СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬЮ ПОТОКА, ОГРАНИЧЕННОГО СТЕНКОЙ Российский патент 1998 года по МПК F15D1/00 F15D1/06 F15D1/12 

Изобретение относится к способу и устройству управления турбулентностью потока, ограниченного стенкой.

Тщательное излучение стенки и границы турбулентного потока, например, при обтекании воздушным потоком самолетного крыла или при протекании жидкости в трубе, показало, что имеют место когерентные или связанные структуры в виде пар противоположного вращения вихревых зон вблизи стенок, причем эти вихри расположены у внешнего края и вне границы подслоя. В этих вихревых зонах, которые иногда называют слоями или свилями, наблюдаются значительные отклонения и изменения динамических свойств. Соответственно возникают мгновенные искривления или свертывания в петли вихрей, в результате чего происходит мгновенный взрывной выброс среды, движущейся с малой скоростью вблизи стенки, в поток жидкости, движущейся с большой скоростью за пределами пограничного слоя. Такой массообмен проявляется в виде сопротивления стенки. Также изучение схем течения таких потоков показало, что искривления вихревых зон сопровождаются временными изменениями стереотипных форм течения, что типично для любой пристенной турбулентности.

Кроме того, такая картина течения при наличии пристенной турбулентности может быть уточнена присутствием перемещающихся структур в турбулентной пристенной области.

Известен способ управления турбулентностью потока, ограниченного стенкой, при котором воздействуют с помощью возмущающего поля на пристенную область турбулентного потока, включающую взаимодействующие между собой перемещающиеся структуры когерентной формы, перемещающиеся с постоянной групповой скоростью в направлении течения среды, и систему перемещающихся в том же направлении пар вихрей, диаметр которых функционально связан с интенсивностью потока.

Также известно устройство управления турбулентностью потока, ограниченного стенкой, содержащее средство, связанное со стенкой для воздействия с помощью возмущающего поля на пристенную область турбулентного потока, включающую взаимодействующие между собой перемещающиеся структуры когерентной формы, перемещающиеся с постоянной групповой скоростью в направлении течения среды, и систему перемещающихся в том же направлении пар вихрей, диаметр которых функционально связан с интенсивностью потока.

Известный способ и устройство не обеспечивают достаточной эффективности управления турбулентностью потока и требуют значительных затрат энергии для своего осуществления.

Следовательно, задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства, предназначенных для изменения и управления турбулентным потоком с помощью мгновенных взрывных выбросов среды из пристенной области.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе управления турбулентностью потока, ограниченного стенкой, при котором воздействуют с помощью возмущающего поля на пристенную область турбулентного потока, включающую взаимодействующие между собой перемещающиеся структуры когерентной формы, перемещающиеся с постоянной групповой скоростью в направлении течения среды, а также систему перемещающихся в том же направлении пар вихрей, диаметр которых функционально связан с интенсивностью потока.

Технический результат достигается тем, что за счет выбора амплитуды, длины волны и направления распространения локально вводимого возмущающего поля интенсифицируют или подавляют турбулентное перемешивание среды потока путем локальной модификации перемещающихся структур и интенсивности их взаимодействия с системой пар вихрей, сопровождающегося искривлением и свертыванием последних с мгновенным взрывным выбросом среды из пристенной области, при этом длину волны возмущающего поля выбирают соизмеримой с размером вихрей, боковую протяженность возмущающего поля выбирают соизмеримой с размером вихрей.

Возмущающее поле модулируют на резонансной длине волны в диапазоне 100 - 300 l_*, где l_* - масштабный пристенный параметр, равный m(Sr)^1/2, где S - среднее напряжение трения на стенке, r - плотность среды потока, m - вязкость среды потока, причем имеется сумма несоизмеримых синусоид уменьшающихся длин волн.

Амплитуда возмущающего поля составляет 15 - 20 l_*, при этом амплитуду возмущающего поля модулируют во времени или пространстве, а также выбирают значительно меньшей размера вихрей, т.е. выбирают в диапазоне 10 - 20 l_*. Само возмущающее поле формируют с помощью волнообразных структур, выполненных на стенке, ограничивающей поток, причем волнообразные структуры направлены под углом к направлению течения потока, предпочтительно под углом 50 - 80^o к направлению потока, а амплитуда волнообразных структур, выполненных на стенке, меняется повторяющимся образом. Модуляцию возмущающего поля осуществляют в диапазоне 100 - 300 l_*, причем оно составлено из несоизмеримых синусоид уменьшающихся длин волн.

Длину волны волновых структур выбирают соизмеримой с размером вихря, а длину волны возмущающего поля также выбирают соизмеримой с размером вихрей, предпочтительно в диапазоне 100 - 300 l_*. Распространение возмущающего поля осуществляют в направлении под углом 50 - 80^o к направлению потока.

Сущность изобретения заключается также в том, что в устройстве управления турбулентностью потока, содержащем средство, связанное со стенкой для воздействия с помощью возмущающего поля на пристенную область турбулентного потока, включающую взаимодействующие между собой перемещающиеся структуры когерентной формы, перемещающиеся с постоянной групповой скоростью в направлении течения, а также систему перемещающихся в том же направлении пар вихрей, диаметр которых функционально связан с интенсивностью потока, технический результат достигается тем, что средство воздействия выполнено с возможностью за счет выбора амплитуды, длины волны в направлении распространения локально вводимого возмущающего поля интенсифицировать или подавлять турбулентное перемешивание среды в потоке путем локальной модификации перемещающихся структур и интенсивности их взаимодействия с системой пар вихрей, сопровождающегося искривлением и свертыванием последних с мгновенным взрывным выбросом среды из пристенной области, при этом средство, связанное со стенкой, выполнено в виде периодически повторяющихся на стенке волнообразных структур, имеющих выступы и впадины, а также в виде апериодических волновых структур, имеющих выступы и впадины, причем волнообразные структуры размещены на стенке с образованием рисунка типа "селедочного костяка" либо с образованием рисунка "накатки".

Выступы выполнены с амплитудой, изменяющейся периодически в направлении, перпендикулярном направлению волнообразных структур, или с амплитудой, изменяющейся апериодически в направлении, перпендикулярном направлению волнообразных структур, или просто периодически либо апериодически изменяемыми.

Кроме того, средство, связанное со стенкой, выполнено в виде сетки преобразователей, направленных перпендикулярно направлению потока и снабженных средством для периодического или апериодического по времени включения преобразователей.

В другом варианте средство, связанное со стенкой, выполнено в виде сетки преобразователей, направленных перпендикулярно направлению потока и снабженных средством для периодического или апериодического по времени включения преобразователей, при этом преобразователи выполнены в виде нагревательных элементов с возможностью передачи тепла среде при их включении, а также ультразвуковых преобразователей с возможностью введения звуковых возмущений в поток при их включении, или в виде акустических генераторов с возможностью ввода возмущающего поля в поток при их включении, либо преобразователи выполнены в виде источников вибрации с возможностью ввода возмущающего поля в поток при их включении.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение ограниченного стенкой потока среды; на фиг. 2 - вид сверху потока, показанного на фиг. 1, где видны вихри или свили вблизи стенки, имеющей неровности в виде "костяка сельди"; на фиг. 3 - поперечное сечение стенки с шероховатостью; на фиг. 4 - другой вариант шероховатости; на фиг. 5 - поперечное сечение потока жидкости, ограниченного стенками, в направлении, перпендикулярном потоку, где показано несколько чувствительных элементов, таких как нагреватели, ультразвуковые генераторы и т. п., внедренных в поверхность стенки; на фиг. 6 временная диаграмма, показывающая способ, которым задействуются во времени различные чувствительные элементы или датчики; на фиг. 7 - вид сверху потока, показанного на фиг. 5, где видно номинальное распределение дестабилизирующих воздействий, вводимых в поток, для заданного задействования во времени датчиков в соответствии со схемой, показанной на фиг. 6; на фиг. 8 - вид сверху экспериментальной секции аэродинамической трубы, где виден звуковой генератор, прикрепленный к одной стенке экспериментальной секции; на фиг. 9 - вид сбоку экспериментальной секции, где видна щель, с помощью которой звуковые воздействия вводятся в турбулентный поток в проверяемой секции.

Турбулентный поток 1 ограничен стенкой 2, причем среда 3 содержит локальные структуры в вид вихрей 4 и 5 противоположного вращения. Оси этих вихревых зон расположены в направлении течения среды (по стрелке 6 на фиг. 2). Вихри противоположного вращения имеют диаметры, величина которых является функцией интенсивности потока, а их длины намного больше диаметров. Как было указано выше, предпочтительный диаметр вихревого цилиндра составляет приблизительно 100 l_* или 200 l_* на пару вихрей.

На фиг. 2 представлен вид сверху вихревых цилиндров 4, 5, на эти вихри наложены волны, которые распространяются (перемещающиеся структуры) в направлении стрелки 7, т.е. под углом θ относительно направления потока 6. Как было отмечено выше, угол θ составляет 50 - 80^o для волн, обладающих наибольшей энергетической активностью.

Для получения двойного направления распространения перемещающихся структур волнообразные образования имеют рисунок в форме "косяка сельди" 8 (фиг. 2) или в форме "накатки". Для улучшения смешения и для увеличения теплопередачи, т. е. для увеличения турбулентности и, следовательно, для облегчения выноса массы волновые элементы расположены строго по синусоиде, как это представлено на фиг. 3. Длина волны "p" преимущественно находится в диапазоне 100 - 300 характерных размеров стенки для обеспечения резонанса для режимов запуска, а амплитуда "a" преимущественно составляет 15 - 20 характерных размеров стенки.

Для уменьшения сопротивления волнообразные структуры должны иметь такой рисунок, который позволяет получить фазовую интерференцию волн, аналогичную приведенной выше фазовой рандомизации. Одним из способов достижения этого является создание модуляции "хаотического" рельефа с помощью резонансной длины волны, причем имеется ряд, состоящий из несоизмеримых синусоид по длине волны. Модель такой схемы в сечении представлена на фиг. 4.

Дополнительно к использованию пассивных механизмов, предназначенных для взаимодействия с распространяющимися волновыми структурами для управления турбулентностью, настоящее изобретение также включает использование активных средств, предназначенных для этой цели. Элемент 9 (фиг. 5) является примером такого активного средства. Как показано, установленные заподлицо со стенкой преобразователи в виде нагревательных элементов 10, 11 и т.д. включаются управляющим устройством 12. Это управляющее устройство 12 в импульсном режиме последовательно по времени включает нагревательные элементы, осуществляя локальный нагрев среды, обеспечивая такую же картину, которая имеет место при обтекании волновых образований на поверхности стенки пристенным потоком. Таким образом, локальный нагрев будет создавать волновые картины с различной плотностью, которые либо подавляют, либо интенсифицируют массообмен.

Управляющее устройство 12 может включать нагреватели в последовательности, показанной на фиг. 6, обеспечивая пространственное распределение возмущающих структур (фиг. 7).

На фиг. 8, 9 показано расположение звукового генератора, использованного в опыте, относительно экспериментальной секции. Размеры экспериментальной секции аэродинамической трубы следующие: высота - 57 см, ширина - 81 см, длина 380 см. Звуковой генератор был прикреплен к стенке экспериментальной секции под углом приблизительно 65^o. Звуковой генератор был выполнен в виде резонансной коробки, имеющей суживающуюся часть длиной около 22 см и сечением 61•22 см, к которой в торце присоединен звуковой динамик, а противоположная сторона коробки имела сечение 8•61 см. К суживающейся части крепилась линейная секция с длиной одной стороны около 42 см и длиной противоположной стороны около 72 см. Свободный конец линейной секции был закрыт, причем оставалась только щель высотой 1 см и длиной 61 см. Щель размещалась вдоль стенки экспериментальной секции.

Изменения проводились с использованием прямой нагретой проволоки, причем проволока размещалась в двух точках на расстоянии друг от друга 30 см вблизи стенки экспериментальной секции. Одна точка совпадает с осью резонансной коробки на расстоянии от конца экспериментальной секции около 190 см.

У осевой точки толщина турбулентного пограничного слоя составляла 48 мм, а число Рейнольдса, вычисленное по скорости свободного потока, составило 7,7•10⁵. Было получено снижение сопротивления приблизительно на 9%, когда действовал звуковой динамик от усилителя, который вырабатывал звуковой сигнал, причем частота возбуждения генератора составляла приблизительно 170 Гц, а фазовая рандомизация осуществлялась в диапазоне 0 - 360^o при частоте 426 Гц. Частоты или длины волн, которые были использованы в акустическом возмущающем сигнале, вводимом в экспериментальную секцию, в соответствии с настоящим изобретением находились в диапазоне 100 - 300 l_*, где l_* - масштабный пристенный параметр.

В полностью развитом турбулентном потоке локальные цилиндрические вихревые структуры перемещаются по потоку в пристенной области, разрываются, искривляются и окончательно исчезают. Имеет место взаимодействие между когерентной структурой перемещающихся форм, присутствующих в потоке, с когерентной структурой вихревых зон, в результате чего происходит мгновенное исчезновение (взрыв) вихревых цилиндров с последующим перемешиванием медленно движущейся среды вблизи границы с быстро перемещающейся средой основного потока и наоборот.

В данном изобретении представлены оба пассивный и активный механизмы управления действием волновых перемещающихся структур, которые вызывают мгновенное уничтожение вихревых зон в турбулентных потоках вблизи стенки. Пассивный механизм в соответствии с настоящим изобретением предназначен для управления волновыми перемещающимися структурами при наличии изменений формы стенки, ограничивающей турбулентный поток, т.е. при наличии канавок, волн на поверхности и т.п. Если изменение формы происходит в виде волн, то их амплитуда должна быть в диапазоне 15 - 20 характерных размеров стенки для того, чтобы включить расположение участка с пиковой или максимальной турбулентностью. Ориентация волн, т.е. направление впадин между пиками должно быть под углом приблизительно 15 - 30^o к направлению движения потока, т.е. можно сказать, что направление волн должно быть под углом 60 - 75^o от направления потока.

Настоящее изобретение может быть использовано также в проточных системах, ограниченных стенками, в которых протекает электропроводная среда, например морская вода. В этом случае возмущающее воздействие может вводиться с использованием переменных магнитных или электромагнитных полей вблизи стенок, обеспечивая при этом распространение структур в потоке, как это было описано выше.

В частности, настоящее изобретение может быть использовано в прямых и искривленных каналах или трубах, в компрессорах, турбинах для снижения интенсивности турбулентности. Также изобретение может быть использовано в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания и т.п. для улучшения смешения и сгорания.

Хотя настоящее изобретение изложено применительно к турбулентному потоку, ограниченному стенкой, тем не менее описанные способ и устройство можно применять в пограничных слоях, как это имеет место, когда тело перемещается в среде. Таким образом, настоящее изобретение применимо для тел, движущихся в воздухе (например, летательные аппараты), а также для тел, перемещающихся в виде (например, суда) и т.п.

Преимущества и результаты использования способа и устройства по настоящему изобретению понятны из описания, приведенного выше. Различные модификации и изменения возможны в рамках формулы изобретения, приведенной ниже.

Источники информации:
SU, авторское свидетельство 1298435, кл. F 15 D 1/00, 1987.

Использование: для управления турбулентностью потока при обтекании крыла самолета или при протекании потока в трубе. Сущность изобретения: в устройстве управления турбулентностью потока, ограниченного стенкой, содержащем средство, связанное со стенкой для воздействия с помощью возмущающего поля на пристенную область турбулентного потока, включающую взаимодействующие между собой перемещающиеся структуры когерентной формы, перемещающиеся с постоянной групповой скоростью в направлении течения среды, а также систему перемещающихся в том же направлении пар вихрей, диаметр которых функционально связан с интенсивностью потока, cредство воздействия выполнено с возможностью за счет выбора амплитуды, длины волны и направления распространения локально вводимого возмущающего поля интенсифицировать или подавлять турбулентное перемешивание среды в потоке путем локальной модификации перемещающихся структур и интенсивности их взаимодействия с системой пар вихрей, сопровождающегося их искривлением и взрывным выбросом среды из пристенной области. 2 с.и 31 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ управления турбулентностью потока, ограниченного стенкой, при котором воздействуют с помощью возмущающего поля на пристенную область турбулетного потока, включающую взаимодействующие между собой перемещающиеся структуры когерентной формы, перемещающиеся с постоянной групповой скоростью в направлении течения среды, а также систему перемещающихся в том же направлении пар вихрей, диаметр которых функционально связан с интенсивностью потока, отличающийся тем, что за счет выбора амплитуды, длины волны и направления распространения локального вводимого возмущающего поля интенсифицируют или подавляют турбулентное перемешивание среды потока путем локальной модификации перемещающихся структур и интенсивности их взаимодействия с системой пар вихрей, сопровождающегося искривлением и свертыванием последних с мгновенным взрывным выбросом среды из пристенной области. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длина волны возмущающего поля соизмерима с размером вихрей. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что боковая протяженность возмущающего поля соизмерима с размером вихрей. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что возмущающее поле модулируют на резонансной длине волны в диапазоне
100 - 300 l_*,
где l_* - масштабный пристенный параметр, равный m(sr)^1 / 2, где S - среднее напряжение трения на стенке; r - плотность среды потока; m - вязкость среды потока,
причем имеется сумма несоизмеримых синусоид уменьшающихся длин волн. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что амплитуда возмущающего поля составляет 15 - 20 l_*. 6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что амплитуду возмущающего поля модулируют во времени или пространстве. 7. Способ по п. 2, отличающийся тем, что возмущающее поле формируют с помощью волнообразных структур, выполненных на стенке, ограничивающей поток, причем волнообразные структуры направлены под углом к направлению течения потока. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что длина волны волновых структур соизмерима с размером вихря. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что модуляцию возмущающего поля осуществляют в диапазоне 100 - 300 l_*, причем оно составлено из несоизмеримых синусоид уменьшающихся длин волн. 10. Способ по п.7, отличающийся тем, что амплитуда волнообразных структур, выполненных на стенке, меняется повторяющимся образом. 11. Устройство управления турбулетностью потока, ограниченного стенкой, содержащее средство, связанное со стенкой для воздействия с помощью возмущающего поля на пристенную область турбулентного потока, включающую взаимодействующие между собой перемещающиеся структуры когерентной формы, перемещающиеся с постоянной групповой скоростью в направлении течения среды, а также систему перемещающихся в том же направлении пар вихрей, диаметр которых функционально связан с интенсивностью потока, отличающееся тем, что средство воздействия выполнено с возможностью за счет выбора амплитуды, длины волны и направления распространения локально вводимого возмущающего поля интенсифицировать или подавлять турболентное перемещение среды в потоке путем локальной модификации перемещающихся структур и интенсивности их взаимодействия с системой пар вихрей, сопровождающегося искривлением и свертыванием последних с мгновенным взрывным выбросом среды из пристенной области. 12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что средство, связанное со стенкой, выполнено в виде периодически повторяющихся на стенке волнообразных структур, имеющих выступы и впадины. 13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что волнообразные структуры размещены на стенке с образованием рисунка типа селедочного костяка. 14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что выступы выполнены с амплитудой, изменяющейся периодически в направлении, перпендикулярном направлению волнообразных структур. 15. Устройство по п.12, отличающееся тем, что выступы выполнены с амплитудой, измеряющейся апериодически в направлении, перпендикулярном направлению волнообразных структур. 16. Устройство по п.12, отличающееся тем, что выступы выполнены периодически изменяемыми. 17. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что средство, связанное со стенкой, выполнено в виде сетки преобразователей, направленных перпендикулярно направлению потока и снабженных средством для периодического или апериодического по времени включения преобразователей. 18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что преобразователи выполнены в виде нагревательных элементов с возможностью передачи тепла среде при их включении. 19. Устройство по п.17, отличающееся тем, что преобразователи выполнены в виде ультразвуковых преобразователей с возможностью введения звуковых возмущений в поток при их включении. 20. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что средство, связанное со стенкой, выполнено в виде апериодических волновых структур, имеющих выступы и впадины. 21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что волновые структуры размещены по стенке с образованием рисунка накатки. 22. Устройство по п.20, отличающееся тем, что выступы меняются апериодически. 23. Способ по п.7, отличающийся тем, что волнообразные структуры направлены под углом 50 - 80^o к направлению потока. 24. Способ по п. 1, отличающийся тем, что амплитуду возмущающего поля выбирают значительно меньше размера вихрей. 25. Способ по п.24, отличающийся тем, что амплитуду выбирают в диапазоне 10 - 20 l_*. 26. Способ по п.24, отличающийся тем, что длину волны возмущающего поля выбирают соизмеримой с размером вихрей. 27. Способ по п.26, отличающийся тем, что длину волны выбирают в диапазоне 100 - 300 l_*. 28. Способ по п.25, отличающийся тем, что длину волны возмущающего поля выбирают соизмеримой с размером вихрей. 29. Способ по п.28, отличающийся тем, что длину волны выбирают в диапазоне 100 - 300 l_*. 30. Способ по п.29, отличающийся тем, что распространение возмущающего поля осуществляют в направлении под углом 50 - 80^o к направлению потока. 31. Способ по п.27, отличающийся тем, что распространение возмущающего поля осуществляют в направлении под углом 50 - 80^o к направлению потока. 32. Устройство по п.17, отличающееся тем, что преобразователи выполнены в виде акустических генераторов с возможностью ввода возмущающего поля в поток при их включении. 33. Устройство по п.17, отличающееся тем, что преобразователи выполнены в виде источников вибрации с возможностью ввода возмущающего поля в поток при их включении.