Способ и устройство для управления турбулентностью в пограничном слое и в других ограниченных стенками полях потока среды (варианты) - RU2159363C2
Код документа: RU2159363C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для управления турбулентностью в пограничном слое и в других ограниченных стенками полях потока среды.
Известны публикации на данную тему:
1) "Plane Waves and Structures in Turbulent Channel Flow" by L. Sirovich, K. S. Ball, and
L.R.Keefe, Phys. Fluids A2(12), December 1990, p. 2217- 2226.
(2) "Propagating Structures in Wall-Bounded Turbulent Flow", L. Sirovich, K. S. Ball and R.A.Handler, Theort. Comput. Fluid Dynamics (1991), 2: 207-317.
С точки зрения классической механики сред турбулентность воспринимается как хаотичное состояние с возбуждением всех возможных степеней свободы. Такое восприятие подтверждается как непосредственными наблюдениями за крупномасштабными событиями - состоянием атмосферы при изменениях погоды, потоком воды в трубе, так и повседневным опытом, например, при размешивании сливок в кофе или при перемешивании краски.
Турбулентность может быть вредной или полезной: она оказывает нежелательное сопротивление движению автомобилей и самолетов, однако она же осуществляет перемешивание топлива и воздуха в двигателях или быстро распространяет тепло по комнате. Турбулентность оказывает огромное влияние на человеческий опыт, однако, вплоть до недавнего времени, восприятие турбулентности как хаотического состояния мешало проведению научного анализа. С появлением суперкомпьютеров, которые позволяют вести числовые расчеты турбулентного потока, ограниченного стенками и с разработкой современной методики экспериментов, произошли резкие изменения в восприятии турбулентности. То, что раньше рассматривалось как хаотическое состояние, теперь рассматривается как когерентные зоны активности среди очевидного хаоса.
Тщательное изучение стенки или границы турбулентного потока, например потока воздуха над крылом самолета или потока жидкости в трубопроводе, показывает наличие когерентных структур в форме пар вращающихся в противоположные стороны и ориентированных вдоль потока вихрей, расположенных рядом со стенкой, но на внешней кромке и за субслоем. Эти вихри, которые иногда называют прослойкой, показывают значительные изгибы и непостоянство в своей динамической активности. Огромное значение имеет их внезапное искривление или закручивание, приводящее к внезапному выталкиванию медленно движущейся среды от стенки в быстродвижущийся основной поток среды. По оценке такие выталкивания, на которые приходится 80% сопротивления на стенке, происходят в течение приблизительно 20% времени. И вновь, изучение рисунков такого потока показывает, что искривление вихрей принимает во времени стереотипный рисунок когерентности, который типичен для любой турбулентности в пространстве, ограниченном стенками.
Для определения ширины прослоек в первую очередь необходимо признать, что прослойки являются проявлением локальных условий за субслоем потока, смежного со стенкой, и не определяются ни природой стенки, ни полем потока, значительно удаленным от стенки. Локальные условия полностью определяются фрикционным напряжением на стенке s, плотностью среды r и вязкостью среды т. Эти величины определяют размер локальной зоны и, или масштаб длины l*, который обычно называется "единицей стенки" и равен m/(sr)0,5. Диаметр доминирующего вихря обычно составляет от 50 до 100 единиц стенки или от 100 l* до 200 l* на пару.
Термин "доминирующий" в приложении к диаметру вихря означает, что наибольшее количество турбулентной энергии (переменной скорости) остается в формах активности этого размера. Кроме того, имеются другие вихревые формы того же типа, имеющие разные размеры и которые также несут значительное количество турбулентной энергии. Таким образом, основной вклад в сопротивление на стенке вносят нарушения в упорядоченности этих форм вихревого типа, их искривления и, наконец, их относительно резкие выбросы, которые подмешивают медленно текущую среду в среду, текущую с большей скоростью.
Такая картина событий турбулентности в ограниченном стенками пространстве существенно дополняется открытием в регионе турбулентной стенки распространяющихся структур. В источнике [1], приведенном выше, показано, что распространяющиеся структуры являются когерентными рисунками, которые распространяются с постоянной групповой скоростью. В источнике [2] дополнительно подтверждается существование распространяющихся форм. Интересно, что при поисках литературы была обнаружена статья, написанная 20 лет назад, в которой описываются эксперименты, направленные на обнаружение таких распространяющихся форм в турбулентном потоке и определение их функции, но которые не дали однозначно положительных результатов.
Как утверждается в вышеуказанных публикациях, распространяющиеся формы действуют в качестве спусковых механизмов для явлений выбросов, которые вызывают рост явлений, создающих сопротивление в турбулентном потоке в пространстве, ограниченном стенками. Хотя сами распространяющиеся формы несут относительно небольшую энергию, явления выбросов не возникают, если отсутствуют распространяющиеся формы. Кроме того, экспериментально измеренные и рассчитанные временные интервалы явлений выбросов соответствуют временным интервалам распространяющихся форм. К наиболее энергичным и, следовательно, наиболее важным распространяющимся формам относятся те, которые распространяются под углом приблизительно 65o к направлению потока, а те, которые находятся в пределах 50 - 80o, имеют доминантную энергию распространяющихся форм.
Важным фактором также является длина волны "спусковых" форм. Эти волны с длиной, сравнимой с размерами вихря, играют существенную роль в явлениях выбросов.
Наиболее значительные "спусковые" формы имеют поперечную протяженность, сравнимую с длиной волны вихревых форм, несущих энергию. Это явно указывает на существование резонансного механизма, который через спусковые операции облегчает выход вихревых форм. Основные спусковые формы иногда называют длинноволновыми формами. Существенных форм с большей длиной волны не бывает, однако присутствует много форм с меньшей длиной волны.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для модификации и управления турбулентным потоком через модификацию спусковых форм.
Согласно настоящему изобретению предлагается способ управления турбулентностью в пограничном слое или в других полях потока среды в пространстве, ограниченном стенками, при этом поле потока имеет турбулентный участок, расположенный у стенки, отличающийся тем, что имеет систему вихревых пар, которая имеет прослойки, диаметр которых функционально связан с силой потока, и которые проходят в направлении потока, и тем, что имеет распространяющиеся структуры когерентных рисунков, которые распространяются наклонно относительно направления потока и с постоянной групповой скоростью. Способ состоит в том, что в турбулентный регион, расположенный у стенки, локально вводят поле возмущения, амплитуда, длина волны и направление распространения которого таковы, что возмущение тесно взаимодействует с распространяющимися структурами и модифицирует для увеличения или уменьшения взаимодействия этих распространяющихся структур с системой вихревых пар для локального увеличения или уменьшения турбулентности или турбулентного сопротивления в поле потока.
Когда турбулентное сопротивление необходимо уменьшить, способ состоит в установке одного или, факультативно, двух одновременно срабатывающих средств, выдающих возмущение, которое приводит к генерированию пары наклонных волн для усиления вихревых пар так, что вихревые пары становятся организованными. Согласно настоящему изобретению одно из средств может содержать линейную полосу или дельтовидные выступы, расположенные поперек стенки (т.е. поперек направления потока), которые вызывают возмущения в поле потока, которые взаимодействуют с другим возмущением, вызванным вторым средством, которое может быть выполнено в виде одного или более генераторов звуковых частот, которые подают энергию в возмущение, созданное выступами. Альтернативно, вместо единственной линейной полосы можно использовать набор линейных полосок или дельтовидных выступов, расположенных поперек стенки. Возмущения, создаваемые выступами и генераторами звуковых частот, взаимодействуют друг с другом и создают наклонно распространяющиеся структуры, которые усиливают вихревые пары и снижают турбулентность.
При другой альтернативе взаимодействующие возмущения могут создаваться полосой или набором полос дельтовидных нагревательных элементов, внедренных в стенку в поперечном направлении, и зависящая от времени работа этих нагревательных элементов создает комбинированное возмущение в поле потока, которое усиливает вихревые пары и снижает турбулентность.
Кроме того, настоящее изобретение относится к средству для управления турбулентностью в пограничном слое или в других полях потока в пространстве, ограниченном стенкой, описанной выше, включая средство для локального введения в турбулентный регион, расположенный рядом со стенкой, поля возмущения амплитуда, длина волны и направление распространения которого таковы, что возмущение тесно взаимодействует с распространяющимися структурами и модифицирует их так, чтобы увеличить или уменьшить взаимодействие распространяющихся структур с системой вихревых пар, тем самым локально увеличивая или уменьшая турбулентность или турбулентное сопротивление в поле потока. Средство для уменьшения турбулентного сопротивления может содержать средство, описанное выше.
Другой вариант настоящего изобретения относится к установке в стенке или на стенке, определяющей пограничный слой турбулентного региона, линейного или двухмерного набора малоразмерных механических систем. Такие системы при активации вводят в турбулентный регион, расположенный рядом со стенкой, композитное поле возмущения, которое тесно взаимодействует с наклонно распространяющимися структурами, связанными с турбулентностью, и модифицирует их. В результате, взаимодействие распространяющихся и вихревых структур, связанных с турбулентностью, усиливается или ослабляется для локального усиления или ослабления турбулентного сопротивления в поле потока в соответствии с природой поля возмущения и по желанию.
Предпочтительно, малоразмерными механическими системами являются микроэлектромеханические системы (МЭМС). Такие системы можно изготовить для получения подвижных исполнительных механизмов, которые сравнимы по размеру с размером вихревых пар и которые модифицируют поток. Модулируя положение таких исполнительных механизмов в поле потока, можно ввести желаемое возмущение. Альтернативно, МЭМС могут иметь диафрагмы, выполненные с возможностью вибраций для создания необходимых возмущений в поле потока.
Варианты настоящего изобретения описываются со ссылками на примеры, проиллюстрированные на прилагаемых чертежах, где:
фиг. 1 - сечение, иллюстрирующее ограниченный стенками поток
среды, где плоскость сечения лежит поперек направления потока;
фиг. 2 - схематический вид сверху потока среды, показанного на фиг. 1, иллюстрирующий прослойки или вихри, расположенные рядом
со стенкой и имеющие рисунок волнения "в елочку";
фиг. 3 - сечение стенки, иллюстрирующее волнение;
фиг. 4 - модифицированный вариант волнения;
фиг. 5 - сечение поля потока,
ограниченного стенками в плоскости, перпендикулярной направлению поля потока, и иллюстрирующее множество элементов преобразователей, например нагревателей, ультразвуковых генераторов и пр., внедренных
в поверхность стенки;
фиг. 5A - вид в плане поверхности стенки, определяющей границу поля потока, показывающий двухмерный набор преобразователей или малоразмерных механических систем,
например, МЭМС или гидродинамических кристаллов;
фиг. 5B - вид, аналогичный фиг. 5, но показывающий линейный или двухмерный набор малоразмерных механических систем, установленных в стенке или
на стенке, определяющей границу региона турбулентного потока;
фиг. 5C - продольное сечение поля потока, ограниченного стенкой, показывающее датчики турбулентности и малоразмерные механические
системы, приводимые в действие датчиками для устранения или усиления турбулентности;
фиг. 5D - продольное сечение поля потока, ограниченного стенкой, показывающее малоразмерные датчики
скорости, способные измерять среднюю и переменную скорость;
фиг. 5E - схема установки малоразмерных исполнительных механизмов и датчиков в стационарную лопатку вращающейся машины, например
турбины или компрессора;
фиг. 6 - номинальная временная диаграмма, показывающая порядок срабатывания во времени различных преобразователей;
фиг. 7 - вид в плане поля потока среды,
показанного на фиг. 5, показывающий номинальное распределение возмущений, введенных в поток среды в результате разнесенного по времени включения преобразователей в соответствии с диаграммой,
показанной на фиг. 6;
фиг. 8 - вид в плане испытательного участка аэродинамической трубы с ультразвуковым генератором, прикрепленным к одной стороне этого участка;
фиг. 9 - вид сбоку
испытательного участка, иллюстрирующий щель, через которую в турбулентный поток в испытательном участке вводятся звуковые возмущения;
фиг. 10a - вид в плане испытательного участка, подобного
показанному на фиг. 8, но содержащего линейную полоску дельтовидных выступов, расположенных поперек направления потока;
фиг. 10b - вид сбоку испытательного участка по фиг. 10a, иллюстрирующий
щель, через которую в турбулентный поток в испытательном участке вводится звуковое возмущение;
фиг. 11a - вид в плане испытательного участка, подобного показанному на фиг. 10a, но на котором
звуковые генераторы прикреплены с обеих сторон испытательного участка;
фиг. 11b - вид сбоку испытательного участка по фиг. 11a, иллюстрирующий щель, через которую в турбулентный поток в
испытательном участке вводится звуковое возмущение;
фиг. 12a - вид в плане испытательного участка, подобного показанному на фиг. 10a, но содержащего множество линейных полосок дельтовидных
выступов, расположенных поперек направления потока;
фиг. 12b - вид сбоку испытательного участка по фиг. 12a, иллюстрирующий щель, через которую в турбулентный поток в испытательном участке
вводится звуковое возмущение;
фиг. 13a - вид в плане испытательного участка, подобного показанному на фиг. 12a, но на котором звуковые генераторы прикреплены с обеих сторон испытательного
участка;
фиг. 13b - вид сбоку испытательного участка по фиг. 13а, иллюстрирующий щель, через которую в турбулентный поток в испытательном участке вводится звуковое возмущение;
фиг.
14 иллюстрирует размерные детали линейной полоски дельтовидных выступов, применяемых на фиг. 10a, 10b, 11a, 11b, 12a, 12b, 13a и 13b;
фиг. 15a1 - 15a4 - сгенерированные компьютером диаграммы
экспериментов, иллюстрирующие изменения в скорости вдоль потока рядом со стенкой, полученные с помощью испытательных участков, показанных на фиг. 10a и 11a;
фиг. 15b - график сравнения
среднеквадратичной скорости в зависимости от положения для естественного потока, с учетом возмущений, введенных полоской дельтовидных выступов и в который вводятся звуковые волны частотой 86 Гц в
среде, показанной на фиг. 10a;
фиг. 15c - график сравнения средней скорости вдоль потока в зависимости от положения для естественного потока, в который вводятся возмущения полоской
дельтовидных выступов и в который вводятся звуковые волны частотой 52 Гц в среде, показанной на фиг. 10a;
фиг. 16a - вариант линейной полоски дельтовидных выступов, показанных на фиг. 10a, и
показывающий выступы в виде направленных в противоположные стороны аэродинамических профилей, создающих системы вихрей с противоположным направлением вращения;
фиг. 16b - вариант разнесенного
набора линейных полосок дельтовидных выступов, относящихся к типу, показанному на фиг. 12a, и имеющих форму направленных в противоположные стороны аэродинамических профилей, создающих системы вихрей с
противоположным направлением вращения;
фиг. 17a - вид в плане испытательного участка аэродинамической трубы, содержащего линейную полоску дельтовидных выступов, расположенных поперек
направления потока;
фиг. 17b - вид в плане испытательного участка аэродинамической трубы, содержащего множество или набор линейных полосок дельтовидных выступов, расположенных поперек
направления потока;
фиг. 18 - схема, иллюстрирующая примеры "естественных" звуковых генераторов для использования по настоящему изобретению;
фиг. 19a - вид в плане испытательного
участка аэродинамической трубы, содержащего линейную полоску встроенных дельтовидных нагревательных элементов, расположенных поперек направления потока;
фиг. 19b - вид в плане испытательного
участка аэродинамической трубы, содержащего множество или набор линейных полосок встроенных дельтовидных нагревательных элементов, расположенных поперек направления потока.
Недавние исследования, результаты которых не опубликованы, фокусировались на модификации и управлении турбулентным потоком через модификацию спусковых форм. При компьютерном моделировании рассматривался турбулентный поток в канале с фиксированными стенками. При моделировании к селективно выбранным спусковым формам применялись возмущения. В качестве средства возмущения была выбрана рандомизация фаз движения. Это приводит к подавлению длинноволнового движения. В способе рандомизации фаз нет ничего особенного и другие способы введения возмущений дадут сходные результаты. Было обнаружено, что при рандомизации фаз лишь длинноволновых распространяющихся форм скорость потока возрастает более чем на 30%. С этим эффектом связывается указание на то, что можно достичь снижения сопротивления более чем на 40%. Рандомизация иных, не длинноволновых форм не дает эффекта или дает незначительный эффект. С другой стороны, увеличение амплитуды длинноволновых распространяющихся форм существенно усиливает турбулентное перемешивание. Это дает серьезные основания для предположения, что взаимодействие волновых и вихревых форм является фундаментальным для механизма выбросов.
Как показано на чертежах, позицией 10 обозначено ограниченное стенками поле потока, имеющее стенку 12, ограничивающую среду 13, содержащую локальные структуры в форме направленных в противоположные стороны вихрей 14, 16 среды. Оси этих вихрей, или, как их иногда называют, прослоек, расположены в направлении потока, проходящего перпендикулярно плоскости изображения фиг. 1 и показанного стрелкой 17 на фиг. 2. Природа таких вихрей подробно описана в статье (1), фиг. 10, стр. 2223. Короче говоря, эти вращающиеся в противоположные стороны вихри имеют диаметры, являющиеся функцией силы потока, и длину, значительно превышающую их диаметр (более чем 1000 l*). Как показано выше, размер доминантного вихря составляет приблизительно 100 l* до 200 l* на пару.
В полностью развитом турбулентном потоке эти локальные вихревые структуры перемещаются вниз по потоку в регионе, расположенном рядом со стенкой, распадаются, искривляются и, в итоге, "взрываются". Такие "взрывы" вихрей и последующее подмешивание медленно движущейся среды из пограничного слоя в быстро движущийся основной поток и, наоборот, являются результатом взаимодействия между когерентной структурой распространяющихся форм, присутствующих в потоке с когерентными структурами вихрей.
Настоящее изобретение создает и активный и пассивный механизмы управления аспектами запуска волновых распространяющихся форм, которые приводят к "взрывам" вихревых форм в турбулентных потоках, ограниченных стенками. Согласно настоящему изобретению, пассивный механизм управления волновыми распространяющимися формами состоит в наличии изменений конфигурации, таких как канавки, волнообразные выступы и пр. на стенках, ограничивающих турбулентный поток. Например, изменения конфигурации можно получить, действительно нарезая канавки в стенке или нанося на стенки адгезивный слой, содержащий требуемые формы. Когда изменение конфигурации имеет волнообразную форму, амплитуда выступов должна составлять 15-20 стеновых единиц, чтобы охватывать положение возникновения пиковой турбулентности. Длина волны или шаг типичной волнообразной поверхности зависит от цели, которую преследуют при управлении турбулентностью. Ориентация волнообразных выступов, т.е. направление впадин между пиками выступов, должна составлять 15-30o относительно направления потока. То есть, направление "распространения" волнообразных выступов должно составлять 60-75o относительно направления потока.
На фиг. 2 показан вид в плане вихрей 14, 16 и на эти вихри наложены волны, которые распространяются (распространяющиеся формы) в направлении, показанном стрелкой 18, составляющим с направлением потока 17 угол ±Θ. Как показано выше, Θ лежит в пределах 50-80o для волн, несущих доминантную энергию. Для учета возможного двунаправленного угла распространяющихся форм волнообразные выступы предпочтительно имеют конфигурацию "в елочку" 20, как показано на фиг. 2, или полностью решетчатый или "накатанный" рисунок.
Для того, чтобы усилить перемешивание и, например, увеличить перенос тепла (т.е., повысить турбулентность) и, следовательно, стимулировать возникновение выбросов или "взрывов", волнообразные выступы должны иметь строго синусоидальный рисунок, как показано на фиг. 3. Для резонанса со спусковыми формами длина волны p должна предпочтительно составлять 100-300 стеновых единиц, а амплитуда а предпочтительно 15-20 стеновых единиц.
Для уменьшения сопротивления волнообразным выступам следует придать рисунок, который привносит в волны интерференцию фаз способом, аналогичным вышеупомянутому способу рандомизации фаз. Одним способом достижения этого является создание "хаотичной" модуляции рисунка резонансной длиной волны и содержащего подходящую сумму несоразмерных синусоид уменьшающихся длин волны. Образец сечения такого рисунка показан на фиг. 4.
Помимо пассивных механизмов взаимодействия с волновыми распространяющимися формами для управления турбулентностью, настоящее изобретение также предусматривает использование для этой цели активных устройств. Примером активного устройства является вариант 30, показанный на фиг. 5. Как показано на этой фигуре, встроенные в стенку заподлицо преобразователи в форме нагревательных элементов 31, 32 и т.д., приводятся в действие блоком управления 33, выполненным в форме блока управления нагревом. Блок управления 33 обеспечивает импульсное срабатывание нагревательных элементов в определенной временной последовательности для локального нагрева среды с такими же рисунками, что и генерируемые волнообразными выступами на поверхности стенки. Таким образом, локализованный нагрев создает рисунки волн переменной плотности, которые либо подавляют, либо усиливают "взрывную" активность.
Блок управления 33 может включать нагреватели в последовательности, показанной на фиг. 6, обеспечивая пространственное распределение возмущений, как показано на фиг. 7. Волновые формы или рисунки, которые вводят интерференцию фаз в волновые формы, можно создать тепловыми рисунками способом, аналогичным применяемым при использовании вышеописанных волнообразных выступов.
Оба вышеописанных механизма осуществляют управление спусковыми механизмами и пригодны для постоянных условий потока. В обоих случаях создаются фиксированные рисунки как модифицированной поверхностью, так и соответствующим расположением и срабатыванием импульсных нагревательных элементов. Фиксированные рисунки обусловливаются условиями потока, заданными его параметрами (например, числом Рейнольдса).
В других случаях осуществляется управление турбулентностью при переменных условиях потока. Нагревательные элементы можно встраивать в стенку полосами, поперек направления потока. Эти элементы можно включать последовательно во времени для того, чтобы создать наклонную волну под любым углом. При соответствующем включении или подаче импульсов на решетку нагревательных элементов можно создать любой рисунок активности либо подавляя, либо усиливая явление "взрывов". Это позволяет применять подобные посылки к случаям потоков с переменной скоростью (например, с переменным числом Рейнольдса).
С одной стороны рандомизация, а с другой - усиление фаз возмущений, вводимых в поток среды, может быть получена средствами генерирования звуковых волн, установленными на стенке акустическими генераторами или внешними звуковыми генераторами, установленными, как показано на фиг. 5. Усиление фаз спусковых форм, приводящее к усилению перемешивания потока среды, можно осуществлять с помощью рисунка стоячих волн. Асинхронное генерирование звуковых волн, дающее рисунки, описанные выше в связи с волнообразной поверхностью, можно создавать путем соответствующего включения акустических генераторов. Переменную скорость потока можно учитывать путем соответствующего программирования управляющих блоков акустических генераторов.
Тот же эффект рандомизации фаз или усиления спусковых форм может быть достигнут с помощью устанавливаемых на стенке вибраторов, обеспечивающих вибрации стенки с соответствующим рисунком с последующей передачей вибраций в поток. Звуковые или акустические генераторы или вибраторы можно устанавливать как наборы на боковых стенках трубопровода или по окружности трубы или на стенке (стенках) других потоков, ограниченных стенками.
Настоящее изобретение может также быть реализовано в системах ограниченного стенками потока электропроводной среды, например, морской воды. В этом случае возмущения можно вводить переменным магнитным или электромагнитным полем, связанным со стенкой (стенками) или находящимся рядом со стенкой (стенками), чтобы ввести желаемое возмущение или внести изменения в распространяющиеся структуры или формы вышеописанным способом.
Настоящее изобретение применимо, в частности, к каналам, искривленным каналам, трубам, искривленным трубам, компрессорам, насосам и турбинам для уменьшения турбуленции. Настоящее изобретение также применимо к камерам сгорания двигателей внутреннего сгорания и т.п., для улучшения перемешивания и оптимизации условий горения.
Если турбулентный поток электропроводен или обладает слабой проводимостью, как, например, морская вода, можно применять электрические средства для создания описанных выше волновых рисунков. Для создания токов, используемых для локального нагрева или связанных с магнитными полями для формирования локальных сил, можно применять установленные в стенке электроды, расположенные, как показано на фиг. 5. Такие локальные силы могут использоваться для управления соответствующими волновыми рисунками, описанными выше. Наконец, для обнаружения возникновения спусковых распространяющихся волн можно использовать устанавливаемые в стенке датчики напряжений, датчики давления, термопары или любые другие малоразмерные измерительные устройства. Сигналы от таких устройств можно использовать для обратной связи в электрической, акустической или тепловой схеме для селективного усиления или подавления возникающих спусковых распространяющихся форм.
Хотя настоящее изобретение раскрывается в применении к турбулентному потоку в полях, ограниченных стенками, вышеописанные способы и устройства могут использоваться в турбулентных пограничных потоках, например, возникающих рядом с телами, перемещающимися в потоке. Так, настоящее изобретение применимо к телам, перемещающимся в воздухе (автомобилям и самолетам), и телам, перемещающимся в воде (судам), и пр.
Кроме того, вышеописанные способы и устройства по настоящему изобретению могут применяться в системах пограничных потоков, где среда является электропроводной, например, морской водой. В этом случае возмущения можно вводить переменным магнитным или электромагнитным полем, связанным или расположенным рядом с телом, например судном, эксплуатируемым в морской воде, для введения необходимых возмущений или изменений в распространяющиеся структуры или формы.
В практических физических экспериментах наблюдалось существенное (9%) уменьшение турбулентного сопротивления при использовании относительно слабого акустического генератора для введения звуковых возмущений в испытательный участок аэродинамической трубы. На фиг. 8 показано отношение между акустическим резонатором, используемым в эксперименте, и испытательным участком. Как показано на чертеже, испытательный участок аэродинамической трубы имеет высоту около 57 см и ширину 81 см, а его длина составляет приблизительно 380 см. Звуковой генератор был установлен сбоку от испытательного участка под углом приблизительно 65o. Звуковой генератор был выполнен в форме короба-резонатора с конусным участком приблизительно в 22 см длиной и с размерами приблизительно 61х22 см на конце, к которому был прикреплен громкоговоритель и приблизительно 8х61 на стороне, противоположной громкоговорителю. К конусному участку крепился линейный участок длиной приблизительно 42 см по одной стороне и примерно 72 см по противоположной стороне. Свободный конец линейного участка был закрыт для получения щели высотой 1 см и длиной 61 см. Щель совпадала со стенкой испытательного участка.
Измерения проводились с использованием прямой горячей проволоки в двух точках, разнесенных на 30 см рядом со стенкой испытательного участка. Одна из точек совпадала с осью коробки резонатора и располагалась на глубине 190 см в испытательном участке.
В осевой точке толщина турбулентного пограничного потока составляла 48 мм для потока с числом Рейнольдса 7, 7•105 на основании скорости свободного потока. Снижение сопротивления приблизительно на 9% было получено при включенном громкоговорителе, приводимом от усилителя, выдававшего аудиосигнал с частотой 170 Гц, и с фазами, рандомизированными в диапазоне 0-360o при 426 Гц в соответствии с материалами, изложенными в статье "Drag Reduction in Turbulent Channel Flow by Phase Randomization", A.R. Handler, E. Levich and L. Sirovich, Phys. Fluids, ("Уменьшение сопротивления в турбулентном канальном потоке рандомизацией фаз"), которая включена в настоящее описание путем отсылки. Частоты или длины волн, использованные в акустических возмущениях, вводимых в испытательный участок, соответствовали приведенным в настоящем изобретении, а именно 100-300 l*, где l* - стеновая единица.
Кроме того, для введения необходимых возмущений в среду можно использовать различные механические средства. Например, набор выступов, таких как проволока малого диаметра, выступающая в поток, можно возбуждать совместным воздействием потока и упругости проволоки, которая сопротивляется потоку с тем, чтобы ввести в поток необходимое возмущение.
Как показано на фиг. 10a и 10b, в одном из вариантов настоящего изобретения два одновременно работающих средства используются для введения двух различных возмущений, которые в локальной области формируют составное поле возмущения, которое тесно связано с наклонно распространяющимися структурами и модифицирует их так, чтобы увеличить или уменьшить взаимодействие этих распространяющихся структур с системой вихревых пар, тем самым локально увеличивая или уменьшая турбулентное сопротивление в поле потока. В этом варианте устройство 50 содержит первое средство 51, выполненное в форме полосы 52 дельтовидных выступов 53, и второе средство 54, содержащее звуковой генератор 55 в форме коробки резонатора, к свободному концу 58 которой прикреплен громкоговоритель 56. В результате такого расположения возникает возмущение, которое генерирует пару наклонных волн для усиления вихрей с тем, чтобы организовать их для уменьшения турбулентного сопротивления.
В таком варианте, где используются дельтовидные выступы, каждый дельтовидный выступ имеет номинальное основание, перпендикулярное направлению среднего потока, размером приблизительно 4 мм, номинальную длину в направлении потока приблизительно 5 мм и шаг раскрытия приблизительно 5 мм или, грубо, 120 стеновых единиц. В настоящее время исследуются длины в 100, 200 и 400 стеновых единиц. При использовании набора полосок с дельтовидными выступами расстояние вдоль направления потока между соседними полосками составляет приблизительно 2 см, что для данных вариантов составляет приблизительно 600 стеновых единиц. Для других условий потока размеры могут соответственно меняться.
На фиг. 11а и 11b показан другой вариант настоящего изобретения, где для создания возмущения, уменьшающего турбулентное сопротивление, используются два одновременно работающих средства. В этом варианте устройство 50 содержит первое средство 51 в форме полосы 52 дельтовидных выступов 53 и второе средство 54, содержащее звуковые генераторы 55a и 55b. Эти звуковые генераторы производят возмущение, которое взаимодействует с возмущением, созданным выступами для генерирования пары наклонных волн для усиления вихрей так, чтобы они были организованы и уменьшали турбулентное сопротивление. Генераторы 55a и 55b идентичны, поэтому ниже приводится описание лишь одного из них - генератора 55a. Звуковой генератор 55a содержит коробку резонатора, к концу 58 которой прикреплен громкоговоритель 56. Оба этих средства производят возмущение, которое генерирует пару наклонных волн для усиления вихрей так, чтобы вихри были организованы и уменьшали турбулентное сопротивление.
Ниже следует описание другого варианта настоящего изобретения со ссылками на фиг. 12a и 12b, где вновь имеются два одновременно работающих средства для создания возмущений, которые уменьшают турбулентное сопротивление в поле потока. В этом варианте устройство 50 содержит первое средство 51, выполненное в форме набора полосок 52 дельтовидных выступов 53, при этом каждая полоска ориентирована поперек направления потока, а набор располагается на акустическом тракте звукового генератора 55, который образует второе средство 54 этого устройства.
Звуковой генератор 55 в данном случае выполнен в форме коробки резонатора, к свободному концу 58 которой прикреплен громкоговоритель 56 для создания возмущения, которое генерирует пару наклонных волн для усиления вихрей так, чтобы вихри были организованы и уменьшали турбулентное сопротивление.
Еще один вариант настоящего сопротивления показан со ссылками на фиг. 13a и 13b, где также имеются два средства для создания возмущений, которые уменьшают турбулентное сопротивление в поле потока. В этом варианте устройство 50 содержит первое средство 51 в форме набора полосок 52 дельтовидных выступов 53. Второе средство 54 в этом варианте содержит звуковые генераторы 55a и 55b для создания возмущения, которое генерирует пару наклонных волн для усиления вихрей так, чтобы вихри были организованы и уменьшали турбулентное сопротивление. Ниже описывается лишь генератор 55a, поскольку генератор 55b идентичен описываемому. Звуковой генератор 55a содержит коробку резонатора, к свободному концу 58 которой крепится громкоговоритель 56. Оба этих средства работают для создания возмущения, которое генерирует пару наклонных волн за счет взаимодействия с набором полосок дельтовидных выступов для усиления вихрей так, чтобы вихри были организованы и уменьшали турбулентное сопротивление.
В вариантах, описанных со ссылками на фиг. 10a, 10b, фиг. 11a, 11b, фиг. 12a, 12b и фиг. 13a, 13b, полоски дельтовидных выступов укладываются на стенку аэродинамической трубы, где при ее работе возникает турбулентный пограничный поток. Предпочтительные на настоящий момент размеры показаны на фиг. 14, где высота каждого дельтовидного выступа составляет предпочтительно 12-15 стеновых единиц, что в условиях данных вариантов составляет грубо 0,5 мм.
В этих вариантах звуковые волны, излучаемые с одной или с обеих сторон аэродинамической трубы, взаимодействуют с возвышающимися дельтовидными выступами и производят волны, которые наклонны к направлению потока, а фронты волн параллельны гребням дельтовидных выступов. Между волнами под двумя наклонными углами и вихревой формой возникает нелинейное взаимодействие. Такое взаимодействие приводит к усилению вихревых структур, относящихся к типам, показанным на фиг. 15a, 15b и 15c.
Было обнаружено, что наиболее эффективными полученными на данный момент вихревыми структурами являются структуры, полученные при частоте звуковых генераторов от 60 до 90 Гц в условиях эксперимента. Применение наборов полосок дельтовидных выступов, описанных в связи с фиг. 12a, 12b, 13a и 13b, позволяет полученным вихревым структурам усиливаться и сохраняться вместо того, чтобы иметь короткий срок существования, как при использовании единственной полоски дельтовидных выступов, описанной в связи с фиг. 10a, 10b, 11a и 11b. При использовании наборов полоски дельтовидных выступов располагаются в конфигурации с фиксированной фазой, т.е., номинально на расстоянии приблизительно 500 стеновых единиц между каждой полоской, как показано на фиг. 12a и 13a.
При таких расположениях объединенное воздействие форм, генерируемых звуковыми волнами и полоской или полосками дельтовидных выступов, дает возмущение, длина волны которого определяется характерными масштабами первого средства и частотой акустических волн, создаваемых вторым средством. Результатом введения возмущения в турбулентный пограничный слой является появление относительно стабильных рисунков вихрей.
Экспериментальное свидетельство изложенного приведено на фиг. 15a1- 15a4, где горизонтальная ось каждого изображения проходит поперек направления испытательных участков, показанных на фиг. 10a-11b, т.е., перпендикулярно направлению потока, а вертикальная ось представляет расстояние от нижней стенки испытательного участка. Таким образом, каждое изображение представляет изменение скорости потока рядом со стенкой испытательного участка в сечении, перпендикулярном потоку. Уровень серого цвета на изображении пропорционален скорости, при этом черный цвет представляет нулевую скорость.
Как показано на фиг. 15a1 - 15a4, введение возмущения, создаваемого звуковым воздействием в сочетании с полоской дельтовидных выступов, приводит к увеличению в структуре вихрей по сравнению с отсутствием звукового воздействия.
Необходимо выбрать соответствующие параметры обоих возмущений с тем, чтобы общее возмущение поля скорости давало пары наклонных волн, вступающих в резонансное взаимодействие с естественной вихревой структурой для того, чтобы помешать взаимодействию между вихрями и распространяющимися структурами, присущему им в естественном потоке. Такое резонансное взаимодействие обычно увеличивает стабильность вихревых структур и может осуществляться так, чтобы наводить увеличение их поперечного размера, снижая тем самым турбулентное сопротивление. Это происходит потому, что усиленные вихревые структуры образуют слой вихревых структур вдоль физической границы тела, т.е. там, где обычно присутствует турбулентный пограничный слой. Этот слой препятствует распространению турбуленции и деградации движения на мелкомасштабные перемещения и, следовательно, обеспечивает более высокие скорости в остальной части этого пограничного слоя. Имеются и другие средства для ввода возмущений в поле скорости потока, которые генерируют общее возмущение в форме пары наклонных волн в резонанс.
В вышеописанных вариантах при использовании единственной полоски в сочетании со звуковыми генераторами полоску можно размещать выше по потоку, ниже по потоку или напротив звуковых генераторов.
В другом варианте можно использовать единственную полоску или набор полосок дельтовидных выступов без звуковых генераторов, как показано на фиг. 17. Такой вариант менее эффективен, чем использующий звуковую энергию, но в определенных обстоятельствах может быть адекватен.
В еще одном варианте, показанном на фиг. 16a, вместо полоски дельтовидных выступов можно использовать полоску с обращенными в противоположные стороны аэродинамическими профилями. Каждая пара таких выступов, имеющих аэродинамический профиль, создает пару направленных в противоположные стороны вихрей, которые возникают в результате концевых вихрей, стекающих с аэродинамических профилей. Для того, чтобы создавать в потоке пары вихрей эти пары аэродинамических профилей идеально должны располагаться на расстоянии примерно 100-200 стеновых единиц. Точно так же, как устройство по фиг. 11 было расширено до устройства по фиг. 12, можно создать набор пар аэродинамических профилей, как показано на фиг. 16b. Ряды пар аэродинамических профилей нужно размещать на расстоянии примерно 500 стеновых единиц друг от друга. Устройство, показанное на фиг. 16a и 16b, использует только пассивные индукторы без применения звуковых генераторов.
Как было указано, предпочтительное расстояние между смежными аэродинамическими профилями в полоске - приблизительно 100 - 200 стеновых единиц, а расстояние между последовательными полосками набора - приблизительно 500 стеновых единиц.
Хотя на фиг. 16a и 16b показаны и описаны пары аэродинамических профилей, можно использовать и выступы других форм, при условии, что они создают пары направленных в противоположные стороны вихрей. Кроме того, дельтовидные выступы имеют номинальный угол 45o или угол в пределах 45 - 70o .
В проведенных экспериментах пассивные полоски с дельтовидными выступами, примененные на стенке канала в соответствии с описанными выше принципами, привели к увеличению сопротивления на 45% в полностью развившемся турбулентном потоке. Такое экспериментальное увеличение сопротивления не связано с увеличением площади поверхности стенки, вызванным использованием полосок дельтовидных выступов, поскольку в эксперименте такое увеличение площади поверхности составило лишь 2%. Исходя из основополагающих принципов можно ожидать, что применение наборов дельтовидных выступов приведет к сходному увеличению турбулентного теплопереноса и турбулентного перемешивания, если это потребуется.
В ранее описанных вариантах, где полоски дельтовидных выступов использовались как единственное средства введения возмущений, такие полоски предназначены для взаимодействия с естественными и усиленными парами вихрей и с распространяющимися структурами для того, чтобы облегчить распад (разложение) вихревых пар, что приводит к увеличению турбулентного сопротивления и соответствующего турбулентного теплопереноса и перемешивания.
В еще одном варианте настоящего изобретения можно использовать полоски или наборы полосок встроенных дельтовидных нагревательных элементов, как показано на фиг. 19a и 19b. Включение этих нагревательных элементов в определенной временной последовательности также приведет к усилению вихревых структур.
Поле возмущения, тесно связанное с наклонно распространяющимися структурами в турбулентном регионе у стенки в пограничном слое или в другом ограниченном стенками регионе и модифицирующее такие структуры, можно вводить в поле потока малоразмерной механической системой, способной совершать управляемые механические движения, в результате которых в поток, проходящий в регионе стенки, вводятся возмущения. В этом случае в стенку или на стенку, определяющую границу турбулентного региона, можно установить линейный или двухмерных набор малоразмерных механических систем. Такие системы при их включении вводят в турбулентный регион составное поле возмущения, которое тесно связано с наклонно распространяющимися структурами, присущими турбулентности, и модифицирует их. В результате взаимодействие распространяющихся структур усиливается или ослабляется для локального усиления или ослабления турбулентности в поле потока в соответствии с природой поля возмущения.
Предпочтительно, малоразмерные механические системы представляют собой микроэлектромеханические системы (МЭМС) или, как их иногда называют, гидродинамические кристаллы. МЭМС представляют собой интегрированные микроустройства или системы, объединяющие электрические и механические компоненты, изготовленные по технологии, совместимой с технологией пакетного производства интегральных схем и имеющие размеры от микрометров до миллиметров. Такие системы могут быть датчиками, управляющими устройствами и приводами в микромасштабе и функционировать индивидуально или в наборах для получения эффекта в макромасштабе. Микрообработка поверхности, применяемая для изготовления МЭМС, образует на кремниевой подложке подвижные структуры, например, помещая такие структуры на изначально жесткую платформу и затем удаляя платформы обычно процессом травления.
Датчики МЭМС представляют собой устройства, которые пассивно преобразуют физические аспекты окружающего мира в целом в электрические реакции. Приводы МЭМС способны выполнять механические движения, используя электрический или магнитный ввод для генерирования активности.
МЭМС можно использовать в качестве подвижных мешалок или рычагов, которые сравнимы по размеру с вихревыми парами и которые выступают в поток. Модулируя положение этих рычагов, в поле потока можно вводить требуемые возмущения. Альтернативно, МЭМС могут иметь диафрагмы или мембраны, которые могут вибрировать для введения в поле потока необходимых возмущений. Для введения в поле потока необходимых возмущений можно использовать и другие типы кристаллов на базе кремния, которые способны совершать управляемые механические движения. Примеры МЭМС показаны в патенте США N 5069419 и в текущей технической литературе по данной теме.
Преимущество использования МЭМС в качестве преобразователей заключается в способности таких преобразователей генерировать и передавать в поток необходимые возмущения в широком диапазоне. В частности, рисунок возмущения может имитировать рандомизацию фаз распространяющихся структур (форм), упомянутых выше в связи с численными экспериментами. И вновь этот рисунок не является единственно возможным рисунком возмущения распространяющихся структур.
К другим примерам малоразмерных механических систем, пригодных для настоящего изобретения, относятся малоразмерные термомеханические системы и малоразмерные механоакустические системы. Когда МЭМС устанавливаются как приводы, подвижные участки приводов могут работать как выступы, описанные выше, или как приводы, которые передают движение выступам, показанным, например, на фиг. 16a и 16b.
На фиг. 5c показано сечение поля потока, ограниченного стенками, где МЭМС-датчики 100A (вверху по потоку) и 100b (внизу по потоку) определяют изменения турбулентности поля потока и выдают сигналы, которые приводят в действие центрально расположенный набор приводов 101, которые создают составное поле возмущения, которое сильно связано с наклонно распространяющимися и вихревыми структурами, присутствующими в турбулентном потоке, и модифицирует их. В результате взаимодействие распространяющихся структур, присутствующих в турбулентном потоке, усиливается или ослабляется для локального увеличения или уменьшения турбулентности в соответствии с природой поля возмущения.
На фиг. 5D показан МЭМС-датчик скорости, который измеряет скорость потока. Измерения могут проводиться так, чтобы рассчитывать среднюю скорость потока рядом со стенкой, а также переменные скорости в пограничном слое.
В настоящее время считается, что средства для создания возмущений могли бы использоваться в сочетании с потоком для снижения турбулентного сопротивления или для увеличения турбулентного теплопереноса или перемешивания, например для позиционирования устройств на стенках трубопроводов, аэродинамических профилей или судов и пр. Кроме того, МЭМС-датчики и МЭМС-приводы или, как их иногда называют, гидродинамические кристаллы могут использоваться как показано на фиг. 5Е для изменения и управления степенью блокировки вращающихся машин, таких как компрессоры или турбины, включая газовые турбины. Кроме того, такие устройства можно использовать для управления турбулентностью в таких машинах.
Несмотря на то, что в вышеприведенных вариантах в качестве источника звуковой энергии указаны громкоговорители, следует понимать, что можно использовать естественные источники звуковой энергии. Например, звуковую энергию можно генерировать с помощью эоловых нот или пустотных резонаторов. Эоловы тона можно получить при потоке среды через ленты или нити, как показано на фиг. 18, или когда поток течет мимо, например, глухой полости.
Из вышеприведенного описания предпочтительных вариантов очевидны преимущества и улучшенные результаты, полученные с помощью настоящего изобретения, в которое могут быть внесены различные изменения, не выходящие за рамки объема, определяемого прилагаемой формулой изобретения.
Реферат
Изобретение относится к управлению турбулентностью в пограничном слое или в других ограниченных стенками полях потока среды, имеющих расположенный рядом со стенкой турбулентный регион. В последнем создают систему вихревых пар, которая простирается в направлении потока с наклонно распространяющимися структурами, взаимодействующими с вихревыми парами, путем введения в этот регион двух отдельных возмущений, которые создают в локальном участке составное поле возмущения, которое сильно связано с наклонно распространяющимися структурами и модифицирует их так, чтобы усилить или ослабить взаимодействие распространяющихся структур с системой вихревых пар, тем самым локально увеличивая или ослабляя турбулентность в поле потока. Одно из возмущений может возникать в результате взаимодействия среды с линейной полоской или набором полосок дельтовидных выступов, расположенных поперек направления потока, а второе возмущение может возникать в результате ввода звуковой энергии в локальный участок. Кроме того, для создания вихревых пар, направленных в противоположные стороны, для управления турбулентностью в пограничном слое, может использоваться линейная полоска или набор полосок выступов, имеющих аэродинамические профили. Техническим результатом изобретения являются модификация и управление турбулентным потоком через модификацию спусковых форм. 3 с. и 8 з.п. ф-лы, 19 ил.
