колебаний, например динамического громкоговорителя. Способ состоит в том, что в процессе взаимодействия поперечного струйного течения, направленного из кольцевой щели в сторону внешнего потока, и набегающего сдвигового потока в пограничном слое, формирующемся на стенке осесимметричного тела, генерируются тороидальные вихри, распространяющиеся вниз по потоку; при этом, изменяя их интенсивность и частоту следования, можно управлять структурой пристенной турбулентности и снизить сопротивление трения осесимметричного тела. Постоянство циркуляции скорости в окружном направлении обеспечивают тем, что под щелью располагают кольцевую нагнетательную камеру, отделенную от щели решеткой с системой дросселирующих отверстий диаметром 0,3-0,5 мм. Процесс генерации тороидальных вихрей может быть организован через несколько последовательно расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга кольцевых щелей.
Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.
0
0
f
max
∞
*
f
∞
*
f
+
+
+
2
На фиг.1 изображено устройство для снижения сопротивления осесимметричного тела, включающее устройство периодических колебаний; на фиг.2 показана типичная фотография визуализации течения в окрестности щели (плоскость xy) методом лазерного ножа; на фиг.3а) приведены сравнительные профили средней скорости для случая A= 0,4; f=0,0051 и при отсутствии периодического вдува/отсоса (f=0). Здесь A=(υ)/U и f=fv/υ  - безразмерные амплитуда и частота периодической компоненты скорости ν в единицах закона стенки турбулентного пограничного слоя, где U - скорость потока, υ - коэффициент кинематической вязкости и υ - динамическая скорость; на фиг.3б) для тех же случаев показаны сравнительные профили турбулентных пульсаций скорости; на фиг.4 представлено изменение местного коэффициента поверхностного трения C вниз по потоку от щели.
Устройство для снижения сопротивления трения осесимметричного тела содержит источник периодических колебаний 7, вынесенный за пределы осесимметричного тела (или установленный внутри него), который осуществляет импульсную подачу воздуха в кольцевую нагнетательную полость 2 и от нее через решетку 3 с системой дросселирующих отверстий - в, по крайней мере, одну наклонную кольцевую щель 4, выполненную в стенке осесимметричного тела.
Способ осуществляется следующим образом.
0
0
0
0
+
+
Способ снижения сопротивления трения осесимметричного тела при его обтекании потоком воздуха состоит в том, что при периодическом вдуве/отсосе через кольцевую щель, выполненную в стенке указанного тела, на фазе вдува набегающий сдвиговый поток временно блокируется поперечным струйным течением, направленным из щели в сторону внешнего потока, вследствие чего давление в области течения непосредственно за щелью, как следует из результатов эксперимента, резко уменьшается, и происходит обрушение основного потока и его скручивание в форме тороидального вихря. Последующая за тем фаза отсоса способствует дальнейшему повышению устойчивости формирующегося вихревого движения с направлением вращения против часовой стрелки (см. фиг.2). Результаты экспериментов показывают, что, распространяясь вниз по потоку, тороидальный вихрь способствует смещению низкоскоростных слоев газа вверх, образованию вблизи стенки заторможенной области течения и, как следствие, утолщению вязкого подслоя турбулентного пограничного слоя. Таким образом, доминирующая роль вихря в процессе формирования структуры течения и, как следствие, снижении трения вниз по потоку от кольцевой щели очевидна. Эффективность данного способа воздействия на структуру пристенной турбулентности зависит от интенсивности и слабо от частоты следования вихря, которые можно просто регулировать путем изменения амплитуды и частоты источника периодических колебаний в пределах A= 0,2-0,5 и f = 0,0048-0,0122. За пределами указанного диапазона значений A эффективность воздействия ослабевает. Так, при A≥0,5 происходит перевозбуждение потока по причине чрезмерной интенсивности поперечной струи, в то время как при A≤0,2 струя, наоборот, слабая и предпосылки образования вихря заметно снижаются. Что касается частоты, то существенного влияния в отмеченном диапазоне значений f на эффективность воздействия эта величина не оказывает.
Эффективность воздействия на структуру течения и, как следствие, снижение составляющей трения могут быть повышены за счет генерации вихрей через несколько последовательно расположенных на расстоянии друг от друга кольцевых щелей; при этом автономное управление вихрями, формирующимися в окрестности каждой щели, обеспечивают путем фазовой синхронизации частоты их следования.
Пример
0
+
Устройство для снижения сопротивления трения - генератор тороидальных вихрей - представляет собой часть осесимметричного тела (см. фиг.1), обтекаемого потоком воздуха справа налево. В стенке осесимметричного тела изготовлена наклонная кольцевая щель 4, расположенная в области равновесного (по Клаузеру) турбулентного пограничного слоя. При необходимости ширину щели можно регулировать, хотя достаточно выбрать ее равной 1-1,5 мм. Отрицательный по отношению к продольной оси x угол наклона щели α, равный -120°, обеспечивает наилучшие предпосылки для образования тороидального вихря. При α≥-120° обтекание поверхности не соответствует условиям обтекания гидравлически гладкой поверхности, вследствие чего сопротивление увеличивается. При α≤-120° предпосылки для образования тороидального вихря ухудшаются. Непосредственно под щелью располагается нагнетательная кольцевая камера 2, отделенная от щели решеткой 3 с системой дросселирующих отверстий, диаметр которых подбирается из условия обеспечения как постоянства циркуляции скорости в окружном направлении, так и минимальных потерь по тракту "источник колебаний - внешний поток (турбулентный пограничный слой)". Создают режим турбулентного течения на теле вращения и задают вдув/отсос воздуха через кольцевую щель с требуемыми амплитудно-частотными параметрами. Вдув/отсос воздуха в камеру и затем в щель и обратно осуществляется от источника периодических колебаний 7 с синусоидальным выходом контролируемых частоты и амплитуды (например, от динамического громкоговорителя, расположенного за пределами модели). Мощность источника подбирается из условия достижения требуемых амплитуды A и частоты f колебаний на выходе из щели. Выход источника колебаний при помощи шланга связан с кольцеобразным каналом плавной геометрии, обеспечивающим доступ к радиальным отверстиям, и от них к камере. При наличии источника периодических колебаний требуемых размеров и амплитудно-частотных характеристик он может быть размещен также непосредственно внутри модели.
+
+
Экспериментальная проверка предлагаемого технического решения и способа его осуществления показала, что при указанном способе воздействия на внешний поток непосредственно позади щели 4 формируется отчетливо выраженный тороидальный вихрь 5 с направлением вращения против часовой стрелки (см. фиг.2, где набегающий поток - справа налево), частота следования и интенсивность которого регулируются с помощью источника периодических колебаний, и легко достигаются в требуемом диапазоне их значений. В представленном примере характерный поперечный размер ядра вихря на расстоянии Δx от щели порядка 1,2δ*, где δ* - толщина вытеснения пограничного слоя, составляет около 65y (y - безразмерная координата в законе стенки). С увеличением расстояния Δx/δ* вихрь удаляется вниз по течению, постепенно смещаясь от стенки в сторону возрастания поперечной координаты y, а его интенсивность вследствие воздействия сил вязкости и турбулентности уменьшается, что в конечном итоге приводит к разрушению вихря. Однако характерные признаки существования вихря заметны даже на расстоянии Δx порядка 30-40δ*.
e
0
+
+
+
На фиг.3а) в виде зависимости U/U=f(y/δ**), где δ** - толщина потери импульса пограничного слоя, представлены сравнительные профили средней скорости в пристенной части пограничного слоя для случая A=0,4; f=0,0051 и при отсутствии периодического вдува/отсоса (исходное течение, f=0). В пределах определенной погрешности линейный характер распределения скорости при f≠0 распространяется на значительное расстояние y от стенки. Градиент скорости ∂u/∂y при y/δ**≈0 в присутствии периодического воздействия уменьшается, по крайней мере, вдвое, что свидетельствует о снижении поверхностного трения.
Заслуживает внимания тот факт, что при наличии периодического воздействия в виде вдува/отсоса максимум турбулентных пульсаций скорости смещается в сторону больших значений y (стрелка на фиг.3б)). Это дает основание полагать, что в этом случае толщина вязкого подслоя возрастает, что, как следствие, должно способствовать снижению поверхностного трения.
f
f
Результаты измерений местного коэффициента поверхностного трения (средней по времени величины), представленные в виде зависимости C=f(Δx/δ*) (см. фиг.4, темные кружки), где координата Δx отсчитывается от задней кромки кольцевой щели, свидетельствуют о существенном выигрыше в C в сравнении с аналогичной величиной для исходного течения (светлые кружки). Начиная с расстояния от щели, составляющего около полутолщины вытеснения пограничного слоя δ* и далее вниз по течению вплоть до 25δ*, наблюдается устойчивое снижение локального трения, максимальная величина которого достигает 70%.
Источники информации
1. Патент WO 03/056190 А1, 2003.
2. Патент RU 907971, 1995.
3. Патент RU 2001833, 1990.
4. Патент RU 95106564, 1997.
5. Патент RU 2159363, 1996.
7. Exp. in Fluids, 2001, Vol.31 - прототип.