Способ отсасывания пограничного слоя сплошной среды с поверхности тела и устройство для его реализации - RU2691705C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к аэрогидромеханике, энергетике, медицине, задачам повышения эффективности: тепловых агрегатов, гидравлических машин, средств транспорта, бытовой технике и поточному оборудованию в других областях научно-технических разработок и инженерной практики, в которых функциональные и технико-экономические характеристики зависят от структуры потоков сплошной среды и возможности управлять процессами взаимодействия потока и поверхности.

Представленное изобретение является разработкой пакета технологий, носящих название TLJT - Tornado Like Jet Technologies, основанных на обнаруженном при относительном движении вязкой сплошной среды и поверхностей, с нанесенным на них рельефом углублений, феномене самоорганизации вторичных центростремительных квазипотенциальных смерчеобразных струй - TLJ по аббревиатуре английских терминов Tornado Like Jet, причем, углубления расположены на исходно гладкой поверхности с заданным шагом и имеют вогнутые скаты и гладкое дно в виде поверхности второго порядка.

Феномен самоорганизации смерчеобразных вихрей или струй названный TLJ-fenomen-ом был обнаружен в 1977 г. в России при разработке урановых тепловыделяющих элементов для нейтронного бустера сильноточных линейных ускорителей электронов «Факел» и ЛУ-50.

Анализ совокупности теоретических и экспериментальных результатов исследований, разработок и испытаний образцов и натурных изделий, проведенных в последние годы, указывает, что вторичные смерчеобразные струи при относительном движении среды и поверхности встраиваются в поток среды. Такое течение, изменяя закономерности взаимодействия среды с поверхностью, обладает новыми свойствами, отличающими поток со встроенными TLJ от ламинарных и турбулентных потоков, обтекающих исходно гладкие или шероховатые, в том числе, искусственно шероховатые, поверхности. Потоки со вторичными TLJ приобретают описываемые ниже свойства, повышают эффективность обменных процессов на формованных углублениями поверхностях, названных TLJS (Tornado Like Jet Surface). Потоки со встроенными TLJ названы TLJF - Tornado Like Jet Flows, а пакет технологий, основанных на их использовании, носит, как указано выше, - TLJT - Tornado Like Jet Technologies.

В годы становления TLJT, начиная с 1977 г., в исследованиях обнаруженного феномена, инженерных разработках на его основе и в практических работах использовались рельефы углублений, имевшие разные формы, из которых наиболее популярной и распространенной по сей день формой являются сегменты сферы с криволинейной гладкой поверхностью, чередующиеся с исходно гладкими участками. Вогнутое гладкое дно таких поверхностей, контактирующих со средой, сопряжено с исходно гладкой поверхностью либо, условно, острыми кромками, либо выпуклыми овальными скатами. При этом, линии сопряжения выпуклых скатов с исходно гладкой поверхностью, с одной стороны, и с вогнутым дном - с другой, имеют общие касательные. На TLJS, контактирующей со сплошной средой и находящейся с ней в состоянии относительного движения, углубления размещаются с продольным t₁ и поперечным t₂ шагами, как правило, в треугольной решетке, реже в решетке коридорного типа. При использовании таких TLJS на цилиндрических трубах, обтекаемых потоками жидкости - воды, и было обнаружено явление самоорганизации вторичных смерчеобразных струй. Образцы поверхностей изготавливались путем вдавливания инструмента сферической формы в исходно гладкую внешнюю металлическую поверхность тонкостенных труб из нержавеющей стали, циркониевых и алюминиевых сплавов, причем, вовнутрь трубы помещался резиновый шнур, создававший деформируемое основание и обеспечивавший сохранение цилиндрической формы трубы при нанесении углублений. Используемый инструмент оставлял на формуемой поверхности след в виде углублений двойной кривизны, вогнутое дно каждого из которых сопрягалось с исходно гладкой поверхностью выпуклыми гладкими скатами.

В годы освоения этих течений часто использовались TLJS, имевшие форму углублений с различными сферическими параметрами, что приводило к изменению гидравлических и тепломассообменных параметров и к необъективному отношению к оценке эффективности TLJT из-за получения разнящихся между собой неоднозначных, результатов на образцах, имевших, казалось бы, одинаковые геометрические формы рельефа. Ниже приведены номера Патентов, выданных в разных странах авторам TLJT за время разработок и становления технологий для защиты от несанкционированного их использование и претензий на авторство третьих лиц:

USSR Inventor's Certificate 1 538 190 (Byull. Inv. 1988); USSR Inventor's Certificate 1 570 081 (Byull. Inv. 1990); RU No.2 001 370 1993-10-15; RU No. 2 002 128 1993-10-30; RU No. 2 020 304 1994-09-30; RU No. 2 040 127 1995 07-20; RU No. 2 044 248 1995-09-20; RU No. 2 059 881 1996-05-10; SG 47069 1998-03-20; EP 0839309 1998-05-06; US no. 6 006 823, 1999.12.28; US No. 6 119 987, 2000-09-19; ЕР 03012638 2003-03-06; ЕР 1458972 2004-09-22; WO 2004083628 2004-09-30; US 2004/0240984 A1; WO 206098649; DE 10347022 2005-05-04; EP 1565659 2005-08-24; EP 1671038 2006-06-21; EP 1725449 2006-11-29; EP 2103818 2013-08-22; RU No. 2 291 399; RU No. 2 314 496; PCT/RU 2006 / 000465, (PCT/RU 2007/000440; Appl. RU 2008/151898; WO 2009/022940 A1).

Эти документы сыграли важную роль на прошедшем этапе развития TLJT. Их общим достоинством явились:

- объявление и демонстрация возможности создания и использования рукотворных смерчеобразных струй или потоков;

- развитие за счет таких течений нетрадиционных путей повышения технико-экономической и функциональной эффективности процессов и оборудования, использующих относительное движение граничных поверхностей и среды (газы, жидкости и их смеси);

- возвращение актуальности проблеме выяснения причин феномена дальности полета мяча для игры в гольф, поскольку, контактирующая с воздухом поверхность мяча, покрытая рельефом углублений, является частным случаем TLJS.

При всем этом важном и положительном влиянии в области тепломассообмена, аэрогидромеханики, поточных технологий, медицины и др., перечисленные документы содержат существенные недостатки. В них отсутствуют адекватные природе TLJ-fenomen-a объяснения:

- причин самоорганизации вторичных смерчеобразных квазипотенциальных струй в углублениях TLJS и механизмов, порождающих квазипотенциальные TLJ;

- критериев расчета и выбора форм, размеров и плотности размещения углублений, обеспечивающих самоорганизацию квазипотенциальных струй на TLJS.

Наиболее близким к предложенному способу и устройству является техническое решение по патенту ЕР 2103818 от 22.08.2013 г. (RU 2425260 С2, 27.07.2011).

Известный способ по Патенту ЕР 2103818 характеризуется тем, что поля скоростей и давлений в обнаруженных смерчеобразных, закрученных струях описываются точными решениями нестационарных уравнений гидродинамики вязкой жидкости (уравнения Навье-Стокса и неразрывности), приводимыми в патенте. Знания и опыт, накопленные при разработках и исследованиях формованных поверхностей, в том числе, для практического использования феномена TLJ в различных процессах и аппаратах, подтвердили правомерность описания этих струй точными решениями уравнений гидродинамики и позволили установить необходимые и достаточные условия для их формирования. Феномен TLJ экспериментально исследован, частично описан теоретически, визуализирован и испытан в широком интервале скоростей и давлений, в том числе, в диапазонах дозвуковых и сверхзвуковых скоростей потоков газов, например, воздуха, и при нормальных, критических и закритических состояниях потоков жидкости, например, воды.

В тексте Патента ЕР 2103818 указано, что смерчеобразные струи (TLJ) самоорганизуются на TLJS в углублениях специального рельефа при относительном движении формованной граничной поверхности и вязкой сплошной среды. При этом, течение среды или движение тел в ней характеризуются числами Рейнольдса - Re_c≥500, вычисленными или по размеру углублений вдоль потока, или их размеру в направлении движения тела. При этом, выбранные формы и размеры кривизны выпуклых и вогнутых частей рельефа инициируют действие на поток сил, отсутствующих на исходно гладких поверхностях и возникающих на криволинейных скатах углублений, перестраивая, при этом, пограничный слой течения из сдвигового на исходно гладких участках TLJS в трехмерный вихревой пограничный слой, состоящий на криволинейной поверхности из поверхностных вихрей, типа вихрей Гёртлера или их ансамблей.

Известным примером трехмерного пограничного слоя является вращательное движение среды над неподвижной поверхностью, аналогично движению среды, втекающей в углубления при обтекании TLJS. Помимо этого, известно, что при движении среды относительно искривленной стенки вихри Гёртлера рождаются, как только приводимый ниже критерий Гёртлера, составленный из значений радиус-вектора кривизны поверхности R (далее, радиус кривизны), вязкости

Этот критерий указывает на возможность управления вихревым пограничным слоем с помощью параметров потока сплошной среды (скорость потока U_∞ и толщина потери импульса δ₂(x)) и радиуса кривизны R поверхности обтекаемого углубления. В пограничном слое такого типа, названном нами мелкодисперсным подвижным пограничным слоем - Finely Dispersible Mobil Boundary Layer (FDMBL), характер напряжений трения на криволинейных поверхностях изменяется, превращаясь из сдвиговых напряжений в напряжения, определяемые трением качения. FDMBL обеспечивает условия для сопряжения TLJ с вогнутой поверхностью углублений и не приводит, при этом, к диссипации энергии во вращающемся потоке. Условия "прилипания" Л. Прандтля, требующие уравнять скорость потока со скоростью обтекаемой поверхности, разрушают, как известно, формируемые на гладких поверхностях вихревые системы, где отсутствует FDMBL. По этому поводу в патенте указывается, что в случае трехмерного вихревого пограничного слоя условие «прилипания» выполняется опосредованно через поверхностные вихри, формирующиеся смерчеобразными струями в своих торцах. Таким образом, TLJ, имея течение в своих торцах, «сшитое» с вихрями, типа вихрей Гёртлера, «катаются» на этих вихрях по криволинейной поверхности, что является одним из основных достоинств TLJS, необходимым условием для самоорганизации TLJ и одной из основных причин снижения напряжений трения при обтекании криволинейных вогнутых рельефов. В центре углубления зафиксирован «холм» из поверхностных структур FDMBL и «оседлавшая» его смерчеобразная струя. Поверхностные вихри FDMBL, обладая повышенной подвижностью на криволинейных поверхностях углублений, двигаются по такому рельефу, аналогично катку или колесу, имея в точках контакта с поверхностью или на линии сопряжения с ней скорость, равную скорости поверхности. В случае неподвижной TLJS эта скорость равна нулю, а в случае движущейся TLJS равна скорости относительного движения этой поверхности и среды, что и соответствует условиям Л. Прандтля "прилипания" среды к поверхности в его Теории пограничного слоя. Остальные точки поверхности этих вихрей, «сшитые» с линиями тока закрученного течения в торцах TLJ, движутся со скоростями, соответствующими скорости смерчеобразного вихря в этих торцах. Этим в патенте ЕР 2103818 объясняется механизм уменьшения диссипации энергии в самоорганизующихся смерчеобразных струях, под которыми пограничный слой на криволинейной поверхности углублений структурируется в крупные образования, состоящие из вихрей в виде визуализированных макроскопических "косичек".

Самоорганизующиеся вихревые струи, отсасывают с поверхности углубления и с окружающей его гладкой части рельефа пограничный слой, состоящий из таких "косичек", перенося отсосанную массу в основной поток. Каждая из "косичек" существенно превосходит по массе и объему турбулентные моли, определяющие эффективность механизмов тепломассообмена в турбулентных потоках, что объясняет преимущества TLJS по сравнению с другими формами рельефов, традиционно используемых для интенсификации тепломассообмена.

Таким образом, в патенте ЕР 2103818 от 22.08.2013 г. (RU 2425260 С2, 27.07.2011) приводятся результаты, достигнутые при использовании TLJS, но не указаны основания и способы их достижения. Они были сформулированы нами, авторами патента, указанного выше, и рассматриваемой заявки, представляемой на получение патента позже, и составляют ее основу.

Раскрытие механизмов TLJ-fenomen-a, способ отсасывания пограничного слоя вторичной смерчеобразной струей, интенсификация тепломассообмена, уменьшение диссипации кинетической энергии течений, формируемых на TLJS, и другие свойства этих новых структурированных течений, представлены и рассмотрены в заявке ниже в разделе «Раскрытие изобретения».

При этом, следует иметь в виду, что на нынешнем этапе развития TLJT известны разнообразные формы смерчеобразных (Tornado Like Jet) течений, имеющие, при этом, квазипотенциальную структуру поля скорости закрученной струи. Из наблюдений за торнадо известно также, что в центре этих вихрей атмосферное давление падает, и в их торец, связанный с поверхностью, засасывается воздух из окружающего пространства. Данные о величине падения давлении в центре торнадо отсутствуют, но некоторые специалисты считают, что в его стволе давление падает до половины нормального атмосферного давления. Засасывая все большие количества окружающего воздуха, торнадо, увеличивают свою мощность и вращаются быстрее по мере увеличения размеров. Закрученный поток воздуха в торнадо достигает трансзвуковых скоростей

Вторичные TLJ, обнаруженные нами в потоках газа (воздуха) и жидкости (воды), являются одним из видов течений этого класса. Они, судя по опубликованным экспериментальным данным, самоорганизуются в углублениях, обтекаемых потоками воздуха, скорость которых превышает скорость звука. Это позволяет утверждать, что TLJS могут использоваться в практических целях в диапазоне от дозвуковых до сверхзвуковых скоростей.

Недостатками известного способа по Патенту ЕР 2103818 является:

- отсутствие в изобретении объяснений и обоснований, адекватных природе феномена самоорганизации вторичных смерчеобразных струй на поверхностях с углублениями, обтекаемых потоками сплошной среды;

- причин образования TLJ в углублениях TLJS и истечения вторичных смерчеобразных струй в основной поток;

- связи с процессом обтекания поля сил, отсутствующих при обтекании исходно гладкой поверхности и возникающих на криволинейных скатах углублений при обтекании TLJS;

- механизмов диссипации энергии, отличающихся на TLJS от аналогичного процесса на исходно гладкой поверхности, приводящих к снижению сопротивления, в том числе, напряжений трения на TLJS;

- свойств, присущих TLJ и FDMBL, проявляемых ими при самоорганизации вторичных струй непрерывной подстройкой формы вихревой поверхности FDMBL в процессе эволюции TLJ к форме криволинейной поверхности вихревого пограничного слоя в углублениях, соответствующей условиям формирования квазипотенциальных TLJ при изменениях скорости основного потока и роли FDMBL в механизмах самоорганизации смерчеобразных струй;

- механизмов отсасывания пограничного слоя с криволинейных поверхностей углублений рельефа и с окружающих их исходно гладких участков TLJS и переноса отсосанной массы среды в основной поток;

- связи между формой линий тока и формой криволинейной поверхности углублений.

Известная поверхность по Патенту ЕР 2103818, 22.08.2013 (RU 2425260 С1, 27.07. 2011) исходно плоских, цилиндрических, конических или любого другого профиля тел или транспортных трубопроводов, характеризуется тем, что содержит на стороне контакта со средой рельеф углублений, который, при относительном движении с газами, жидкостями, их двухфазными или многокомпонентными смесями, интенсифицирует тепломассообмен, снижает сопротивление и придает формованной поверхности дополнительные свойства и новые закономерности взаимодействия со средой.

Рельефы, предлагаемые в Патенте ЕР 2103818, имеют выпукло - вогнутые формы, т.е. двойную кривизну в виде поверхностей второго порядка, что обеспечивает указанную в патенте интенсификацию тепломассообмена при гидравлических потерях, отстающих от уровня интенсификации.

Недостатками известной поверхности является отсутствие:

- объяснений и обоснования методов расчета форм и размеров углублений, адекватных природе TLJ- феномена и механизмам самоорганизации вторичных закрученных струй;

- указаний на самоорганизацию TLJ в углублениях, сопрягающихся с исходно гладкой поверхностью, условно, острыми кромками;

- объяснений соответствия формы криволинейной поверхности углублений при их обтекании потоками сплошной среды, направлению действия сил, возникающих на криволинейных поверхностях, на втекающую в них массу среды;

- объяснений и оснований выбора расстояний между углублениями, определения их глубины и диаметра.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого способа отсасывания пограничного слоя с контактирующих с вязкой сплошной средой и находящихся с ней в состоянии относительного движения поверхностей, названных Tornado Like Jet Surface (TLJS), с нанесенным на них рельефом углублений, чередующихся с участками исходно гладкой поверхности, является управляемое, за счет порядка размещения углублений, их числа, формы, геометрических размеров и свойств среды, отсасывание, в том числе, равномерное, части пограничного слоя с TLJS и возвращение отсосанной массы с аккумулированным в ней импульсом, в основное течение, провоцирующее в углублениях рельефа TLJS самоорганизацию вторичных смерчеобразных струй, названных Tornado Like Jet (TLJ), при этом, отсасывание начинается непосредственно с вязкого подслоя сплошной среды, прилегающего к поверхности гладких и криволинейных участков TLJS, при одновременном:

- снижении аэрогидродинамических потерь при относительном движении TLJS и сплошной среды;

- уменьшении амплитуды пульсаций скорости в обтекающих TLJS турбулентных потоках;

- уменьшении риска кавитационного разрушения TLJS, работающих в жидкостях;

- самоочистки TLJS от отложения примесей и грязи из обтекающих потоков;

- снижении акустического шума при взаимодействии потока и TLJS;

- интенсификации теплообменных и массообменных процессов на TLJS при гидравлических потерях, отстающих от меры интенсификации, в том числе, в сверхзвуковых потоках газов и в потоках жидкостей, находящихся в критическом или закритическом состоянии.

Технический результат достигается тем, что при использовании предлагаемого способа отсасывания пограничного слоя сплошной среды с обтекаемой поверхности тел и каналов, на их выбранные исходно гладкие поверхности, контактирующие и находящиеся в состоянии относительного движения с газообразными или жидкими средами, или с их смесями, наносят осесимметричные углубления, скатам и вогнутому гладкому дну каждого из которых придают форму вогнутой гладкой поверхности второго порядка, и располагают их на выбранной поверхности, чередуя углубления с исходно гладкими участками, примыкающими к границе криволинейной поверхности каждого углубления, при этом, для превращения такой поверхности в поверхность для отсасывания пограничного слоя сплошной среды:

- определяют интервал относительных скоростей [U_1,∞; U_2,∞] поверхности и среды, реализуемый при практическом использовании выбранной поверхности, где:

U_1,∞ - скорость среды относительно контактирующей поверхности, при достижении которой возникает отсасывание среды;

U_2,∞ - скорость среды относительно контактирующей поверхности, при достижении которой заканчивается отсасывание среды;

- рассчитывают гидроаэродинамические характеристики при практическом использовании выбранной

исходно гладкой поверхности, соответствующие диапазону относительных скоростей [U_1,∞; U_2,∞]

среды и формуемой поверхности в ее исходно гладком состоянии;

- вычисляют среднюю толщину δ_s, на которую, при отсосе объема Q_s,m среды с выбранной поверхности самоорганизующимися в углублениях смерчеобразными квазипотенциальными струями, уменьшится толщина пограничного слоя потока обтекающей среды, при этом, центры симметрии первого ряда углублений, обеспечивающих отсасывание, располагают на расстоянии х_* от точки, встречающей на выбранной поверхности натекающий поток, до зафиксированной расчетом точки перехода на этой поверхности структуры пограничного слоя из ламинарной формы в турбулентную;

- определяют форму криволинейной поверхности углублений, наносимых на выбранную поверхность, их размеры, количество и плотность размещения, соответствующие формированию в каждом углублении вторичных смерчеобразных квазипотенциальных струй, описываемых точными решениями уравнений Навье-Стокса и неразрывности, используя для этого:

• указанные точные решения уравнений в виде пространственных компонент скорости U_r, U_z и U_ϕ, описывающих поле скоростей в смерчеобразных квазипотенциальных струях, подставляют U_r, U_z и U_ϕ в уравнения для линий тока, решают эти уравнения и получают математическое описание проекций их линий тока на продольно радиальную и аксиально радиальную плоскости локальных цилиндрических координат, связанных с центрами симметрии вторичных смерчеобразных квазипотенциальных струй, самоорганизующихся в каждом углублении,

• сшивку уравнений Бернулли определяющих поле давлений в основном потоке, обтекающем углубления и во вторичной смерчеобразной квазипотенциальной струе, самоорганизующейся в каждом углублении, посредством которой, определяют перепад давления между натекающим потоком и вторичной смерчеобразной струей,

• зависимости проекций линий тока от радиуса вторичной струи, используя эту зависимость для математического описания эвольвенты и эволюты криволинейных линий тока этих струй, «сшивают» описывающие их соотношения и получают зависимость радиуса и глубины углублений, нанесенных на поверхность, от скорости натекающего на их рельеф основного течения, и угла поворота потока среды, втекающей в каждое углубление по их криволинейной вогнутой поверхности

- придают каждому наносимому на выбранную поверхность углублению форму двойной выпукло-вогнутой кривизны, наносят на формуемую исходно гладкую поверхность углубления, имеющие вогнутые скаты и дно, форма которых совпадает с математическим описанием эвольвент, соответствующих форме проекций линий тока смерчеобразной квазипотенциальной струи, при этом, сопрягают вогнутую часть углублений с исходно гладкими участками формуемой поверхности криволинейными выпуклыми скатами в виде части поверхности тора, обеспечивая, при обтекании сплошной средой, формирование в каждом углублении мелкодисперсного подвижного пограничного слоя, состоящего из поверхностных вихрей, типа вихрей Гёртлера, причем, учитывают, что в режимах обтекания углублений, определяемых вычисленными по их диаметру d_c числами Рейнольдса

причем в каждом углублении формируют вихревые структуры, оси которых расположены поперек основного, натекающего на углубления течения, а торцы образовавшейся структуры опираются на, условно, левый и, условно, правый вдоль по потоку, скаты углублений, в каждом из которых вихревая структура, имеет скорость и давление, отличающиеся от их распределения в порождающем основном течении, связана с ним условиями «сшивки» на боковой поверхности и посредством мелкодисперсного подвижного пограничного слоя в торцах вихревой структуры, при этом внутренняя, по отношению к натекающему потоку, ее боковая поверхность «сшита» с течением, имеющим направление, противоположное основному потоку, и меньшее значение скорости, а ее внешняя боковая поверхность напрямую «сшита» с натекающим потоком, поэтому векторы скоростей потока при такой «сшивке» разнонаправлены, причем скорость среды на внутренней стороне вихревой структуры меньше скорости среды, «сшитой» с ее внешней боковой поверхностью, что вызывает, как указано выше, действие на вихревую структуру со стороны поверхности углубления силы Магнуса, направленной, как и действие центростремительной силы на вогнутой части углубления, от его поверхности в основной поток, при этом, принимают во внимание, что эти силы, отсутствующие на исходно гладкой поверхности, действуют на среду, втекающую в каждое углубление и на выпуклой, и на вогнутой частях его криволинейной поверхности: на выпуклой тороидальной части действует центростремительная сила, направленная к находящемуся под обтекаемой поверхностью центру кривизны тора, то есть «традиционно» - в направлении от потока к поверхности, а на вогнутой части - центростремительная сила, направленная вместе с силой Магнуса, как указано выше, от поверхности в поток, вытесняя в основное течение массу среды, закрученную в процессе стока в углубление, причем, внутри вихревой структуры давление по сравнению с давлением во внешнем основном потоке понижено, что создает условия для отсоса вихревой структурой части среды из пограничного слоя на одном краю углубления и переноса этой отсосанной массы к другому краю углубления, возвращая ее в основной поток, причем, форма поверхности, мелкодисперсный трехмерный подвижный пограничный слой и силы, указанные выше, провоцируют вслед за приданием основному потоку критической скорости, самоорганизацию из поперечно направленных вихревых структур вторичных смерчеобразных центростремительных квазипотенциальных струй, зависящую от свойств среды и топологических характеристик рельефа углублений, форма которых соответствует точным решениям уравнений Навье-Стокса и неразрывности;

- обеспечивают достижение потоком среды, обтекающим поверхности формованные углублениями критической скорости, при которой в углублениях самоорганизуются, как указано выше, вторичные центростремительные смерчеобразные квазипотенциальные струи, отсасывающие из пограничного слоя, начиная с его вязкого подслоя, массу среды с аккумулированным в ней импульсом кинетической энергии и переносящие эту массу по своему стволу без диссипации импульса и энергии, от поверхности для отсасывания пограничного слоя в основное течение, уменьшая, тем самым, энергетические потери в потоке.

Рассчитывают тепломассообменные характеристики взаимодействия движущихся друг относительно друга сплошной среды и исходно гладкой поверхности, которую превращают в поверхность для отсасывания пограничного слоя сплошной среды.

Техническим результатом использования поверхностей для отсасывания пограничного слоя сплошной среды является:

- снижение аэрогидродинамических потерь при относительном движении поверхности для отсасывания пограничного слоя и сплошной среды;

- уменьшение амплитуды пульсаций скорости в обтекающих поверхности для отсасывания пограничного слоя турбулентных потоках;

- уменьшение риска кавитационного разрушения поверхности для отсасывания пограничного слоя;

- самоочищение поверхности для отсасывания пограничного слоя от отложения примесей и грязи из обтекающих потоков;

- снижение акустического шума при взаимодействии потока и поверхности для отсасывания пограничного слоя;

- интенсификация тепломассообменных процессов на поверхности для отсасывания пограничного слоя при гидравлических потерях, отстающих от меры интенсификации, в том числе, в сверхзвуковых потоках газов и в потоках жидкостей, находящихся в критическом или закритическом состоянии, достигаемая за счет разработок физической модели самоорганизации вторичных смерчеобразных квазипотенциальных закрученных струй, математического описания структуры их поля скорости, определения их линий тока, вычисления формы их эвольвент, разработки рельефа поверхности для отсасывания пограничного слоя, экспериментальных исследований, использования данных визуализации, выбора технологии и инструмента для нанесения углублений рельефа на поверхность.

Технический результат для поверхности достигается тем, что на исходно гладкие поверхности, нанесен рельеф имеющих глубину h_c, радиус R_c и вогнутое гладкое дно углублений, чередующихся с участками исходно гладкой поверхности, причем, углубления сопрягаются с ними либо, условно, острыми кромками, либо выпуклыми гладкими скатами, представляющими собой сопрягающуюся с исходно гладкой поверхностью часть поверхности тора, для которой исходно гладкая поверхность на линии сопряжения является касательной, а на линии сопряжения поверхности тора с вогнутым гладкими скатами и дном углубления обе поверхности имеют общую касательную, при этом, проекция h₀ прямой, соединяющей точки на линиях сопряжения выпуклой поверхности тора с исходно гладкой поверхностью и поверхности тора с поверхностью вогнутых скатов углубления, на ось симметрии углубления, лежащие в одной плоскости с этой осью, определяют форму поверхности сопряжения и, являясь частью глубины углубления h_ƒ,c=h_c+h₀, изменяется в диапазоне

5⋅10^-6≤h₀≤0,15

число углублений изменяется в интервале 1≤i≤n, образуя единый рельеф на отформованной поверхности, названной поверхностью для отсасывания пограничного слоя сплошной среды, причем, углубления расположены на ней с продольным

2,5×10^-4м ≤ d_c≤7,5 м; 5×10^-5м ≤ h_c≤1,5 м,

при относительной глубине рельефа углублений

при этом, поверхность каждого углубления рельефа имеет форму поверхности вращения, образующей линией для которой является эвольвента криволинейных линий тока вторичной струи, роль которой исполняет проекция ее линий тока на аксиально радиальную плоскость, причем, любая точка такой криволинейной гладкой поверхности каждого из углублений является центром кривизны соответствующих точек пространственной эволюты линий тока вторичных смерчеобразных квазипотенциальных струй, описываемых точными решениями уравнений Навье Стокса и неразрывности.

На фиг. 1 представлен пограничный слой течения из сдвигового на исходно гладких участках TLJS в трехмерный вихревой пограничный слой.

На Фиг. 2 изображено углубление с эвольвентной поверхностью, вписанное в сферический сегмент.

На Фиг. 3 изображено построение эвольвент для заданных эволют.

На Фиг. 4 изображено сопряжение углубления с эвольвентой в качестве образующей линии с исходно гладкой поверхностью.

Вследствие изменения рельефа поверхности, контактирующей и находящейся в состоянии относительного движения со средой, как описывается в настоящей заявке, отсосанная из пограничного слоя среда не эвакуируется с поверхности навсегда, как это реализовано при равномерно отсасывании пограничного слоя под обтекаемую либо пористую, либо со щелями поверхности, описанные у Г. Шлихтинга, а возвращается в основное течение. В результате падения энергетической эффективности отсасывания при чрезмерном отсасывании, свойственного упомянутым методам, для рассматриваемого изобретения не наблюдается.

Изобретение может быть осуществлено и использовано для повышения эффективности аэрогидродинамических устройств, агрегатов и установок в различных направлениях поточных технологий, энергетики, в том числе, в теплообменных аппаратах, компрессорах, насосах, градирнях, в компьютерной технике, гидравлических машинах и механизмах, средствах транспорта, медицине, бытовой технике и других областях научно-технической деятельности и инженерной практики. Такое утверждение основано на результатах разработок, испытаний и практического использования TLJS, проведенных нами и коллегами в научных и научно-производственных Центрах разных стран вслед за обнаружением TLJ-phenomenon-а в России.

Для построения поверхности углублений находят выражения для эвольвент заданных линий тока в двух ортогональных проекциях, а затем связывают полученные выражения с помощью общего радиуса, входящего в обе проекции. Для упрощения вычислений эволюты - линии тока и соответствующие им эвольвенты записываются в параметрической форме. При такой записи искомые функции для эвольвенты кривой в продольно-радиальной и аксиально-радиальной проекциях выражаются с помощью гипергеометрических функций.

В результате для трубки тока TLJ 7 с помощью описанных соотношений выполняется построение углубления в виде пространственной фигуры вращения 7 с образующей линией в виде эвольвенты 8 заданной линии тока. При этом использование углублений в форме сферических сегментов 10 не вызывает нарушения механизма отсасывания, провоцируя заполнение остаточного объема вторичными вихрями типа вихрей Гёртлера 3. Однако энергетическая эффективность отсасывания при использовании отличных от описанных в настоящей заявке форм углублений уменьшается.

На исходно гладкие поверхности наносят рельеф имеющих глубину h_c, радиус R_c и вогнутое гладкое дно углублений, чередующихся с участками исходно гладкой поверхности, причем, углубления сопрягаются с ними либо, условно, острыми кромками, либо выпуклыми гладкими скатами 9, представляющими собой сопрягающуюся с исходно гладкой поверхностью часть поверхности тора, для которой исходно гладкая поверхность на линии сопряжения является касательной, а на линии сопряжения поверхности тора с вогнутым гладкими скатами и дном углубления обе поверхности имеют общую касательную, при этом, проекция h₀ прямой, соединяющей точки на линиях сопряжения выпуклой поверхности тора с исходно гладкой поверхностью и поверхности тора с поверхностью вогнутых скатов углубления, на ось симметрии углубления, лежащие в одной плоскости с этой осью, определяют форму поверхности сопряжения и, являясь частью глубины углубления h_ƒ,c=h_c+h₀, изменяется в диапазоне

5⋅10^-6≤h₀≤0,15

число углублений изменяется в интервале 1≤i≤n, образуя единый рельеф на отформованной поверхности, названной поверхностью для отсасывания пограничного слоя сплошной среды, причем, углубления расположены на ней с продольным

2,5×10^-4 м ≤ d_c≤7,5 м; 5×10^-5 м ≤ h_c≤1,5 м,

при относительной глубине рельефа углублений

при этом, поверхность каждого углубления рельефа имеет форму поверхности вращения, образующей линией для которой является эвольвента криволинейных линий тока вторичной струи, роль которой исполняет проекция ее линий тока на аксиально радиальную плоскость, причем, любая точка такой криволинейной гладкой поверхности каждого из углублений является центром кривизны соответствующих точек пространственной эволюты линий тока вторичных смерчеобразных квазипотенциальных струй, описываемых точными решениями уравнений Навье Стокса и неразрывности.

Технический результат предложенного решения достигается только в пределах указанных выше соотношений, что подтверждается проведенными экспериментами.

Для осуществления изобретения во вновь создаваемых или в подлежащих модернизации агрегатах, установках или устройствах:

- выбирают контактирующие с рабочей сплошной средой и находящиеся с ней в состоянии относительного движения поверхности;

- определяют диапазон скоростей [U_1,∞; U_2,∞] рабочей среды, принимаемой за несжимаемую, с плотностью ρ и вязкостью

- определяют условия обтекания несжимаемой сплошной средой выбранных исходно гладких поверхностей, для каждой из которых выбирают систему координат и рассчитывают аэрогидродинамические и тепломассообменные характеристики. В случае выбора прямоугольной (декартовой) системы координат (X,Y,Z), направляют поток несжимаемой среды вдоль оси X так, чтобы ось Y была перпендикулярна плоскости (X,Z), совпадающей с границей поверхности, превращаемой в TLJS, а положительная координата по оси Y определяла расстояние от границы плоскости (X,Z) до любой точки потока; при этом, средняя относительная скорость U_x вдоль оси X: U_x=U, а вдоль осей Y и Z течение отсутствует: U_y=U_z=0. В случае поверхностей, требующих использования других систем координат, применяют аналогичный подход;

- рассчитывают на исходно гладкой поверхности напряжения трения τ₀, достигающие максимума вслед за переходом относительного движения среды и поверхности из режима с ламинарным пограничным слоем в режим с турбулентным пограничным слоем, возникающим на расстояниях х, определяющих числа

- вычисляют по известным соотношениям теории пограничного слоя: его полную толщину δ, толщины пограничных слоев: δ₁ - вытеснения, δ₂ - потери импульса и δ₃ - потери энергии и формпараметры обтекания выбранной поверхности в исходно гладком состоянии;

- оценивают толщину δ_c, на которую следует уменьшить толщину δ пограничного слоя при его отсасывании с помощью TLJ, и объем среды, который следует отсасывать из пограничного слоя в режиме наиболее благоприятного равномерного отсасывания, повышающего функциональную эффективность TLJS;

- определяют расчетом расстояние x от передней кромки поверхности до точки перехода на ней ламинарного пограничного слоя в режим турбулентного течения и, пользуясь теорией Л. Прандтля, вычисляют в этой зоне:

• размеры поверхности, превращаемой в TLJS;

• объем Q_c среды, отсасываемый из пограничного слоя, используя предварительное значение динамической скорости υ₀;

• величину

• толщину пограничного слоя в зоне перехода на ней из ламинарной формы в режим турбулентного течения;

- выбирают поверхность углублений на основании анализа известных криволинейных поверхностей, таких как сферические, параболоидные, гиперболоидные или поверхностей второго порядка иной формы, и учитывают возможность нанесения на нее углублений в виде сегментов указанной выше формы, имеющих либо острые кромки, либо выпуклые гладкие скаты, сопрягающие углубления с участками окружающей исходно гладкой поверхности.

- рассчитывают рельеф углублений, имеющих форму в виде поверхности вращения, образующей которой является эвольвента для эволюты линий тока TLJ, полученных с помощью использования точного решения уравнений (Т);

- при этом учитывают, что:

-TLJ, самоорганизующиеся в углублениях, «питаются» средой 1, отсасываемой из вихревого пограничного слоя на криволинейной поверхности углублений 2 и с поверхности исходно гладких участков вокруг них, изменяя характер движения среды, структуру пограничного слоя и распределение давлений на участках вокруг углублений на TLJS, о чем свидетельствуют ряд характеристик и визуализаций.

- при обтекании выпуклых скатов углубления в нем образуется торец смерчеобразного вихря 3, «оседлавший» обтекатель - образование из вихрей типа вихрей Гёртлера, генерируемых движущейся средой, начиная с границы криволинейных скатов углубления с исходно гладкими участками TLJS. Эти же вихри наполняют ствол вторичной смерчеобразной закрученной струи 4, в которую они попадают в процессе ее формирования. Вниз по потоку, в углублении зафиксированы все те же вихри типа вихрей Гёртлера - «косички» 5, генерируемые натекающим на углубления потоком и возникающим в нем возвратным течением 6.

- расчет объема отсасываемой массы не может быть выполнен точно и является оценкой, так как известно, что толщины слоев над обтекаемой поверхностью не могут быть указаны однозначно. Вязкий подслой не имеет резкой границы и плавно переходит в следующую область течения, в которой вязкие напряжения и напряжения Рейнольдса имеют, как известно, одинаковый порядок величины. И, несмотря на то, что суммарный поток импульса от основного течения к поверхности, отсасываемый и возвращаемый в это течение с помощью TLJ, сохраняется на всех условных границах, практически, без потерь, не удается вычислить гарантированное значение объема отсасываемой массы. Повышение точности требует дополнительных натурных экспериментов, компьютерного симулирования и расчетов;

- нанесение на исходно гладкую поверхность углублений, имеющих поверхность в виде поверхности вращения, образующей которой является эвольвента для эволюты линий тока TLJ, представляющие собой линии тока вторичной закрученной струи, самоорганизующейся в углублениях, требует соблюдения соответствия решениям (Т) для формирования квазипотенциальных закрученных струй. При этом в случае использования углублений в виде сегментов перечисленных выше криволинейных поверхностей второго порядка, необходимо контролировать идентичность кривизны выбранного сегмента кривизне эвольвенты, которая соответствует эволюте линий тока квазипотенциальных TLJ при этом для трубки тока TLJ 7 выполняется построение углубления рельефа-тела вращения с образующей линией-эвольвентой для соответствующей линии тока 8;

- линии тока квазипотенциальных TLJ получены путем решения уравнений для линий тока с использованием соотношений (Т), связанных в каждом углублении с цилиндрическими координатами, центр которых совпадает с центром симметрии углубления.

- изложенные выше механизмы самоорганизации TLJ и зафиксированные в процессе визуализации обтекания поверхности с рельефом углублений вторичные смерчеобразные струи 4 указывают на то, что TLJ «причесываются» и встраиваются в основное течение, причем, продольная ось течения изгибается в двух направлениях 5, одно из которых определяется действием сил Магнуса, а второе - направлением основного потока.

- в случае TLJS с углублениями, форма криволинейной поверхности которых представляет собой поверхность вращения 8, образующей которой является эвольвента для эволюты линий тока TLJ;

- подставляют точные решения (Т) в уравнения для линий тока и вычисляют связанные в каждом углублении с цилиндрическими координатами линии тока TLJ, центр координат которых совпадает с центром симметрии углубления. Разделяя переменные в уравнениях для линий тока, получают их проекции на плоскости: продольно радиальную, в которой лежит ось вторичной вихревой струи, и азимутально радиальную, в которой лежит радиус TLJ;

- используют свойства TLJ, указывающие на то, что транспортируемая по их стволу из углубления в основной поток среда, отсосанная из пограничного слоя, не обменивается массой с основным потоком, что позволяет оценить ее объем, автономно всасываемый из пограничного слоя в углубления и возвращаемый в основной поток, натекающий на TLJS;

- вычисляют толщину слоя среды, втекающей из пограничного слоя в углубления по их границам с участками исходно гладкой поверхности, на основании указанной автономности и полученных проекций линий тока TLJ на продольно радиальную и азимутально радиальную плоскости, связанные с цилиндрическими координатами;

- выбирают глубину h_c и диаметр d_c углублений TLJS, используя эмпирическую зависимость

- устанавливают объем каждого углубления, используя известные геометрические соотношения, рассчитывают количество углублений путем вычисления отношения полного количества Q_c к объему каждого углубления:

- учитывают плотность углублений ƒ на обтекаемой поверхности для приведения в соответствие количества и геометрических размеров углублений с объемом массы среды, отсасываемой из пограничного слоя в режиме наиболее выгодного равномерного отсасывания;

- для TLJS с углублениями с формой поверхности двойной кривизны используют следующую процедуру:

• учитывая автономность истекающих из углублений TLJ и непрерывность отсасывания ими пограничного слоя, составляют баланс между объемом среды, втекающей в углубления, радиусом R_i,0, и объемом струй, истекающих в основной поток по стволу TLJ через сечение, имеющее радиус R_i,j, принимая, при этом, что поток массы среды, втекающей в углубления, имеет толщину δ_s и скорость υ₀, а истекающая струя имеет скорость U_∞, «сшитую» со скоростью основного турбулентного течения:

Это позволяет определить радиус углубления, используя соотношения между радиусом торца TLJ, связанного с поверхностью углубления и вторым торцом этого вторичного вихря, через сечение которого, радиусом R_i,j, отсосанная масса среды истекает из углубления в основной поток:

Для определенности оценки принимаем

где

δ_s - толщина втекающей в углубления массы среды, определяемая с учетом плотности углублений на TLJS на основе соотношений теории отсасывания пограничного слоя Л. Прандтля;

υ₀ - динамическая скорость для выбранных размеров рельефа, определяемая экспериментально, поскольку вокруг углубления поле давлений зависит от скорости потока среды в ядре течения, плотности углублений на TLJS, их глубины и радиуса;

- выполняют проектно-конструкторские работы, предусматривающие проведение расчетов, разработку оснастки для изготовления TLJS и стендов для контроля и подтверждения соответствия качества изготовленных поверхностей с углублениями решениям, принятым в проекте, подготавливают приборы контроля за процессом формования поверхности, превращаемой в TLJS и для фиксации в процессе стендовых испытаний функциональных параметров изготовленных TLJS;

- передают в производство подготовленный проект и приступают к выпуску TLPA.

Изобретение может быть использовано в аэрогидромеханике, энергетике, в медицине, бытовой технике, тепловых агрегатов, в гидравлических машинах, в средствах транспорта и других областях научно-технической деятельности и инженерной практики.

Реферат

Изобретение относится к аэрогидромеханике. Способ отсасывания пограничного слоя и сплошной среды достигается за счет нанесения на обтекаемые поверхности рельефа углублений, скаты и вогнутое гладкое дно которых имеют криволинейные поверхности вращения, образующей линией которых является эвольвента линий тока центростремительных квазипотенциальных смерчеобразных струй, описываемых точными решениями уравнений Навье-Стокса и неразрывности. Поверхность для отсасывания пограничного слоя сплошной среды в каналах тел, транспортирующих сплошную среду, в том числе, подвергающуюся нагреву или охлаждению, относительно которой движется либо газообразная, либо жидкая, либо двухфазная среда, характеризуется тем, что на контактирующие со сплошной средой и находящиеся с ней в состоянии относительного движения ее исходно гладкие поверхности, нанесен рельеф углублений, поверхность вращения которых имеет в качестве образующей линии эвольвенту линий тока вторичных закрученных струй. При этом углубления сопрягаются с исходно гладкой поверхностью либо, условно, острыми кромками, либо выпуклыми гладкими скатами, представляющими собой часть поверхности тора, и имеют на линиях сопряжения общие касательные. Техническим результатом изобретения является снижение аэрогидродинамических потерь при относительном движении поверхности для отсасывания пограничного слоя и сплошной среды. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула

- вычисляют среднюю толщину δ_s, на которую, при отсосе объема Q_s,m среды с выбранной поверхности самоорганизующимися в углублениях смерчеобразными квазипотенциальными струями, уменьшится толщина пограничного слоя потока обтекающей среды, при этом центры симметрии первого ряда углублений, обеспечивающих отсасывание, располагают на расстоянии

от точки, встречающей на выбранной поверхности натекающий поток, до зафиксированной расчетом точки перехода на этой поверхности структуры пограничного слоя из ламинарной формы в турбулентную;

- придают каждому наносимому на выбранную поверхность углублению форму двойной выпукло-вогнутой кривизны, наносят на формуемую исходно гладкую поверхность углубления, имеющие вогнутые скаты и дно, форма которых совпадает с математическим описанием эвольвент, соответствующих форме проекций линий тока смерчеобразной квазипотенциальной струи, при этом сопрягают вогнутую часть углублений с исходно гладкими участками формуемой поверхности криволинейными выпуклыми скатами в виде части поверхности тора, обеспечивая, при обтекании сплошной средой, формирование в каждом углублении мелкодисперсного подвижного пограничного слоя, состоящего из поверхностных вихрей, типа вихрей Гертлера, причем учитывают, что в режимах обтекания углублений, определяемых вычисленными по их диаметру d_c числами Рейнольдса

число углублений изменяется в интервале 1 ≤ i ≤ n, образуя единый рельеф на отформованной поверхности, названной поверхностью для отсасывания пограничного слоя сплошной среды, причем углубления расположены на ней с продольным

и поперечным

шагами, имея на обтекаемой поверхности размер d_c=2R_c, равный максимальному радиусу вторичной самоорганизующейся струи, и глубину h_c, изменяющиеся в диапазонах:

при относительной глубине рельефа углублений

, изменяющейся в диапазоне: