Изобретение относится к способу и устройству управления турбулентностью в пограничном слое и других ограниченных стенкой областях потока среды.
Публикации, относящиеся к данному вопросу
1) "Плоские волны и структуры турбулентного потока в канале" Л. Сирович, К.С. Болл и Л.Р. Кифер, Phys. Fluids A2(12), декабрь 1990, с. 2217 - 2226.
2) "Распространяющиеся структуры в турбулентном потоке, ограниченном стенкой", Л. Сирович, Болл, Р.А. Хандлер, Theoret. Comput. Fluid Dynamics (1991), 2: 307 - 317.
Предпосылки к созданию изобретения
С точки зрения классической механики жидкости турбулентность представляет собой хаотическое состояние по всем возможным степеням свободы. Такое представление подтверждается прямыми наблюдениями как крупномасштабных явлений, например состояния атмосферы и потока воды в трубе, так и бытовых ситуаций, например взбалтывания сливок в кофе или перемешивания краски.
Турбулентность может быть вредной или полезной: она создает нежелательное сопротивление при движении автомобиля или самолета, но способствует перемешиванию топлива с воздухом в двигателе или быстрому распространению тепла в комнате. Хотя турбулентность оказывает огромное влияние на жизнь человечества, ее представление в виде хаотического состояния до последних лет сдерживало продвижение научных исследований. С появлением современных мощных компьютеров, позволяющих проводить числовые исследования турбулентных потоков, ограниченных стенками, а также современных экспериментальных исследований появилась возможность существенно продвинуться в понимании турбулентности. Если ранее ее считали хаотической, то теперь среди кажущегося хаоса в турбулентном потоке выявлены когерентные формы активности.
Тщательное изучение стенки или границы турбулентного потока, например, при обтекании воздушным потоком самолетного крыла или при протекании жидкости в трубе, показало, что имеют место когерентные или идущие по течению структуры в виде пар вихрей противоположного вращения вблизи стенок, причем эти вихри расположены у внешнего края и вне границы подслоя. В этих вихрях, которые иногда называют свилями, наблюдаются значительные отклонения и изменения динамических свойств. Весьма важным является их резкое искривление или свертывание, в результате чего происходит резкий выброс среды, движущейся с малой скоростью вблизи стенки, в быстро перемещающуюся основную массу текущей среды. Этот выброс приводит к сопротивлению на стенках. Оценка показала, что эти выбросы, которые обуславливают около 80% сопротивления на стенке, имеют место только в течение около 20% времени. Кроме того, изучение схем течения таких потоков показало, что искривления вихрей сопровождаются временными изменениями стереотипных форм течения, что типично для любой пристенной трублентности.
Для выявления ширины свилей сначала необходимо понять, что свили представляют собой проявление локальных условий вне подслоя потока вблизи стенки, причем они не зависят от свойств стенки, а также от свойств области потока, значительно удаленной от стенки. Локальные условия полностью характеризуются средним напряжением трения на стенке "s", плотностью среды "r", а также вязкостью среды "m". Эти параметры определяют локальный размер или масштаб l*, который обычно называют единицей измерения стенки и который равен m(sr)1/2. Превалирующий диаметр вихря составляет приблизительно от 50 до 100 единиц измерения стенки или от 100l* до 200l* на пару вихрей.
Термин "превалирующий", когда он относится к диаметру вихря, означает, что наибольшая доля турбулентной энергии (пульсационная скорость) определяется формами активности этого размера. Кроме того, существуют другие формы такого вихря, размеры которых находятся в определенном диапазоне и которые также содержат существенное количество турбулентной энергии. Таким образом, основной вклад в сопротивление течению на стенке вносит нарушение порядка этих форм в результате их искривления и в итоге относительно резкого выброса, который перемешивает среду, движущуюся с малой скоростью, со средой, которая перемещается быстрее.
Такая картина пристенной турбулентности была значительно уточнена при обнаружении того, что распространяющиеся структуры также присутствуют в турбулентной пристенной области. В работе (1), на которую выше сделана ссылка, показано, что распространяющиеся структуры являются когерентными и перемещающимися с постоянной группой скоростью. В работе (2), упомянутой выше, также было подтверждено присутствие распространяющихся форм. Кроме того, в результате литературного поиска получена работа, написанная 20 лет назад, в которой результаты экспериментов с пристеночной турбулентностью прямо не предполагает, но намекают на наличие и функции таких распространяющихся структур в турбулентном потоке.
Как доказано в публикациях, на которые выше сделаны ссылки, распространяющиеся структуры действуют в качестве триггеров в отношении выбросов, которые приводят к созданию сопротивления в турбулентных потоках, ограниченных стенками. Хотя распространяющиеся структуры сами по себе переносят незначительную энергию, тем не менее взрывного выброса среды не происходит пока имеют место распространяющиеся перемещающиеся структуры. В дополнение к этому, экспериментально и расчетным путем намеренное время протекания взрывных выбросов соответствуют времени течения распространяющихся структур. Наиболее энергосодержащими, а значит наиболее важными распространяющимися структурами являются те, которые распространяются под углом приблизительно 65oC к направлению течения, причем преобладающее энергосодержание имеют структуры, угол распространения которых находится в диапазоне 50 - 80o.
Длины волн режимов запуска также являются существенным фактором. Волны, длины которых сравнимы с размерами вихря, играют важную роль в выбросах среды.
Наиболее существенные триггерные структуры имеют боковую протяженность, которая сравнима с длиной волны энергонесущих вихревых структур. Это совершенно четко предопределяет наличие резонансного механизма, который через триггерный эффект способствует удалению вихревых структур. Для справки отметим, что основные триггерные структуры иногда называют структурами с большими длинами волн. Имеет место незначительное количество структур с большими длинами волн, однако имеется большое количество структур с более короткими волнами.
Следовательно, задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства, предназначенных для изменения и управления турбулентным потоком с помощью модифицирования триггерных структур.
Согласно настоящему изобретению создан способ управления турбулентностью в пограничном слое или других граничных со стенкой областях потока среды, при этом область течения, имеющая турбулентную пристенную зону, отличается системой пар вихрей, которые составляют свили, диаметр которых функционально связан с интенсивностью потока и которые простираются в направлении потока, а также распространением структур с когерентными формами, которые распространяются под наклоном к направлению потока с фактически постоянной групповой скоростью. Способ включает в себя локальный ввод в турбулентную пристенную зону возмущающего поля, амплитуда, длина волны и направление распространения которого таковы, что возмущение прочно связывается с распространяющимися структурами и модифицирует их таким образом, что увеличивает или уменьшает взаимодействие распространяющихся структур с системой пар вихрей для локального усиления или ослабления турбулентности, либо сопротивления в области течения.
Когда турбулентное сопротивление должно быть уменьшено, способ содержит создание одного или, как вариант, двух средств, которые действуют одновременно, создавая возмущение, что приводит к образованию пары косых волн для усиления пар вихрей, так что происходит построение пар вихрей. Согласно настоящему изобретению одно из средств может включать в себя линейную полосу "дельтаобразных" выступов, располагающуюся на стенке по ширине потока (то есть поперечно направлению потока) и создающую возмущение, которое взаимодействует с другим возмущением, вызываемым вторым средством, которое может быть выполнено в виде одного или более звуковых генераторов, которые подпитывают энергией возмущение, вызываемое выступами. Как вариант, вместо одной линейной полосы может быть использован ряд линейных полос "дельтаобразных" выступов, располагающихся на стенке по ширине потока. Возмущения, создаваемые выступами и звуковыми генераторами, взаимодействуют друг с другом и создают наклонно распространяющиеся структуры, которые усиливают пары вихрей и уменьшают турбулентность.
В качестве дополнительного варианта взаимодействующие возмущения могут быть вызваны полосой или рядом полос "дельтаобразных" нагревательных элементов, заделанных в стенку по ширине потока, при этом зависимая по времени работа нагревательных элементов создает комбинированное возмущение в области потока в форме косо направленных волн нагретой среды, которое усиливает пары вихрей и уменьшает турбулентность.
Кроме того, настоящее изобретение содержит средство для управления турбулентностью в пограничном слое или других описанных выше граничных со стенкой областях течения жидкости, включающее в себя средство для локального введения в турбулентную пристеночную зону возмущающего поля, амплитуда, длина волны и направление распространения которого таковы, что возмущение прочно связывается с распространяющимися структурами и модифицирует их таким образом, что увеличивает или уменьшает взаимодействие распространяющихся структур с системой пар вихрей, тем самым локально увеличивая или уменьшая турбулентность или турбулентное сопротивление в области течения. Средство для уменьшения турбулентного сопротивления может включать в себя то, что описано выше.
Краткое описание фигур
Варианты осуществления настоящего изобретения описаны посредством примера со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 представлено поперечное сечение ограниченного стенкой потока среды, причем сечение взято перпендикулярно направлению потока.
На фиг. 2 схематически представлен вид сверху потока, показанного на фиг. 1, на котором видны свили или вихри вблизи от границы со стенкой, имеющей неровности поверхности в виде "елочки".
На фиг. 3 представлено поперечное сечение стенки, показывающее неровности ее поверхности.
На фиг. 4 представлен другой вариант неровностей поверхности.
На фиг. 5 представлено поперечное сечение потока среды, ограниченного стенками, перпендикулярное направлению потока, где показаны несколько преобразующих элементов, таких как нагреватели, ультразвуковые генераторы и т.п., внедренные в поверхность стенки.
На фиг. 6 представлена номинальная временная диаграмма, показывающая способ, которым задействуются во времени различные преобразователи.
На фиг. 7 представлен вид сверху области потока среды, показанной на фиг. 5, на которой видно номинальное распределение возмущающих воздействий, вводимых в поток посредством задействования по времени преобразователей в соответствии со схемой, показанной на фиг. 6.
На фиг. 8 представлен вид сверху испытательной секции аэродинамической трубы, на котором виден звуковой генератор, прикрепленный к одной стенке испытательной секции.
На фиг. 9 представлен вид сбоку испытательной секции, где видна щель, с помощью которой звуковые возмущения вводятся в турбулентный поток в испытательной секции.
На фиг. 10a представлен вид в плане испытательной секции, подобной той, которая показана на фиг. 8, но включающей в себя линейную полосу "дельтаобразных" выступов, располагающуюся на стенке по ширине потока (то есть поперечно направлению потока).
На фиг. 10b представлен боковой вид испытательной секции согласно фиг. 10a, показывающий щель, посредством которой звуковое возмущение вводится в турбулентный поток в испытательной секции.
На фиг. 11a представлен вид в плане испытательной секции, подобной той, которая показана на фиг. 10a, но показывающий звуковые генераторы, прикрепленные к противоположным боковым сторонам в испытательной секции.
На фиг. 11b представлен боковой вид испытательной секции согласно фиг. 11a, показывающий щель, посредством которой звуковое возмущение вводится в турбулентный поток в испытательной секции.
На фиг. 12a представлен вид в плане испытательной секции, подобной той, которая показана на фиг. 10a, но включающей в себя большое количество линейных полос "дельтаобразных" выступов, располагающихся на стенке по ее ширине (то есть поперечно направлению потока).
На фиг. 12b представлен боковой вид испытательной секции согласно фиг. 12a, показывающий щель, посредством которой звуковое возмущение вводится в турбулентный поток в испытательной секции.
На фиг. 13a представлен вид в плане испытательной секции, подобной той, которая показана на фиг. 12a, но показывающий звуковые генераторы, прикрепленные к противоположным боковым сторонам испытательной секции.
На фиг. 13b представлен боковой вид испытательной секции согласно фиг. 13a, показывающий щель, посредством которой звуковое возмущение вводится в турбулентный поток в испытательной секции.
На фиг. 14 показаны образмеренные детали линейной полосы "дельтаобразных" выступов, используемой применительно к фиг. 10a, 10b, 11a, 11b, 12a, 12b, 13a и 13b.
На фиг. 15a1 - 15a4 представлены выполненные посредством компьютера схемы экспериментов, показывающие варианты разброса по ширине потока скоростей течения вблизи от стенки, получаемые при использовании испытательных секций, подобных тем, которые показаны на фиг. 10a и 11a.
На фиг. 15b представлен график зависимости среднеквадратичной вертикальной скорости от местоположения по ширине потока для естественного потока, возмущаемого наличием полосы дельтаобразных выступов, в которых вводится звуковая волна частотой 86 Гц в условиях, показанных на фиг. 10a.
На фиг. 15c представлен график зависимости средней скорости течения от местоположения по ширине потока для естественного потока, возмущаемого наличием полосы дельтаобразных выступов, в который вводится звуковая волна частотой 52 Гц в условиях, показанных на фиг. 10a.
На фиг. 16a представлена модификация линейной полосы дельтаобразных выступов такого типа, который показан на фиг. 10a, иллюстрирующая выступы в форме противоподъемных крыльев, каждое из которых создает вихревые системы противоположного вращения.
На фиг. 16b представлена модификация расположенного по ширине потока ряда полос дельтаобразных выступов такого типа, который показан на фиг. 12a, иллюстрирующая ряд выступов в форме противоподъемных крыльев, создающих вихревые системы противоположного вращения.
На фиг. 17a представлен вид в плане испытательной секции аэродинамической трубы, включающей в себя линейную полосу "дельтаобразных" выступов, расположенных на стенке по ширине потока (то есть поперечно направлению потока).
На фиг. 17b представлен вид в плане испытательной секции аэродинамической трубы, включающей в себя большое количество или ряд линейных полос "дельтаобразных" выступов, расположенных на стенке по ширине потока (то есть поперечно направлению потока).
На фиг. 18 представлены схематические примеры "естественных" звуковых генераторов, представленных для использования согласно настоящему изобретению.
На фиг. 19a представлен вид в плане испытательной секции аэродинамической трубы, включающей в себя линейную полосу заделанных "дельтаобразных" нагревательных элементов, расположенную на стенке по ширине потока (то есть поперечно направлению потока).
На фиг. 19b представлен вид в плане испытательной секции аэродинамической трубы, включающей в себя большое количество или ряд линейных полос заделанных "дельтаобразных" нагревательных элементов, расположенных на стенке по ширине потока (то есть поперечно направлению потока).
Последние и еще неопубликованные исследования были направлены на модифицирование турбулентного потока и управление им путем изменения триггерных структур. В серии компьютерных вариантов моделирования рассматривался турбулентный поток, который протекает по каналу с фиксированными стенками. В процессе моделирования к селективно выбранным триггерным структурам прилагалось возмущение. Рандомизация фаз движения была выбрана в качестве средства возмущения. В действительности это приводит к подавлению длинноволновых перемещений. В способе фазовой рандомизации нет ничего особенного; с таким же успехом могли быть использованы и другие способы возмущений. Было установлено, что путем рандомизации фаз именно длинноволновых распространяющихся структур расход был увеличен более чем на 30%. Причем указывается, что в связи с этим может быть достигнуто уменьшение сопротивления более чем на 40%. Рандомизация режимов, относящихся не к длинноволновым структурам, дала небольшой эффект или вообще не дала эффекта. С другой стороны, повышение амплитуды длинноволновых распространяющихся структур существенно улучшает турбулентное перемешивание. Это является веским обоснованием того, что взаимодействие волны с вихревыми структурами представляет собой фундаментальное средство для реализации механизма выброса. Если теперь обратиться к фигурам, то на них позицией 10 обозначен ограниченный стенкой турбулентный поток среды, при этом стенка 12 ограничивает среду 13, содержащую локальные структуры в виде вихрей 14 и 16 противоположного вращения. Оси этих вихрей или свилей, как их иногда называют, проходят в направлении течения среды, т.е. перпендикулярно листу с фиг. 1 и по стрелке 17 на фиг. 2. Природа этих вихрей описана в работе (1), см. фиг. 10 на стр. 2223. Если говорить коротко, то вихри противоположного вращения имеют диаметры, величина которых является функцией интенсивности потока, а их длины намного больше диаметров (более 1000l*). Как было указано выше, превалирующий диаметр вихрей составляет приблизительно 100l* или 200l* на пару вихрей.
В полностью развитом турбулентном потоке эти локальные вихревые структуры перемещаются по потоку в пристенной области, разрушаются, искривляются и, наконец, происходит их разрыв. Имеет место взаимодействие между когерентной структурой распространяющихся форм, присутствующих в потоке, и когерентной структурой вихревых зон, в результате чего происходит разрыв вихрей последующим перемешиванием медленно движущейся среды вблизи границы с быстро перемещающейся средой основного потока и наоборот.
В данном изобретении обеспечены как пассивный, так и активный механизмы управления триггерным действием волновых распространяющихся структур, которые вызывают разрыв вихревых структур в турбулентных потоках вблизи стенки. Пассивный механизм в соответствии с настоящим изобретением заключается в управлении волновыми распространяющимися структурами при наличии изменений формы стенки, ограничивающей турбулентный поток, а именно при наличии канавок, волнистости поверхности и т.п. Например, изменения формы можно выполнить путем создания канавок или нанесения на поверхность адгезионного слоя, обладающего заданными формами. Если изменение формы выполнено в виде волнистости, то амплитуда волнистости должна быть в диапазоне 15 - 20 единиц измерения стенки для того, чтобы включать расположение участка с пиковой турбулентностью. Длина волны или шаг типичной волнистости зависит от цели управления турбулентностью. Ориентация волнистости, т.е. направление впадин между пиками, должна быть выполнена под углом приблизительно 15 - 30o к направлению движения потока. Т.е. "распространение" волн должно происходить под углом 60 - 75o от направления потока.
На фиг. 2 представлен вид сверху вихрей 14, 16; на эти вихри наложены волны, которые распространяются (распространяющиеся структуры) в направлении стрелки 18, составляя угол ±θ с направлением потока 17. Как было отмечено выше, угол θ составляет 50 - 80o для волн, обладающих наибольшей энергетической активностью. Для рассмотрения возможного угла распространения структур по двум направлениям волновые образования должны иметь форму "елочки" 20, как показано на фиг. 2, либо форму перекрестной штриховки или накатки.
Для улучшения смешения и, например, для увеличения теплопередачи (т.е. для увеличения турбулентности) и, следовательно, для содействия разрывам волнистость должна иметь строго синусоидальную форму, как показано на фиг. 3. Длина волны p преимущественно находится в диапазоне 100 - 300 единиц измерения стенки для обеспечения резонанса с режимами запуска, а амплитуда a преимущественно составляет 15 - 20 единиц измерения стенки.
Для уменьшения сопротивления волнообразные структуры должны иметь такой рисунок, который позволяет получить фазовую интерференцию волн, аналогичную приведенной выше фазовой рандомизации. Один из способов достижения этого заключается в создании модуляции "хаотического" рельефа с помощью резонансной длины волны и наличии надлежащего ряда несоразмерных синусоид, классифицирующихся по длине волны. Модель такой схемы в сечении представлена на фиг. 4.
Наряду с использованием пассивных механизмов, предназначенных для взаимодействия с распространяющимися волновыми структурами с целью управления турбулентностью, настоящее изобретение также предполагает использование для этой цели активных средств. Вариант 30, показанный на фиг. 5, является примером такого активного средства. Как показано, установленные заподлицо со стенкой преобразователи в виде нагревательных элементов 31, 32 и т.д. включаются управляющим устройством 33 в виде регулятора нагревателей. Это управляющее устройство 33 в импульсном режиме последовательно по времени включает нагревательные элементы, осуществляя локальный нагрев среды с обеспечением таких же структур, которые создавались волнистостью поверхности стенки граничного потока. Таким образом, локальный нагрев будет создавать волновые структуры различной плотности, которые либо подавляют, либо усиливают выбросы.
Управляющее устройство 33 может включать нагреватели в последовательности, показанной на фиг. 6, обеспечивая пространственное распределение возмущений, показанное на фиг. 7. Волновые формы или структуры, которые вводят фазовую интерференцию в волновые структуры, можно создавать тепловыми воздействиями аналогично тому, как это делают волнистые образования, описанные выше.
Оба механизма, описанных выше, управляют механизмом запуска, причем они пригодны для стационарных потоков. В обоих случаях жестко устанавливается картина течения, причем это выполняется модификацией поверхности, либо соответствующей установкой и импульсной работой нагревательных элементов. Фиксированная картина течения определяется состоянием потока, которое определяется его параметрами (например, числом Рейнольдса).
В других случаях обеспечивается управление турбулентностью потока при переменных параметрах течения. Установленные на стенке нагревательные элементы можно располагать полосами перпендикулярно направлению потока. Эти элементы можно включать последовательно во времени для создания косой волны, распространяющейся под любым углом. За счет соответствующего запуска или импульсного включения сетки нагревательных элементов можно получить любую картину течения, способствующую как усилению, так и ослаблению явления выброса. Эти соображения могут быть применены к потокам переменной скорости (т. е. при переменных числах Рейнольдса).
Фазовая рандомизация, с одной стороны, и фазовое усиление, с другой стороны, возмущающих воздействий, вводимых в поток среды, могут осуществляться также с помощью генерации звуковых волн, посредством акустических генераторов, установленных на стенке, либо генераторов, устанавливаемых снаружи, которые могут располагаться, как показано на фиг. 5. Фазовое усиление режимов запуска приводит к улучшению перемешивания потока среды, при этом оно может обеспечиваться за счет стационарных волновых структур. Асинхронное звуковое генерирование, приводящее к описанным выше схемам течения применительно к волнообразной поверхности, может обеспечиваться с помощью соответствующих возбуждающих рядов акустических генераторов. Переменные скорости потока могут устанавливаться соответствующим программированием акустических генераторов.
Такой же эффект фазовой рандомизации или усиления режимов запуска может быть получен за счет установленных на стенке вибрационных преобразователей, которые заставляют стенку вибрировать в определенном режиме, причем эти вибрации передаются потоку среды. Звуковые или акустические генераторы, или вибрационные преобразователи можно устанавливать рядами на боковых стенках канала или по периферии трубы, или другой стенке (стенках), ограничивающей поток.
Настоящее изобретение также может быть осуществлено в проточных системах, ограниченных стенками, в которых протекает электропроводная среда, например морская вода. В таком случае возмущающее воздействие может вводится с использованием переменных магнитных или электромагнитных полей, взаимосвязанных со стенками или находящихся вблизи стенки (стенок), с тем, чтобы ввести желаемое возмущение в распространяющиеся структуры или формы распространения, либо изменить их описанным выше способом.
В частности, настоящее изобретение может быть использовано в прямых и искривленных каналах или трубах, в компрессорах, насосах и турбинах для снижения интенсивности турбулентности. Изобретение также применимо к камерам сгорания двигателей внутреннего сгорания и т.п., чтобы улучшить смешение для содействия сгоранию.
Если турбулентная среда электропроводна или слабо электропроводна, например, в случае морской воды, то для обеспечения обсуждавшихся выше волновых структур могут быть использованы электрические средства. Электроды, расположенные на стенке и показанные на фиг. 5 в виде преобразователей, можно использовать для создания токов, предназначенных для обеспечения локального нагрева, или связывать с магнитными полями для получения локальных сил. Эти средства можно использовать для управления волновыми структурами, рассмотренными выше. И наконец, установленные на стенке тензометрические датчики, датчики давления, термопары или любые другие высокочувствительные измерительные средства можно использовать для определения начала запуска механизма распространения волн. Эти сигналы можно использовать в контуре обратной связи в тепловой, акустической или электрической схеме для избирательного усиления или разрушения разработанных механизмов распространения волновых структур.
Хотя настоящее изобретение изложено применительно к турбулентному потоку в областях течения среды, ограниченных стенкой, тем не менее описанные выше способы и устройства согласно изобретению можно применять в турбулентных пограничных потоках, которые имеют место вблизи тел, перемещающихся в среде. Таким образом, настоящее изобретение применимо к телам, движущимся в воздухе (например, колесным транспортным средствам и летательным аппаратам), а также к телам, перемещающимся в воде (например, судам) и т.п.
Кроме того, описанные способ и устройство согласно настоящему изобретению можно реализовать в системе течения в пограничном слое, в которой среда является электропроводной, например морской водой. В данном случае возмущающее воздействие можно создавать за счет переменных магнитного или электромагнитного полей, взаимосвязанных с таким телом, как судно, пребывающее в морской воде, с тем, чтобы ввести желаемое возмущение в распространяющиеся структуры или формы распространения, либо изменить их, как это было описано выше.
В реальном физическом эксперименте было зафиксировано значительное уменьшение (9%) турбулентного сопротивления, когда относительно слабый звуковой генератор использовался для ввода звукового возмущающего воздействия в испытательной секции аэродинамической трубы. На фиг. 8 показано расположение звукового генератора, использованного при проведении эксперимента, относительно испытательной секции. Как указано, размеры испытательной секции аэродинамической трубы составляли: высота - 57 см, ширина - 81 см, длина 380 см. Звуковой генератор был прикреплен к стенке испытательной секции под углом приблизительно 65o. Звуковой генератор был выполнен в виде резонаторной коробки, имеющей сужающуюся часть длиной около 22 см и сечением 61 х 22 см торца, к которому был присоединен звуковой динамик, и с сечением 8 х 61 см торца, противоположного динамику. 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 испытательной секции.
Изменения проводились с использованием прямой нагретой проволоки в двух точках на расстоянии друг от друга 30 см вблизи стенки испытательной секции. Одна точка совпала с осью резонансной коробки и располагалась на расстоянии порядка 190 см от конца испытательной секции.
В осевой точке толщина турбулентного пограничного слоя составляла 480 мм для потока с числом Рейнольдса 7,7 • 105, вычисленным на основе средней скорости. Было получено снижение сопротивления приблизительно на 9%, когда звуковой динамик действовал от усилителя, который вырабатывал звуковой сигнал частотой приблизительно 170 Гц с фазовой рандомизацией в диапазоне 0 - 360o при частоте 426 Гц в соответствии с указаниями, содержащимися в статье А.Р. Хандлера, Е. Левича и Л. Суровича "Уменьшение сопротивления в турбулентном потоке в канале за счет фазовой рандомизации", Phys. Fluids. Частоты или длины волн, которые были использованы в акустическом возмущающем сигнале, вводимом в испытательную секцию, соответствовали тем, которые указаны в настоящем изобретении, а именно находились в диапазоне 100 - 300l* (где l* - единица измерения стенки).
Кроме того, также могут быть созданы различные механические средства, предназначенные для введения в среду желаемого возмущения. Например, ряд удлиненных элементов, таких как небольшие проводки, входящие в поток среды, может возбуждаться под комбинированным действием потока и эластичности проводков при сопротивлении потоку, с тем чтобы создать желаемое возбуждение.
Если обратиться к фиг. 10a и 10b, то со ссылками на эти фигуры описан вариант осуществления настоящего изобретения, в котором созданы два одновременно действующих средства для получения двух отдельных возмущений, которые осуществляют воздействие в локальной зоне для формирования комбинированного возмущающего поля, которое прочно связано с наклонно распространяющимися структурами и модифицирует их способом, который увеличивает или уменьшает взаимодействие распространяющихся структур с системой пар вихрей, тем самым локально увеличивая или уменьшая турбулентное сопротивление в области течения. В этом варианте осуществления устройство 50 включает в себя первое средство 51 в форме полосы 52 дельтаобразных выступов 53 и второе средство 54, содержащее звуковой генератор 55 в форме резонаторной коробки, к которой на ее свободном конце 58 прикреплен громкоговоритель 56. В результате такой схемы создается возмущение, которое генерирует пару косых волн для усиления вихрей, так что происходит построение вихрей для снижения турбулентного сопротивления.
В случае описанных выше вариантов осуществления изобретения, использующих дельтаобразные выступы, каждый дельтаобразный выступ имеет номинальное основание, перпендикулярное направлению осредненного потока в данный момент, порядка 4 мм, номинальную длину в направлении потока порядка 5 мм и шаг по ширине потока порядка 5 мм, что приблизительно составляет 120 стеночных параметров. В данном случае также рассматриваются размеры по длине, составляющие соответственно порядка 100, 200 и 400 стеночных параметров. Когда применяется ряд полос дельтаобразных выступов, расстояние по ширине потока между смежными полосами составляет порядка 2 см, что для этих вариантов осуществления изобретения равно примерно 600 стеночным параметрам. При других условиях течения эти размеры соответствующим образом могут быть изменены.
Если обратиться к фиг. 11a и 11b, то дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения, описанный со ссылками на эти фигуры, содержит два средства, которые действуют одновременно и применены для создания возмущения, которое снижает турбулентное сопротивление в области потока. В этом варианте устройство 50 включает в себя первое средство 51 в форме полосы 52 дельтаобразных выступов 53 и второе средство 54, содержащее звуковые генераторы 55a и 55b. Эти звуковые генераторы создают возмущение, которое взаимодействует с возмущением, вызываемым выступами, для генерации пары косых волн с целью усиления вихрей, так что происходит построение вихрей для уменьшения турбулентного сопротивления. Для удобства здесь подробно описан звуковой генератор 55a, при этом звуковой генератор 55b фактически идентичен. Звуковой генератор 55a содержит резонаторную коробку, к которой на ее конце 58 прикреплен громкоговоритель 56. Оба этих средства действуют для создания возмущения, которое генерирует пару косых волн для усиления вихрей, так что происходит построение вихрей для снижения турбулентного сопротивления.
Дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения описан со ссылкой на фиг. 12a и 12b, при этом в нем имеется два средства, которые действуют одновременно и вновь применены для создания возмущения, которое снижает турбулентное сопротивление в области течения. В этом варианте устройство 50 включает в себя первое средство 51 в форме ряда полос 52 дельтаобразных выступов 53, при этом каждая полоса расположена поперек направлению потока, причем ряд располагается на пути звука звукового генератора 55, который образует второе средство 54 устройства.
В данном случае звуковой генератор 55 выполнен в форме резонаторной коробки, к которой со стороны свободного конца 58 крепится громкоговоритель 56, и предназначен для создания возмущения, которое генерирует пару косых волн для усиления вихрей, при этом происходит построение вихрей для снижения турбулентного сопротивления.
Еще один вариант осуществления настоящего изобретения описан со ссылкой на фиг. 13a и 13b, при этом он содержит два средства, вновь примененных для создания возмущения, которое снижает турбулентное сопротивление в области потока. В этом варианте устройство 50 включает в себя первое средство 51 в форме ряда полос 52 дельтаобразных выступов 53. Второе средство 54 этого варианта содержит звуковые генераторы 55a и 55b для создания возмущения, которое генерирует пару косых волн для усиления вихрей, при этом происходит построение вихрей для уменьшений турбулентного сопротивления. Здесь для удобства подробно описан только звуковой генератор 55a, однако звуковой генератор 55b фактически идентичен. Звуковой генератор 55a содержит резонаторную коробку, к концу 58 которой прикреплен громкоговоритель 56. Оба эти средства действуют для создания возмущения, которое генерирует пару косых волн посредством взаимодействия с рядом дельтаобразных полос для усиления вихрей, при этом происходит построение вихрей для уменьшений турбулентного сопротивления.
В вариантах осуществления изобретения, описанных применительно к фиг. 10a и 10b, 11a и 11b, 12a и 12b, 13a и 13b полосы дельтаобразных выступов укладываются на стенку аэродинамической трубы там, где образуется турбулентный пограничный слой, когда аэродинамическая труба находится в действии. В данном случае предпочтительные размеры показаны на фиг. 14, при этом высота каждой дельты предпочтительно находится в диапазоне от 12 до 15 стеночных параметров, что в условиях настоящего изобретения приблизительно составляет 5 мм.
В этих вариантах звуковые волны, генерируемые от одной или обеих боковых стенок трубы, взаимодействуют с возвышающимися дельтаобразными выступами и создают волны, наклоненные к направлению фронтов волнового потока, которое параллельно гребням дельтаобразных выступов. При двух углах наклона и вихревой структуре между волнами происходит нелинейное взаимодействие. Такое взаимодействие приводит к усиленным вихревым структурам такого типа, которые показаны на фиг. 15a, 15b и 15c.
При этом установлено, что наиболее эффективные усиленные вихревые структуры создаются тогда, когда приводная частота звуковых генераторов в условиях выполнения эксперимента находится в диапазоне от 60 до 90 Гц. Использование рядов полос дельтаобразных выступов, которые описаны применительно к фиг. 12a, 12b, 13a и 13b, скорее позволяет создать усиленную и сохраняющуюся, а не краткосрочную вихревую структуру, при этом как описано применительно к фиг. 10a, 10b, 11a и 11b, была использована только одна полоса дельтаобразных выступов. В случае использования рядов полосы дельтаобразных выступов размещаются с фиксированным по фазе расположением, то есть номинально на расстоянии приблизительно 500 стеночных параметров между каждой полосой ряда, как показано на фиг. 12a и 13a.
В случае таких расположений комбинированное действие режимов генерации звуковых волн и полосы или полос дельтаобразных выступов режимы генерации создают возмущение, имеющее длину волны, определяемую характерными размерами первого средства, и частоты акустических волн, создаваемых вторым средством. Результаты применения возмущения к турбулентному пограничному слою получаются сравнительно хорошими и появляются прочные вихревые структуры.
Подтверждающие это экспериментальные данные показаны на фиг. 15a1 - 15 a4, где в каждом случае горизонтальная ось направлена по ширине испытательных секций, показанных на фиг. 10a - 11b, то есть перпендикулярно направлению потока, а вертикальная ось отображает расстояние от донной стенки испытательной секции. Таким образом содержание фигур характеризует изменения скорости потока вблизи от стенки испытательной секции на участке, перпендикулярном потоку. Серый уровень изображения пропорционален скорости, а черный характеризует нулевую скорость.
Как показано на фиг. 15a1 - 15a4, приложение возмущения, создаваемого звуковым воздействием в сочетании с полосой дельтаобразных выступов, приводит к увеличению структуры вихрей по сравнению с отсутствием звукового воздействия.
Должны быть выбраны надлежащие параметры обоих воздействий, с тем, чтобы общее возмущение поля скоростей создавало пару косых волн в резонансном взаимодействии с естественной вихревой структурой, чтобы разрушить свойственное взаимодействие между вихрями и распространяющимися структурами в естественном потоке. Это резонансное взаимодействие обычно повышает устойчивость вихревых структур и может быть спланировано таким образом, чтобы обеспечить увеличение их бокового размера с понижением при этом турбулентного сопротивления. Это происходит вследствие усиленных вихревых структур от слоя вихревых структур вдоль физической границы тела, где обычно имеется турбулентный пограничный слой. Этот слой сдерживает развитие турбулентности, так что движение ухудшается незначительно и, следовательно, обеспечиваются более высокие скорости в остальной части этого пограничного слоя. Допустимы и другие средства для обеспечения связи возмущений с полями скоростей потока, которые генерируют общее возмущение в форме пары косых волн в условиях резонанса.
В описанных ранее вариантах осуществления изобретения, когда одна дельтаобразная полоса используется в сочетании со звуковыми генераторами, полоса может располагаться далее по ходу от генератора, ближе от него по ходу, либо противоположно ему.
В дополнительном варианте осуществления изобретения может быть использована одна дельтаобразная полоса, либо ряд дельтаобразных полос без звуковых генераторов, как показано на фиг. 17. При этом обеспечивается меньшая эффективность, чем в случае использования звуковой энергии, но в некоторых случаях эффективность может быть адекватной.
Еще в одном дополнительном варианте осуществления вместо полос дельтаобразных выступов могут быть использованы выступы в виде противоподъемных крыльев, как показано на фиг. 16a. Каждая пара таких крылообразных выступов обеспечивает пару вихрей противоположного вращения, обеспечиваемых концевыми вихрями, отходящими от подъемных крыльев. Пары крыльев идеально располагаются на расстоянии порядка 100 - 200 стеночных параметров для создания в потоке пары вихрей. Таким же образом, каким фиг. 11 была распространена на фиг. 12, ряд крыльчатых пар может быть установлен так, как показано на фиг. 16b. Ряд крыльчатых пар должен быть расположен на расстоянии порядка 500 стеночных параметров. Случаи применения, показанные на фиг. 16a и 16b, предполагают наличие только пассивных возбудителей потока без использования звуковых генераторов.
Как указано, предпочтительный промежуток между смежными крыльями в полосе составляет порядка 100 - 200 стеночных параметров, а расстояние между последовательными полосами в ряду составляет порядка 500 стеночных параметров.
Хотя на фиг. 16a и 16b показаны и описаны крылья, может быть использована пара выступов, имеющих иную форму, однако при условии, что они обеспечивают пару вихрей противоположного вращения. Кроме того, в случае дельтаобразных выступов номинальный угол составляет порядка 45o.
Еще в одном дополнительном варианте осуществления изобретения могут быть использованы полосы заделанных дельтаобразных нагревательных элементов или ряды полос заделанных дельтаобразных нагревательных элементов, как показано на фиг. 19a и 19b. Работа этих нагревательных элементов, выполняемая в зависимости от времени, будет создавать подобное возмущение для усиления вихревых структур.
Можно полагать, что при использовании применительно к потоку средств для создания возмущения с целью снижения турбулентного сопротивления или повышения турбулентной теплопередачи, в ряде случаев может потребоваться, например, установка этих средств по длине стенки трубопровода, и т.д.
Хотя в описанных выше вариантах в качестве источника звуковой энергии упоминаются громкоговорители, очевидно, что могут быть использованы и естественные источники звуковой энергии. Например, звуковая энергия может генерироваться посредством использования тональных сигналов или объемных резонаторов. Тональные сигналы могут быть созданы посредством прохождения потока среды, например, через узкие ленты или проводки, как показано на фиг. 19, либо посредством прохождения среды, например, за глухую полость.
Из приведенного выше описания предпочтительных вариантов изобретения очевидны преимущества и улучшенные результаты, получаемые посредством способа и устройства согласно настоящему изобретению. При этом без отклонения от существа и объема изобретения в нем могут быть выполнены различные изменения и модификации, которые охвачены прилагаемой формулой изобретения.
Изобретение относится к механике жидкости. Управление турбулентностью в пограничном слое или ограниченных стенкой областях потока среды, имеющей турбулентную зону у стенки, в которой создают систему пар вихрей, проходящих в направлении потока, и косо распространяющимися структурами, взаимодействующими с системой пар вихрей, осуществляется посредством локального ввода в турбулентную зону у стенки двух отдельных возмущений, которые эффективны для создания в локальной зоне комбинированного возмущающего поля, которое прочно связано с косо распространяющимися структурами и модифицирует их способом, который увеличивает или уменьшает взаимодействие распространяющихся структур с системой пар вихрей, тем самым локально усиливая или снижая турбулентность в области потока. Одно из возмущений может быть следствием взаимодействия среды с линейной полосой или рядом полос дельтаобразных выступов, расположенных на стенке по ширине потока (то есть, поперечно направлению потока), а второе возмущение может быть следствием введения звуковой энергии в местную зону. Кроме того, для создания пары вихрей противоположного вращения с целью управления турбулентностью в пограничном слое могут быть использованы линейная полоса или ряд крылообразных выступов. Техническим результатом изобретения является уменьшение турбулентного сопротивления. 3 с. и 8 з.п. ф-лы, 19 ил.
