ЭЛЕМЕНТ КОНСТРУКЦИИ С ПОНИЖЕННЫМ УРОВНЕМ ШУМА ДЛЯ РАБОТЫ В ПОТОКЕ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ

Область техники
Полезная модель относится к области аэрогидродинамики и может найти применение при разработке и изготовлении малошумящих в потоке текучей среды элементов конструкции самолетов (например, стоек и колес шасси, стоек направляющего аппарата двигателя), судов и автомобилей (например, кузовов и антенн), теплообменников энергостанций, распорок вентиляторов.
Уровень техники
Известны технические решения по снижению аэродинамического шума, создаваемого потоком текучей среды, обтекающим элементы конструкции устройства (например, самолета), основанные на отклонении набегающего потока от тех элементов конструкции, обтекание которых приводит к генерации аэродинамического шума [1-4].
Так, в [1] предлагается малошумный обтекатель, который закрывает область шарнирного соединения распорки и стойки шасси. В [2] в качестве устройства, отклоняющего поток в сторону от шасси, предлагается щелевое сопло, которое должно создавать воздушный экран перед шасси самолета. Эта же идея, реализованная с помощью жесткой поверхности, отклоняющейся в полете и препятствующей обтеканию шасси, используется в [3]. Наконец, в [4] в качестве снижающих шум шасси элементов предлагаются частично перфорированные поверхности, отклоняющие поток воздуха в области стойки и колес шасси.
Основным недостатком технических решений [1-4] является значительное изменение характера обтекания устройства в целом, что может привести к ухудшению его аэродинамики. Кроме того, использование дополнительных элементов, отклоняющих поток, сопряжено с увеличением веса устройства, усложнением его конструкции, эксплуатации и ремонта и, как следствие, ведет к увеличению стоимости и эксплуатационных расходов.
Известен, выбранный в качестве прототипа, малошумящий элемент конструкции (закрылок самолета), содержащий верхнюю, нижнюю и боковую поверхности, обтекаемые потоком текучей среды [5]. В устройстве-прототипе снижение аэродинамического шума, генерируемого потоком текучей среды при обтекании им элемента конструкции, достигается выполнением на боковой поверхности элемента зоны гладкой криволинейной сплошной закругленной поверхности. При этом уменьшается интенсивность вторичных вихрей и устраняется турбулентность в потоке, примыкающем к образованной зоне.
Недостаток прототипа - неэффективность по отношению к аэродинамическому шуму, генерируемому при отрыве потока текучей среды от криволинейной, например цилиндрической, поверхности обтекаемого элемента конструкции, и сопутствующее воздействию на турбулентность изменение характера обтекания, способное повлиять на аэродинамические параметры конструкции в целом.
Сущность полезной модели
Задача и технический результат полезной модели - обеспечение эффективного воздействия на уровень аэродинамического шума, генерируемого при отрыве потока от обтекаемой криволинейной поверхности элемента конструкции, без существенного влияния на характер обтекания и аэродинамические параметры конструкции в целом.
Предметом полезной модели является малошумящий элемент конструкции, содержащий переднюю часть поверхности, предназначенную для работы в набегающем потоке текучей среды, тыловую часть поверхности, предназначенную для работы за линией отрыва потока текучей среды, и зону поверхности пониженной кривизны, состоящую, по меньшей мере, из одного непрерывного участка, при этом, по меньшей мере, половина площади указанной зоны расположена на тыловой части поверхности элемента конструкции, а направление нормалей к поверхности на всей или большей части площади зоны пониженной кривизны близко или совпадает с направлением
вектора скорости набегающего потока текучей среды относительно элемента конструкции.
Полезная модель имеет развития, позволяющие оптимизировать ее применение в частных случаях.
Первое развитие состоит в том, что зона пониженной кривизны может быть выполнена в виде, по меньшей мере, одного участка плоской поверхности.
Второе развитие относится к случаю неоднородного по скорости потока текучей среды и состоит в том, что зона пониженной кривизны может быть выполнена расширяющейся в направлении увеличения скорости неоднородного потока текучей среды.
Третье развитие относится к элементу конструкции, выполненному с возможностью поворота вокруг оси вращения. В этом случае зона пониженной кривизны может быть образована вблизи сечения поверхности элемента плоскостью, проходящей через ось его вращения.
Краткое описание фигур.
На фиг.1 представлены примеры осуществления полезной модели с учетом ее развития. Фиг.2-4 поясняют физический принцип, на котором основана предлагаемая полезная модель.
Осуществление полезной модели
На рисунках в таблице (фиг.1) показаны линии 1, разделяющее переднюю и тыловую (по отношению к вектору V скорости набегающего потока среды) части поверхности элемента конструкции, и зоны 2 пониженной кривизны. Передняя часть поверхности элемента (слева от линии 1) предназначена для работы в набегающем потоке текучей среды, тыловая часть поверхности (справа от линии 1) - для работы за линией отрыва потока. Зоны 2 в примерах реализации, представленных на фиг.1, расположены на тыловой части поверхности элемента, а направление нормалей 3 к поверхности, на всей или большей части площади зоны 2 близко или совпадает с направлением вектора V скорости набегающего потока текучей среды относительно элемента конструкции.
Близость здесь понимается в том смысле, что проекция вектора V на нормаль 3 должна составлять не менее 0,8 от его модуля, а направление вектора V понимается как направление скорости потока в его набегающей части относительно элемента конструкции. Зона 2 может быть выполнена сплошной или состоять из нескольких участков поверхности с пониженной кривизной, например, участков плоской поверхности.
В первой колонке таблицы показан общий случай выполнения зоны 2 пониженной кривизны на тыловой части элемента конструкции.
Во второй колонке таблицы фиг.1 показан случай выполнения зоны пониженной кривизны в виде участка плоской поверхности.
В третьей колонке таблицы показан случай выполнения зоны 2 в виде участка плоской поверхности, расширяющегося в направлении увеличения скорости неоднородного потока текучей среды.
Четвертая и пятая колонки таблицы иллюстрируют случай, когда элемент конструкции выполнен с возможностью поворота вокруг оси вращения. В этом случае зона пониженной кривизны, в которой направление нормалей близко или совпадает с направлением вектора V, образована вблизи сечения поверхности элемента плоскостью, проходящей через ось его вращения и сохраняется на тыловой части вращающегося элемента при любом его повороте. Четвертая колонка таблицы иллюстрирует общий случай выполнения зоны 2 с пониженной кривизной поверхности на вращающемся элементе конструкции, а пятая колонка - тот же случай, но с образованием зоны 2 с плоской поверхностью. В случае выполнения зоны 2 на протекторе шины, ее образуют несколько разделенных участков.
Как видно из последнего столбца таблицы на фиг.1, предлагаемое техническое решение может быть применено для снижения шума обтекания элементов конструкции в различных устройствах.
В случае элементов конструкции более сложной геометрии, чем представлено на фиг.1, целесообразно предварительное определение зон повышенной интенсивности турбулентных (квадрупольных) источников с тем,
чтобы ориентировать элемент конструкции зоной пониженной кривизны на область максимальной турбулентности.
Работа предлагаемой полезной модели и достижение технического результата могут быть пояснены следующим образом.
1
2
Предлагаемое техническое решение основано на физическом принципе отражения акустического шума (звуковых волн) от твердой поверхности, который коротко излагается ниже с использованием понятий о дипольных и квадрупольных источниках шума [М.А.Исакович «Общая акустика», Москва, «Наука» 1973, Гл.9]. Дипольный источник шума представляет собой два близко расположенных монополя (сферически симметричных точечных источников звука), создающих противофазные колебания среды с моментом d, а квадрупольный источник - два диполя, моменты которых d и d равны и направлены в противоположные стороны, так что суммарная дипольная составляющая шума Δd равна нулю.
Одним из важных источников шума различных устройств, работающих в потоке текучей среды, является турбулентность, возникающая при отрыве обтекающего потока текучей среды от поверхности элементов конструкции.
1
2
Однако свободная турбулентность является скомпенсированным квадрупольным источником шума. Шум существенно усиливается вблизи криволинейной твердой поверхности из-за появления нескомпенсированной дипольной составляющей (Δd=d-d), которая возникает в результате отражения квадруполя от поверхности твердого тела (см. фиг.2) [Experimental Investigation of Azimuthal Structure of Dipole Noise for Rigid Cylinder Inserted in Turbulent Jets., AIAA Paper №2004-2927].
Исследования, проведенные авторами данной полезной модели, показали, что при уменьшении кривизны твердой поверхности, от которой отражается квадрупольный источник шума, дипольная составляющая шума уменьшается и для плоской поверхности отражения теоретически полностью исчезает (фиг.3). Следовательно, если для элемента цилиндрической формы, работающего в турбулентном потоке, срезать заднюю кромку, то нескомпенсированная
дипольная составляющая от отраженных квадрупольных источников должна уменьшиться.
Этот неочевидный вывод был подтвержден серией экспериментов. Исследовался шум, образующийся при поперечном обтекании цилиндра турбулентным потоком со скоростью до 100 м/с. Было установлено, что для цилиндра с плоской задней поверхностью уровень шума уменьшается до 7 дБ во всем диапазоне углов наблюдения (фиг.4). Поскольку изменения кривизны поверхности цилиндра в ходе проведенных экспериментов производились за линией отрыва потока от нее, указанный эффект достигался без изменения средних параметров течения, и следовательно, без ухудшения других аэродинамических характеристик.
Осуществление предлагаемой полезной модели предполагает изменение формы элементов конструкции преимущественно за линией отрыва потока среды от их поверхности. Поэтому предлагаемая полезная модель может быть применена при модернизации существующих конструкций с минимальным влиянием на характер обтекания текучей средой соответствующего элемента конструкции и без существенного изменения аэродинамических параметров модернизируемого устройства в целом.
Источники информации
1. ЕР №1340676, МПК В 64 С 25/16, В 64 С 7/00, 2003 г.
2. US №2004104301, МПК В 64 С 27/22, В 64 С 7/00, 2004 г.
3. WO №2004089743, МПК В 64 С 25/16, В 64 С 7/00, 2004 г
4. WO №2004039671, МПК В 64 С 25/16, В 64 С 7/00, 2004 г.
5. RU №2173284, МПК В 64 С 3/50, 23/06, 2001.г.