ПОВЕРХНОСТЬ, ОБТЕКАЕМАЯ ЖИДКОСТЬЮ ИЛИ ГАЗОМ Российский патент 2000 года по МПК F15D1/00 

Изобретение относится к прикладной гидрогазодинамике, в частности к системам для управления пограничным слоем, и может быть использовано на летательных аппаратах, а также на судах и в трубопроводах.

Известна поверхность, обтекаемая жидкостью или газом, содержащая мелкие выступающие элементы в виде ворса (см. Ав. св-во СССР N 464716, кл. F 15 D 1/12, опуб. 1975).

Применение этой поверхности для снижения сопротивления затрудняется такими недостатками, как сложность изготовления и дороговизна ворсистого покрытия, трудность точного выдерживания гидродинамических форм тела, покрытого ворсом, старение со временем материала ворса и изменение его упругих и демпфирующих свойств.

Технически осуществимым является устройство снижения сопротивления трения потока жидкости или газа, когда на обтекаемую поверхность механическим путем наносится направленная по потоку микрошероховатость типа "риблет", в поперечном сечении напоминающая "рыбью чешую" (см. сб. "Снижение вязкого трения" под редакцией Г.Р. Хью. - М.: Машиностроение, 1984).

Основным недостатком такой поверхности является снижение только мелкомасштабной турбулентности.

Известна поверхность Винокурова, снижающая сопротивление трения и состоящая из отдельных пластин, установленных со смещением и соединенных друг с другом посредством эластичных прокладок с образованием герметичных камер (см. Ав. св-во СССР N 1665882 A3, кл. F 15 D 1/12, опуб. 1989).

При движении потока вдоль поверхности твердого тела происходит уменьшение вихреобразования и выравнивание толщины пограничного слоя за счет прогиба пластин и их колебательного движения во всех направлениях.

Основным недостатком указанной поверхности является необходимость крепления ее только к твердому телу, а также значительная инерционность, что существенно снижает область применения данной поверхности.

Известна также поверхность, снижающая сопротивление трения при обтекании ее жидкостью или газом (см. Ав. св-во СССР N 1672021 A1, кл. F 15 D 1/12, опуб. 1989).

Данная поверхность содержит основу, имеющую продольные ребра прямоугольного сечения, на которых закреплены поперечные пластины, между которыми имеются зазоры.

При обтекании поверхности потоком среда в пограничном слое имеет возможность циркулировать из области повышенного давления в область пониженного давления, благодаря имеющимся в устройстве свободному пространству и зазорам между продольными ребрами и поперечными пластинами. В результате самопроизвольного отсоса и вдува среды через сообщающиеся между собой поперечные зазоры давление на обтекаемой поверхности выравнивается, снижается величина продольного положительного градиента давления, что снижает вероятность отрыва потока и уменьшает сопротивление трения.

Основным недостатком указанной поверхности является громоздкость конструкции и необходимость крепления ее только к твердому телу, а также значительная инерционность системы, что значительно уменьшает область применения данной поверхности.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является поверхность, обтекаемая жидкостью или газом, содержащая выступающие элементы в виде ребер (см. Ас. св-во СССР N 1086246 A1, кл. F 15 D 1/00, опуб. 1984).

Основным недостатком данной поверхности является то, что вихри должны располагаться точно в межреберном пространстве, жестко ограниченном геометрическим профилем ребристой поверхности. В противном случае вихри могут разместиться не в межреберном пространстве, и тогда эффект снижения сопротивления исчезнет.

Данное изобретение устраняет указанный недостаток.

Технический результат в поверхности, обтекаемой жидкостью или газом, содержащей выступающие элементы в виде ребер, согласно изобретению, ребра ориентированы поперек потока и выполнены в виде равновеликих равнорасположенных по поверхности пластин прямоугольного поперечного сечения, при этом шаг установки пластин, их высота и относительная площадь обтекаемой потоком поверхности определяются соотношениями
t = (0,8 - 1,2)h,
P = S_p/S≤0,15,
где t - шаг ребер,
h - высота ребер,
S - площадь поверхности, обтекаемой потоком,
S_p - площадь торцевой поверхности ребер, обтекаемых потоком,
P - относительная площадь обтекаемой поверхности.

Кроме того, в поверхности по меньшей мере половина пластин выполнена с высотой, равной 0,5 высоты другой половины пластин, при этом расположение пластин большей и меньшей высот по потоку выполнено равночередующимся одна за другой.

На фиг. 1 изображена схема поверхности, обтекаемой жидкостью или газом, с ребрами одинаковой высоты h; на фиг. 2 - с равночередующимися ребрами большей и меньшей высоты.

Поверхность 1, обтекаемая жидкостью или газом, содержит ребра, ориентированные поперек вектора скорости потока, в виде:
- равновеликих равнорасположенных по поверхности 1 пластин 2 прямоугольного поперечного сечения (фиг. 1),
- пластин прямоугольного поперечного сечения, по меньшей мере половина которых (пластины 3) выполнена вдвое меньшей высоты, чем остальная часть пластин 2 (фиг. 2). При этом расположение пластин большей и меньшей высот по потоку выполнено равночередующимся одна за другой.

Поверхность, обтекаемая жидкостью или газом, работает следующим образом.

При обтекании поверхности 1 потоки жидкости или газа в направлении вектора скорости в каналах, образованных ребрами, возникают вращающиеся вихри диаметром, примерно равным шагу ребер, и, таким образом, внешний поток как бы скользит по поверхности образующихся в каналах вихрей, т.е. формируется течение со скольжением на стенке.

Снижение трения на обтекаемой поверхности связано с уменьшением возмущающего влияния стенки на пограничный слой, т.к. свободная поверхность занимает большую часть ее полной поверхности.

Изобретение относится к прикладной гидрогазодинамике, в частности к системам для управления пограничным слоем, и может быть использовано на летательных аппаратах, а также на судах и в трубопроводах. На поверхности, обтекаемой жидкостью или газом, выполнены выступающие элементы в виде плоских пластин прямоугольного поперечного сечения, аналогичных плоских пластин, половина из которых выполнена с высотой, равной 0,5 высоты остальных пластин. Все типы выступающих элементов ориентированы по поверхности поперек потока. Указанное расположение и форма выступающих элементов обеспечивают уменьшение толщины пограничного слоя потока и таким образом снижают гидравлическое сопротивление. Шаг установки плоских пластин t равен 0,8 - 1,2 высоты пластины. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Поверхность, обтекаемая жидкостью или газом, содержащая выступающие элементы в виде ребер, отличающаяся тем, что ребра ориентированы поперек потока и выполнены в виде равновеликих равнорасположенных по поверхности пластин прямоугольного поперечного сечения, при этом шаг установки пластин, их высота и относительная площадь обтекаемой потоком поверхности определяются соотношениями
t = (0,8 - 1,2)h,
P = S_p/S ≤ 0,15,
где t - шаг ребер;
h - высота ребер;
S - площадь поверхности, обтекаемой потоком;
S_p - площадь торцевой поверхности ребер, обтекаемой потоком;
Р - относительная площадь обтекаемой поверхности. 2. Поверхность по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере половина пластин выполнена с высотой, равной 0,5 высоты другой половины пластин, при этом расположение пластин большей и меньшей высот по потоку выполнено равночередующимся одна за другой.