СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF LIFT FORCE CREATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к машиностроению, в частности к аппаратам, находящимся в вязкой текучей среде, и касается конструирования и технологии создания устройств, обеспечивающих получение подъемной силы аппаратов.
Известен способ создания подъемной силы на поверхности (патент RU 2116224), находящейся в вязкой текучей среде, заключающийся в создании разности давлений, действующих на противоположные стороны этой поверхности за счет увеличения циркуляции вязкой текучей среды вокруг нее путем образования на одной из сторон этой поверхности слоя частиц вязкой текучей среды, движущихся на расстоянии от последней и повороте этого слоя частиц в направлении соответствующей стороны поверхности путем понижения давления вязкой текучей среды в области, ограниченной с одной стороны слоем частиц, а с другой - одной из сторон упомянутой поверхности.
Недостатком данного способа создания подъемной силы является низкий КПД и незначительный диапазон применения, поскольку он способствует незначительному увеличению циркуляции вязкой текучей среды.
Известен также способ создания подъемной силы на поверхности (патент RU 2144886), находящейся в вязкой текучей среде, заключающийся в создании разности давлений, действующих на противоположные стороны этой поверхности за счет увеличения циркуляции вязкой текучей среды вокруг нее путем образования на одной из сторон этой поверхности слоя частиц вязкой текучей среды, движущихся на расстоянии от последней и повороте этого слоя частиц в направлении соответствующей стороны поверхности путем понижения давления вязкой текучей среды в области, ограниченной с одной стороны слоем частиц, а с другой - одной из сторон упомянутой поверхности с помощью отбора струи вязкой текучей среды из упомянутой области с образованием струи вязкой текучей среды, втекающей в упомянутую область и ускоряемой в ней по мере обтекания ею поверхности, ограничивающей упомянутую область для снижения в ней статического давления. Известно устройство для осуществления этого способа создания подъемной силы на поверхности, находящейся в вязкой текучей среде, расположенное в передней по отношению к направлению горизонтального движения этой поверхности части, содержащее емкость, заполненную вязкой текучей средой, каналы, сообщающие указанную емкость с верхней поверхностью.
Однако слой частиц вязкой текучей среды, ограничивающий область пониженного давления, увеличивает подъемную силу, действующую на поверхность только за счет роста циркуляции, обусловленной увеличением кривизны «аэродинамического профиля» по сравнению с «жестким профилем» за счет струи, движущейся под углом к поверхности. Кроме того, снижение давления за счет изъятия части вязкой текущей среды и эжектирующего действия струи недостаточно эффективно и приводит к существенному рассеиванию энергии, то есть снижению КПД при увеличении подъемной силы.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении диапазона применения, расширении арсенала технических средств и повышении эффективности способа создания подъемной силы, то есть КПД.
Поставленная задача решается тем, что в способе создания подъемной силы на поверхности, находящейся в вязкой текучей среде, заключающемся в создании разности давлений, действующих на противоположные стороны этой поверхности за счет увеличения циркуляции вязкой текучей среды вокруг нее путем образования на одной из сторон этой поверхности слоя частиц вязкой текучей среды, движущихся на расстоянии от последней и повороте этого слоя частиц в направлении соответствующей стороны поверхности путем понижения давления вязкой текучей среды в области, ограниченной с одной стороны слоем частиц, а с другой - одной из сторон упомянутой поверхности с помощью отбора струи вязкой текучей среды из упомянутой области с образованием струи вязкой текучей среды, втекающей в упомянутую область и ускоряемой в ней по мере обтекания ею поверхности, ограничивающей упомянутую область для снижения в ней статического давления, частицы в слое вязкой текучей среды, ограничивающем область пониженного статического давления, закручивают в интенсивное вихревое движение, формируя слой устойчивых присоединенных к поверхности вихрей, а втекающую в область пониженного давления и ускоряемую в ней струю вязкой текучей среды закручивают в высокоэнергетический вихревой жгут. В устройстве для осуществления способа создания подъемной силы на поверхности, находящейся в вязкой текучей среде, расположенном в передней по отношению к направлению горизонтального движения этой поверхности части, содержащем емкость, заполненную вязкой текучей средой, каналы, сообщающие указанную емкость с верхней поверхностью, емкость с помощью конфузорного канала тангенциально соединена с вихреобразователем, выполненным в виде цилиндрической вихревой камеры, сообщающейся с помощью профилированных каналов с верхней поверхностью. Вихревая камера выполнена винтообразной формы с одним или двумя боковыми тангенциальными входами.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена несущая поверхность в виде крыла, в передней части которой изображено устройство для создания подъемной силы, продольный разрез; на фиг. 2 - вариант исполнения устройства для создания подъемной силы с вихреобразователем, имеющим тангенциальный фронтальный подвод вязкой текучей среды; на фиг. 3 - вариант исполнения устройства для создания подъемной силы с вихреобразователем, имеющим тангенциальный боковой подвод вязкой текучей среды и спиралевидную вихревую камеру, фронтальный разрез.
Устройство создания подъемной силы содержит несущую поверхность в виде корпуса 1 по форме аэродинамического профиля крыла в горизонтальном движении в вязкой текучей среде, с верхней А и нижней С поверхностями.
В передней части несущей поверхности 1 по отношению к направлению ее горизонтального движения расположено устройство создания подъемной силы с вихреобразователем 2, соединенным профилированными каналами 3, 4 с верхней поверхностью А. Вихреобразователь 2 с помощью конфузорного канала 5 тангенциально соединен с емкостью 6, заполненной вязкой текучей средой.
Для малого диапазона интенсивности закручивания частиц вязкой текучей среды конструкция вихреобразователя 2 устройства для создания подъемной силы выполнена в форме цилиндрической вихревой камеры 7 с фронтальным тангенциальным входом 8, соединенным конфузорным каналом 5 с емкостью 6 в передней части несущей поверхности 1 (фиг. 2). Для большего диапазона интенсивности закручивания частиц вязкой текучей среды конструкция вихреобразователя устройства для создания подъемной силы включает в себя винтообразную вихревую камеру 7 с одним или двумя боковыми тангенциальными входами 8 (фиг. 3).
В передней части несущей поверхности 1, то есть в месте расположения устройства для создания подъемной силы, на ее поверхности А перед профилированным каналом 3 вихреобразователя 2 вдоль размаха несущей поверхности 1 установлен щиток 11 с возможностью отклонения от верхней поверхности А.
Над верхней поверхностью А несущей поверхности 1 в процессе ее горизонтального движения при отклонении щитка 11 образуется область пониженного статического давления Д, ограниченная слоем частиц Е вязкой текучей среды, сошедших со щитка 11 и движущихся на расстоянии от поверхности А в направлении к задней кромке 12 несущей поверхности 1, и верхней поверхностью А несущей поверхности 1, образуя совместно с несущей поверхностью 1 в виде крыла «аэродинамический профиль».
к
п
к
Устройство, реализующее представленный способ создания подъемной силы, работает следующим образом. В процессе горизонтального движения несущей поверхности (крыла) 1 со скоростью V набегающий со скоростью V=-V на ее переднюю часть поток вязкой текучей среды, обтекая отклоненный щиток 11, формирует при сходе с него отрывное течение слоя частиц вязкой текучей среды, движущихся на расстоянии от поверхности А несущей поверхности 1 и поворачивающихся в направлении вышеуказанной поверхности вследствие понижения давления вязкой текучей среды в области, ограниченной с одной стороны слоем частиц, а с другой - поверхностью А. Одновременно интенсивно завихренный в вихреобразователе 7 (9) поток частиц вязкой текучей среды, поступающий из емкости 6 по конфузорному каналу 5 и тангенциальному входу 8 (10), вытекая из выходного профилированного канала 3, взаимодействует с отрывным течением.
ц
1
c
в
За счет эжектирующего эффекта высокоэнергетической закрученной струи, вытекающей из канала 3, и эффекта Магнуса, обусловленного взаимодействием закрученных в вихрь частиц вязкой текучей среды с отрывным течением, возникают циркуляционные силы Жуковского R, действующие на систему устойчивых присоединенных вихрей. За счет этих сил происходит формирование полноценного объемного «аэродинамического профиля» с областью пониженного статического давления и дополнительной подъемной силы ZR, действующей на жесткий профиль, обусловленной преобразованием, в соответствии с уравнением Бернулли, статического давления в этой области в динамическое давление устойчивых вихрей. Для обеспечения устойчивости системы присоединенных вихрей, то есть обеспечения равенства скорости струи частиц вязкой текучей жидкости V, вытекающих из канала 3, и скорости движения вихрей V, согласно теории «вихревой дорожки Кармана», необходимо соблюдение условия, при котором ширина слоя высокоэнергетической закрученной струи на выходе из профилированного канала 3 (4), равная ширине выходного сечения профилированных каналов 3 (4), должна быть не более 10% от диаметра вихреобразователя 2:
3
к
h≤0.1d.
ц
Циркуляционные силы R, обеспечивающие устойчивое движение в направлении к поверхности А слоя частиц вязкой текучей среды, оторвавшиеся с отклоненного щитка 11, определяются по формуле (Прандль Л., Титьенс О. Гидро- и аэромеханика. - М.: ОНТИ НКТП СССР 1935, т. 2. - 283 с.)
1
Дополнительная подъемная сила ΔR, действующая на жесткий профиль, обусловленная системой устойчивых присоединенных вихрей и равная снижению статического давления над поверхностью А, увеличивается пропорционально росту циркуляции вокруг несущей поверхности и скорости потока вязкой текучей среды
2
Одновременно высокоэнергетическая завихренная струя, вытекающая из канала 4 вихреобразователя за счет эжектирующего эффекта, способствует эффективному закручиванию вязкой текучей среды в области пониженного давления, ограниченной поверхностью А и системой устойчивых присоединенных вихрей, тем самым способствуя дополнительному снижению статического давления в вышеуказанной области, то есть созданию дополнительной подъемной силы ΔR, равной кинетической энергии вращения частиц вязкой текучей среды и определяется по формуле
4
где к - конфузорность профилированного канала 4.
Таким образом, высокоэнергетические завихренные струи, вытекающие из каналов 3 и 4 вихреобразователя 2, способствуя формированию объемного «аэродинамического профиля» за счет создания системы устойчивых присоединенных вихрей и дополнительному снижению статического давления в области пониженного давления за счет эжектирующего действия завихренной струи, существенно увеличивают циркуляцию потока вязкой текучей среды вокруг «аэродинамического профиля», то есть силы Жуковского, увеличивающиеся с ростом циркуляции, способствуя тем самым созданию с минимальными потерями энергии дополнительной подъемной силы
1
2
ΔR=ΔR+ΔR,
приложенной в центре давления (ЦД) жесткого профиля, способствуют повышению эффективности увеличения подъемной силы несущей поверхности 1.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в достижении максимальной кинетической энергии вращения циркуляционного потока вязкой текучей среды, обтекающей несущую поверхность с новообразованным толстым профилем («аэродинамический профиль»), за счет передачи ей этой энергии через интенсивное закручивание частиц в слое вязкой текучей среды, ограничивающей область пониженного давления, и дополнительного снижения давления путем создания вихревого жгута в эжектирующей струе.
Этот способ позволяет сделать вихреисточник (вихреообразователь), формирующий слой интенсивно закрученных частиц вязкой текучей среды в полости, расположенной в передней части несущей поверхности аппарата (корпусе), в месте отклонения струи вязкой текучей среды от вышеуказанной поверхности, основным источником существенного увеличения энергии циркуляции, а также снижения статического давления в области пониженного давления и, как результат, увеличения подъемной силы.
Увеличение эффективности создания подъемной силы достигается за счет повышения устойчивости и управляемости процесса отрыва вязкой текучей среды от поверхности за счет интенсивного закручивания части струи, вытекающей из поверхности, путем создания слоя устойчивых присоединенных вихрей («вихревая дорожка Кармана»), ограничивающих область пониженного давления, на который в соответствии с эффектом Магнуса действует подъемная сила вследствие возникновения дополнительной циркуляции вязкой текучей среды.
Регулирование интенсивности закручивания частиц вязкой текучей среды в вихреобразователе позволяет управлять размерами области пониженного давления, то есть размерами «аэродинамического профиля» за счет формы «вихревой дорожки Кармана» и, как результат, величиной дополнительной циркуляции вязкой текучей среды вокруг «аэродинамического профиля», способствующей созданию дополнительной подъемной силы, то есть увеличению разности статического давления между сторонами несущей поверхности.
Кроме того, интенсивное закручивание эжектирующей струи, подаваемой в область пониженного давления и ускоряемой в ней, по мере обтекания поверхности, ограничивающей упомянутую область, способствуя существенному преобразованию статического давления вязкой текучей среды в этой области в кинетическую энергию вращающихся вихрей, приводит к дополнительному снижению давления в вышеуказанной области.
Предлагаемый способ создания подъемной силы на несущей поверхности аппарата, крыле (поверхности), находящейся в вязкой текучей среде, относится к способам повышения эффективности преобразования кинетической энергии вязкой текучей среды, обтекающей аппарат, в разность статических давлений, действующих на противоположные стороны несущей поверхности аппарата.
Повышение эффективности создания подъемной силы происходит за счет существенного увеличения циркуляции вязкой текучей среды вокруг поверхности аппарата, что в соответствии с теорией Жуковского - Чаплыгина - Кутта приводит к увеличению разности давлений на его несущей поверхности.
Кроме того, дополнительно понижение давления в упомянутой области осуществляют путем изъятия из последней части вязкой текучей среды.
Отличительная особенность предлагаемого способа заключается в формировании слоя вязкой текучей среды на расстоянии от поверхности в виде слоя устойчивых присоединенных вихрей, то есть в интенсивном закручивании частиц струи вязкой текучей среды, направляемой под углом к поверхности.
Существенное увеличение разности давлений между сторонами поверхности при реализации данного способа повышения подъемной силы происходит за счет дополнительной циркуляции вязкой текучей среды, возникающей вследствие обтекания слоя устойчивых присоединенных вихрей, то есть интенсивно закрученных частиц, в соответствии с эффектом Магнуса.