Спосіб керування примежовим шаром аеродинамічного профілю і пристрій для його здійснення

1 Спосіб керування примежовим шаром аеродинамічного профілю, що включає визначення області переходу ламінарного потоку в турбулентний і коректування примежового шару в МІСЦІ переходу введенням у нього збурювань, який відрізняється тим, що на обтічній поверхні попе рек потоку створюють електрично провідні і непровідні області, які чергуються, а збурювання в примежовому шарі регулюють зміною рівня потенціалу ВІДПОВІДНО провідної області 2 Пристрій для керування примежовим шаром аеродинамічного профілю, що містить силовий каркас і встановлене на ньому покриття, підключений до джерела живлення, датчика режиму течи примежового шару і системи керування, який відрізняється тим, що покриття аеродинамічного профілю задане системою з не менш трьох електрично провідних розділених частин, кожна з яких підключена до датчика режиму течи примежового шару і джерела живлення Винаходи відносяться до області авіаційної промисловості, енергетики, машинобудування і можуть бути використані для керування примежовим шаром швидкісного потоку Відомий спосіб для керування межовим шаром аеродинамічного профілю (заявка Великобританії №2147082 В64С 21/00, B64D 45/00, 19 ), що включає визначення області переходу ламінарного потоку в турбулентний і корегування примежового шару в МІСЦІ переходу введенням у нього збурювань У відомому способі режим течи межового шару регулюють за допомогою -а і -р часток, випромінюваних нанесеним на провідну аеродинамічну поверхню шаром, при подачі на нього потенціалу Недоліком цього способу є підвищена небезпека експлуатації, обумовлена наявністю радіоактивного випромінювання Крім того, спосіб відрізняється низькою ефективністю внаслідок обмеженої можливості керування примежовим шаром у широкому діапазоні зміни швидкості обтікання (для великих чисел Рейнольдса), а також низькою якістю керування примежовим шаром по всій довжині профілю Відомий пристрій для керування примежовим шаром аеродинамічного профілю (див заявку Великобританії № 2147082 В64С 21/00, B64D 45/00, 19), що містить силовий каркас і встановлене на ньому покриття, підключений до джерела живлення, датчика режиму течи примежового шару і системи керування У відомому пристрої покриття крила літального апарата виконано з матеріалу, що випромінює а та -р частки Недоліком відомого пристрою с низька ефективність керування примежовим шаром потоку, що набігає унаслідок малого перетину іонізації і густини потоку іонізуючого випромінювання, що не дозволяє ефективно регулювати величину опору потоку і піднімальній силі аеродинамічного профілю Найбільш близьким по технічному результату, що досягається, є спосіб керування примежовим шаром аеродинамічного профілю (пат Російської Федерації № 2002669, В64С 210, 1990 р), що включає визначення області переходу ламінарного потоку в турбулентний і корегування примежового шару в МІСЦІ переходу введенням у нього збурювань Недоліком цього способу є його складність і обмежена можливість керування в широкому діапазоні зміни швидкості обтікання по всій довжині профілю, особливо в його кормовій частині Відомо, що від здатності відновлювати тиск у кормовій о о ю 51009 частині в значній мірі залежать аеродинамічні хараїсгеристики профілів із протяжною зоною ламінарні течи, коли малі зміни числа Рейнольдса чи кута атаки можуть привести до значного зменшення підйомної сили Крім того, імпульсний режим керування, при якому збурювання досить великі, не дозволяє підтримувати ламінарну течію у стаціонарному режимі і забезпечувати високу якість обтічного аеродинамічного профілю, причому внесені збурювання повинні бути досить малими, щоб не допустити виникнення великомасштабної турбулентності Крім того, введення збурювань збільшує втрати на опір потоку в польоті, що зростають пропорційно квадрату збурювання швидкості, що може привести до зниження величини піднімальної сили (пропорційно першого ступеня збурювань) Найбільш близьким по результату, що досягається, є пристрій для керування примежовим шаром аеродинамічного профілю (Пат Російської Федерації №2002669, В64С 21/00, 1990 р), що містить силовий каркас і встановлене на ньому покриття, підключене до джерела живлення, датчика режиму течи в примежовому шарі і системи керування Відомий пристрій являє собою складну оснащену електронікою систему, яка в умовах швидкісного потоку підвищує ймовірність виникнення похибок у визначенні шуканих величин і погіршує надійність Крім того, експлуатація пристрою в імпульсному режимі негативно позначається на ефективності керування примежовим шаром і підтримці необхідних аеродинамічних характеристик В основу винаходів поставлена задача створення способу керування межовим шаром аеродинамічного профілю і пристрою для його здійснення шляхом створення по довжині профілю областей перемінного потенціалу з одержанням нееквіпотенціальної поверхні профілю і регулювання потенціалу на кожній з еквіпотенціальних областей поверхні, розташованих по довжині профілю, ВІДПОВІДНО до ламінарного режиму обтікання, за рахунок чого досягнуте зниження енерговитрат і підвищення ефективності керування аеродинамічними характеристиками обтічного профілю Поставлена задача досягається тим, що в способі керування примежовим шаром аеродинамічного профілю, що включає визначення області переходу ламінарного потоку в турбулентний і корегування примежового шару в МІСЦІ переходу введенням у нього збурювань, ВІДПОВІДНО ДО винаходу, на обтічній поверхні поперек потоку, створюють електрично провідні і непровідні області, які чергуються, а збурювання в межовому шарі регулюють зміною рівня потенціалу, який відповідає провідній області Поставлена задача досягається також тим, що в пристрої для керування примежовим шаром аеродинамічного профілю, що містить силовий каркас і встановлене на ньому покриття, підключене до джерела живлення, датчика режиму течи в примежовому шарі і системі керування, ВІДПОВІДНО до винаходу, покриття аеродинамічного профілю задано системою з не менш ніж трьох провідних електрично розділених частин, кожна з яких під ключена до датчика режиму течи в примежовому шарі і джерела живлення На обтічній поверхні поперек потоку створюють електрично провідні і непровідні області, які чергуються для ефективного керування режимом обтікання в межах непротяжних ділянок по досягненню ламінарної плину примежового шару по всій довжині профілю Збурювання в примежовому шарі регулюють зміною рівня потенціалу, що дозволяє створювати подовжній градієнт потенціалу, що сприяє прискоренню потоку примежового шару уздовж профілю Покриття аеродинамічного профілю задано системою з не менш трьох електрично розділених ділянок для ефективного регулювання потенціалу уздовж профілю, за рахунок чого досягають ламінарної течи потоку Кожна з електричко розділених ділянок підключена до датчика режиму течи в примежовому шарі і джерела живлення, для організації оперативного керування потенціалом профілю На фігурі зображена принципова схема запропонованого пристрою Для доказу правильності обраного підходу регулювання розглянемо процеси в примежовому шарі газового потоку за допомогою макроскопічної змінної - параметра обміну (ПО), що представляє СОбОЮ ВІДНОШеННЯ ВеЛИЧИНИ ГУСТИНИ ПОТОКУ Jopr , підводжуваного до системи, до величини густини хаотичного (теплового) руху носив потоку j T у системі [1, 2] по- — Для кожного типу системи конкретне вираження параметра обміну враховує характеристики потоку носіїв і конкретних умов його проходження Значення параметра обміну характеризує умови перетворення підводжуваного потоку енергії в енергію носіїв Запишемо вираз для густини організованого потоку носив jops і густиниі хаотичного потоку носіїв jx у такому вигляді Jp ~~ opr напр де п - густина носив (молекул) у газовому потоці, VHanp - організована (спрямована) швидкість потоку п де Vx = середня арифметична швидкість молекул, Т - термодинамічна температура газу, М гтіїиі = N - маса молекул газу, A М - молекулярна вага, NA - число Авогадро, k - 1,38-10 2 3 Дж/кг - стала Больцмана Звідки, вираз для параметра обміну в розгля 51009 ля, що передує емісії заряджених часток, напринутому випадку, прийме вигляд клад Е ~ 10 В/м, одержуємо значення сили на 4 V. одиницю поверхні HB Sp ПО Jopi 2 4 2 F = 0,5-10 -н/м =0,5-10 кг/м Jx Можливість виникнення значної електричОцінка спрямованої швидкості VHanp потоку ної сили між поверхнею обтічного профілю і потоповітря, що набігає, при якій значення параметра ком, що обтікає, дозволяє розглядати и як компообміну досягає одиниці (температура потоку Т = нент піднімальної сили використовувати и для 300 К, Vx = 440м/с) дає значення VHanP = 100м/с керування межовим шаром по приведенню в ламіЗначення спрямованої швидкості VHanp потоку нарний режим обтікання поздовжньої електричної повітря, що набігає, відповідному критичному знасили, шляхом формування нееквіпотенційного 5 6 ченню критерію Рейнольдса ReKp = 10 -ь 10 при профілю настанні режиму хаотичної течи, знаходиться в Такий профіль у першому наближенні можна межах одержати шляхом розбиття його на ряд ізольоваV'Hanp = 18,4-184м/с них одна від одної провідних частин і подачі на кожну з них регульованого потенціалу Ламінарне 'напр При цьому Re = обтікання аеродинамічного профілю дозволяє підгримувати його високі аеродинамічні характеристики, а саме мінімальний опір і максимальне знаде І - характерна довжина обтічного тіла, чення піднімальної сили Оцінимо величину різниці р - густина потоку, потенціалів між спряженими поверхнями профілю і V - спрямована швидкість потоку, потоку, що обтікає, для забезпечення ламінарного г| - динамічна в'язкість потоку режиму течи Оскільки ОСНОВНИМ компонентом підЗ П р и в е д е н о ї ПОРІВНЯЛЬНОЇ ОЦІНКИ V anp I V' anp німальної сили є електростатична взаємодія двох можна зробити висновок про зв'язок моменту висполучених поверхонь (профілю і його потоку, що никнення хаотичного режиму течи потоку з досягобтікає,) необхідно підтримувати напруженість ненням значення параметра обміну одиниці При електричного поля між ними, близької до максидосягненні параметром обміну значення більше мально можливої (критичної) Перевищення криодиниці, виникає опір підводжуваного потоку у тичної напруженості поля може привести або до вигляді і стрибка потенціалу ф, що утвориться внавиникнення емісії заряджених часток, що у свою слідок залучення хаотичного потоку носив і їхньої чергу веде до зниження напруженості поля і ВІДПОполяризації в граничній поверхні Потік носив j 9 , ВІДНО сили взаємодії між спряженими заряджениякого не вистачає для компенсації виниклого ми поверхнями, або до виникнення турбулентності стрибка потенціалу ф, забезпечується за рахунок і відриву потоку від поверхні профілю, що також цього потенціалу, наприклад, шляхом емісії зарязнижує величину піднімальної сили і збільшує опір джених часток При напруженості поля між спряженими поверхНеобхідна напруженість електричного поля нями нижче критичної відбувається зниження веемісії заряджених часток у випадку коронного розличини піднімальної сили Таким чином, якщо знаряду складає - 4 - Ю 6 В/м, а при автоемісп електчення критичної напруженості поля Е прийняти рівним 107 В/м, а відстань d між спряженими заряронів ~ 4 109 В/м [3, 4] Зважаючи нате, що середженими поверхнями -10 4 м, то припустиме градня напруженість поля для автоемісп знижується ничне значення різниці потенціалів складе 1000В на кілька порядків при наявності на поверхні, яка Загальну величину струму джерела живлення і імітується шорсткостей і впливу індивідуальних його потужність для керування потенціалом прополів ІОНІВ молекул ф [3] ЩІЛЬНІСТЬ величини зафілю визначимо виходячи з оцінюваної максимаряду а ф на ВІЛЬНІЙ поверхні потоку можна оцінити льної різниці потенціалів між спряженими поверхдопустивши, що всі молекули на поверхні поляринями зовані і кожна з них має заряд поляризації, дорівнює заряду електрона U = 1000 В та максимальної густиниэ поверх2 а» -1,6-10 1 9 Кп = 7,2-Ю3 = 4 5-10 т невого заряду a s = 10 2 Кп/м2 Kn/M При цьому, об'ємна густина заряду pv складе Отримане значення практично збігається з ма,-2 ксимальним значенням густини поверхневого за10 = 100 ряду а ф = 10 2 Кп/м2 у процесі тертя [4] Pv = 10 Таким чином, спряжені (сполучені) поверхні Величину конвекційного струму 4 над поверхобтічного профілю і повітряного потоку можуть нею профілю визначимо як бути зарядженими одна відносно однієї до густин lk=pv-V-s, поверхневих зарядів а ф = 10 2 Кп/м2 При цьому де V - швидкість потоку, силу взаємодії спряжених (сполучених) поверхонь s - площа поперечного перерізу, через яку можна оцінити по формулі протікає струм Приймаючи V = 100м/с, s = 1 0 3 м2, Ik = 100-100-103 = 10А, потужність N джерела живлення складе де Е - напруженість електричного поля в проміжку між поверхнями, N = IU = 1 0 - 1 0 = 1 0 - У т = 1 0 S K B T q - заряд поверхні Пристрій для керування примежовим шаром Для значення напруженості електричного поаеродинамічного профілю включає каркас 1 На H H 3 4 51009 8 каркасі 1 розміщене ізолююче покриття 2, поверх якого встановлена обшивання Верхня поверхня обшивання по довжині обтічного профілю утворена розміщеними від передньої до задньої кромки профілю, електрично провідними ділянками 3, 4, 5, розділеними ізоляторами 6, що виконані врівень з останніми так, що електрично провідні ділянки З, 4, 5 і ізолятори 6 утворять суцільну обтічну поверхню аеродинамічного профілю, на якій електрично провідні ділянки чергуються з непровідними На кожній із провідних ділянок установлені датчики 7 режиму течи межового шару, функцію яких можуть виконувати, наприклад датчики електромагнітного випромінювання, або термоанемометри Датчики 7 режиму течи межового шару з'єднанім мікропроцесором 11 Провідні ділянки профілю 3, 4, 5, через регулюючі пристрої 8 комутованого типу, з'єднані з джерелом живлення 9 і системою керування 10, зв'язаної з мікропроцесором 11 леними на верхній поверхні профілю датчиками 7, зміна режиму течи, у вигляді електричного сигналу передасться мікропроцесору 11 Оброблений мікропроцесором 11, ВІДПОВІДНО до необхідної корекції параметрів відхилень режиму течи від ламінарної, сигнал подасться на систему керування 10, що через регулюючі пристрої 8 комутує джерело живлення 9, з тією з ізольованих ділянок 3, 4, 5 профілі, де зафіксована зміна режиму течи Зміна потенціалу на поверхні кожної з заданих ділянок 3,4,5 ВІДПОВІДНО до показань датчиків 7, дозволяє скорегувати різницю потенціалів між примежовим шаром і обтічною поверхнею, що призводить до відновлення ламінарного режиму течи на розглянутій ДІЛЯНЦІ профілю По досягненню режиму стаціонарного обтікання, визначуваного за показниками датчиків 7, подача потенціалу на провідну ділянку профілю, де було зафіксоване виникнення турбулентності, припиняється Спосіб керування межовим шаром полягає у такому У процесі руху при переході ламінарної течи примежового шару в турбулентну на будь якій з ділянок зміна, 3, 4, 5, що зафіксована, установ Лабораторні експерименти з моделлю профілю підтвердили можливість керування течією примежового шару способом, який пропонується Результати експерименту приведені в таблиці Таблиця Число Ма- Число Рейнольдса, ху, м Re 0,35 6,0-10b 0,35 6,0-10b 0,44 8-10b 0,44 8-10b 0,55 9,6-10b 0,55 9,6-10b де К е = AU3 AU 4 AU 5 Режим обтікання 0 100 100 200 200 400 0 50 50 100 100 200 0 0 0 50 50 100 турбулентний ламінарний турбулентний ламінарний турбулентний ламінарний -число Рейнольдса, _ число Маху; а Д ІІз, АІЦ, Alls - потенціали, подавані ВІДПОВІДНО на 3, 4, 5 ділянки профілю Таким чином, подача регульованого потенціалу на заздалегідь визначені електричні розділені області ВІДПОВІДНО до зміни режиму обтікання, дозволяє створити уздовж профілю розподілений потенціал (нееквіпотенційний профіль), що сприяє прискоренню потоку примежового шару уздовж профілю, створенню позитивного градієнта тиску, тобто запобіганню переходу режиму обтікання з ламінарної течи в турбулентну Крім того, зважаючи на те, що на організацію режиму ламінарного обтікання аеродинамічного профілю ВІДПОВІДНО ДО ВІДОМИХ способів і пристроїв, рівень енерговитрат звичайно складає до ЗО % споживаної двигуном потужності, економія енерговитрат при використанні пропонованих способу і пристрою може скласти 80% зазначених витрат Література 1 Морозов А И , Соловьев Л С Об одном параметре подобия в теории плазменных течений //Докл ДАН СССР 1965 - 1 6 4 - № 1 - С 80-82 2 Гришин С Д , Лесков Л В , Козлов Н П Электрические ракетные двигатели - М Машинотроение, 1975 - 2 7 2 с 3 Поротников А А , Петросов В А , Острецов И Н Прикладные процессы / Физика и применение плазменных ускорителей - Минск Наука и техника, 1974 - С 239-260 4 Т Хорват, И Берта Нейтрализация статического электричества - М Энергоатом издат, 1987 104 с 51009 10 7 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71 б