Спосіб активного керування пограничним шаром на тілах складної геометрії

1. Спосіб активного керування пограничним шаром на тілах складної геометрії, при якому установлюють на тіло складної геометрії систему вихорогенераторів, формують за допомогою встановлених на тіло складної геометрії вихорогенераторів організовану структуру руху середовища в пристінній області набігаючого потоку, а саме у пограничному шарі, а керування характеристиками течії набігаючого потоку здійснюють за допомогою підведення енергії до середовища згаданими вихорогенераторами, який відрізняється тим, що при установці вихорогенераторів на тіло складної геометрії зазначені вихорогенератори встановлюють із можливістю зміни відстані між ними - цілеспрямованої зміни масштабу руху середовища в пограничному шарі залежно від умов обтікання набігаючим потоком згаданого тіла складної геометрії, при формуванні організованої структури руху середовища вибирають властиву течіям вихорову структуру у вигляді системи протилежно U 2 (19) 1 3 45240 4 Поздовжні вихорі можуть бути згенеровані різвища в пограничному шарі на всьому діапазоні ними методами, які передбачають накладення зміни кутів атаки зазначеного тіла впритул до криособливих періодичних уздовж розмаху граничних тичного. умов. Типові механічні генератори вихорів відноВідомий спосіб керування пограничним шасяться до пасивних засобів керування течією, осром, при якому установлюють на тіло складної новним недоліком яких є обмежений діапазон регеометрії систему механічних вихрегенераторів, жимів потоку, де вони працюють. Температурне формують за допомогою встановлених на тіло збудження у вигляді періодичних уздовж розмаху складної геометрії вихрегенераторів організовану граничних умов ∆T(z) навпаки є активним «неінтструктуру руху середовища в пограничному шарі, рузивним» методом, який забезпечує гладкість а керування характеристиками течії набігаючого поверхні з керуванням. Це забезпечує енергізацію потоку здійснюють за допомогою підведення енерпритаманних потоку поздовжніх вихорів з вимушегії до середовища згаданими вихрегенераторами /6/. ним розміром λz уздовж розмаху. Тому необхідно До недоліків відомого способу відноситься те, розробити методи (способи), що будуть спрямоващо при конструктивному виконання механічної ні на покращання характеристик конструксистеми вихрегенераторів, що дозволяє зменшити ції/профілю шляхом використання накладених на опір, за допомогою якої здійснюється реалізація поверхню конструкції/профілю, що обтікається відомого способу, вона може бути розрахована повітряним потоком, періодичних уздовж напрямку тільки на певний режим обтікання (наприклад, хаобтікання температурних збурень заданого масшрактерний для зльоту та посадки літального апатабу, при умові мінімізації енергоспоживання, що, рата). До недоліків відноситься й те, що за допоу свою чергу, дозволить забезпечити покращення могою зазначеного способу неможливо керувати аеродинамічних характеристик конструкінтенсивністю турбуленції тому, що вихори є поції/профілю без порушення її/його геометрії та шостійними за величиною та інтенсивністю. рсткості її/його поверхні. Найбільш близьким технічним рішенням, як по Відомий спосіб керування пограничним шасуті, так і за задачею, що вирішується, яке обрано ром, при якому установлюють вихреутворюючу за найближчий аналог (прототип), є спосіб активпластину на тіло складної геометрії типу несучої ного керування пограничним шаром на тілах склаповерхні, при цьому при установці на тілі складної дної геометрії, при якому установлюють на тіло геометрії вихреутворюючої пластини, здійснюють складної геометрії систему вихрегенераторів, фоїї жорстке закріплення під теоретично розраховармують за допомогою встановлених на тіло складним кутом /3/. ної геометрії вихрегенераторів організовану струкДо недоліків відомого способу відноситься те, туру руху середовища в пристінній області що при данному конструктивному виконанні вихренабігаючого потоку, а саме, у пограничному шарі, генератора не забезпечується можливість ствоа керування характеристиками течії набігаючого рення організованої структури руху середовища в потоку здійснюють за допомогою підведення енерпограничному шарі на всьому діапазоні зміни кутів гії до середовища згаданими вихрегенераторами атаки зазначеного тіла впритул до критичного та /7/. закритичних. До недоліків відомого способу, який обрано за Відомий спосіб збільшення коефіцієнта підйонайближчий аналог (прототип), відноситься те, що мної сили літака, при якому установлюють на крипри розміщенні на тілі складної геометрії (наприло літака систему вихрегенераторів, формують за клад, на профілі несучої поверхні типу крило) сисдопомогою встановлених на крило літака вихрегетеми вихрегенераторів, що виконана у вигляді нераторів організовану структуру руху середовища великої кількості малих за розмірами отворів, погіу пограничному шарі набігаючого потоку /4/. ршуються аеродинамічні характеристики конструДо недоліків відомого способу відноситься те, кції/профілю через шорсткість її/його поверхні, а що при данному конструктивному виконанні вихретакож відбувається порушення геометрії зазначегенератора не забезпечується можливість ствоної/зазначеного конструкції/профілю. До недоліків рення організованої структури руху середовища в відноситься й те, що неможливо керувати інтенсипограничному шарі на всьому діапазоні зміни кутів вністю турбуленції тому, що вихори є постійними атаки зазначеного крила літака впритул до критиза величиною та інтенсивністю залежно від умов чного. обтікання (наприклад, швидкості та кута атаки), Відомий спосіб керування пограничним шатому що система вихрегенераторів розрахована ром, при якому на поверхні конструкції/профілю на певний режим обтікання (наприклад, характеррозміщується додаткова текстура у вигляді ріблений для зльоту та посадки літального апарата). тів, а керування характеристиками течії набігаючоВ основу корисної моделі покладена задача го потоку здійснюють за допомогою зміни ріблетів, шляхом цілеспрямованої зміни структури й масшякі мають іншу структуру поверхні /5/. табу течії в пограничному шарі забезпечити поДо недоліків відомого способу відноситься те, ліпшення інтегральних характеристик тещо при конструктивному виконання механічної чії/обтікання у вигляді зниження опору тертя системи, що дозволяє зменшити опір, за допомота/або підвищення піднімальної сили на аеродигою якої здійснюється реалізація відомого способу, намічних профілях і тілах складної форми. необхідне постійне очищення поверхні ріблетів. Суть корисної моделі в способі активного кеТакож до недоліків відомого способу відноситься й рування пограничним шаром на тілах складної те, що при данному конструктивному виконанні геометрії, при якому установлюють на тіло складвихрегенератора не забезпечується можливість ної геометрії систему вихрегенераторів, формують створення організованої структури руху середо 5 45240 6 за допомогою встановлених на тіло складної геоенергії до середовища забезпечують керування її метрії вихрегенераторів організовану структуру величиною та місцем/секціями введення енергії на руху середовища в пристінній області набігаючого обтічну поверхню зазначеного тіла, а як вихрегепотоку, а саме, у пограничному шарі, а керування нератор використовують або механічну систему характеристиками течії набігаючого потоку здійсгенерування вихрів - статичну або динамічну, або нюють за допомогою підведення енергії до серепристрої для формування заданого розподілу тедовища згаданими вихрегенераторами, полягає в мператури на обтічній поверхні тіла складної геотому, що при установці вихрегенераторів на тіло метрії, що виконані або у вигляді електричних наскладної геометрії, зазначені вихрегенератори грівальних елементів, або у вигляді генераторів встановлюють із можливістю зміни відстані між плазми, яка ініційована мікрохвильовим випроміними - цілеспрямованої зміни масштабу руху сенюванням. редовища в пограничному шарі залежно від умов Таким чином, спосіб активного керування пообтікання набігаючим потоком згаданого тіла граничним шаром на тілах складної геометрії, який складної геометрії, при формуванні організованої заявляється, відповідає критерію корисної моделі структури руху середовища, вибирають властиву «новизна». течіям вихрову структуру у вигляді системи протиСуть способу активного керування пограничлежно обертових пар поздовжніх вихрів. Суть коним шаром на тілах складної геометрії, який заяврисної моделі полягає і в тому, що цілеспрямовану ляється, пояснюється за допомогою ілюстрацій, де зміну масштабу руху середовища в пограничному на Фіг.1 показана блок-схема поетапного виконаншарі корелюють із величинами параметрів основня операцій, за допомогою який здійснюється реаного потоку - швидкістю, кінематичною в'язкістю лізації способу активного керування пограничним середовища, температурою та кривизною поверхні шаром на тілах складної геометрії, який заявлязазначеного тіла складної геометрії, а вибір масшється, на Фіг.2 показана схема вихрегенерації з табу руху середовища в пограничному шарі здійсвикористанням регулярного/заданого розподілу нюють в залежності від поставленої задачі - або температур по поверхні тіла (типу несучого профіінтенсифікації тепломасового обміну, або затягулю), на Фіг.3 показана схема зміни масштабу геневання відриву потоку, або затягування ламінарноруємих поздовжніх вихрів (при електричному натурбулентного переходу. Суть корисної моделі гріванні поверхні тіла), на Фіг.4 показана схема полягає також і в тому, що у процесі підведення вихрегенерації за допомогою пристроїв - локалізовихрегенераторами енергії до середовища забезваних джерел температури. печують керування її величиною та місСпосіб активного керування пограничним шацем/секціями введення енергії на обтічну поверхром на тілах складної геометрії, який заявляється, ню зазначеного тіла, а як вихрегенератор здійснюється таким чином (див. блок-схему на використовують або механічну систему генеруФіг.1 та схеми пояснення етапів/переходів техновання вихрів - статичну або динамічну, або прилогічного процесу, що покладений в основу спосострої для формування заданого розподілу темпебу, які наведено на Фіг.2-4). ратури на обтічній поверхні тіла складної Попередньо установлюють на тіло (позиція 1) геометрії, що виконані або у вигляді електричних складної геометрії (наприклад, на несучу поверхнагрівальних елементів, або у вигляді генераторів ню типу крило/стабілізатор літака, лопать несучого плазми, яка ініційована мікрохвильовим випромігвинта вертольота, гоночний автомобіль, лопатку нюванням. газотурбінного двигуна тощо) систему вихрегенеПорівняльний аналіз технічного рішення, яке раторів (як вихрегенератор використовують або заявляється, із прототипом, показує, що спосіб механічну систему генерування вихрів - статичну активного керування пограничним шаром на тілах або динамічну, або пристрої для формування заскладної геометрії, який заявляється, відрізняєтьданого розподілу температури на обтічній поверхні ся тим, що при установці вихрегенераторів на тіло тіла 1 складної геометрії, що виконані або у вигляскладної геометрії, зазначені вихрегенератори ді електричних нагрівальних елементів 2 (див. встановлюють із можливістю зміни відстані між схему на Фіг.3), що забезпечують резистивне наними - цілеспрямованої зміни масштабу руху сегрівання, або у вигляді генераторів 3 плазми, яка редовища в пограничному шарі залежно від умов ініційована мікрохвильовим випромінюванням обтікання набігаючим потоком згаданого тіла (НВЧ генератор - див. схему на Фіг.4) - при застоскладної геометрії, при формуванні організованої суванні мікрохвильового випромінювання реалізуструктури руху середовища, вибирають властиву ють активний дистанційний спосіб керування течітечіям вихрову структуру у вигляді системи протиєю (потоком - позиція 4) - див. схему на Фіг.4). Так, лежно обертових пар поздовжніх вихрів, при цьому наприклад, у випадку застосування генераторів 3 цілеспрямовану зміну масштабу руху середовища плазми, яка ініційована мікрохвильовим випромів пограничному шарі корелюють із величинами нюванням (НВЧ генератор), плоско-поляризоване параметрів основного потоку - швидкістю, кінемамікрохвильове випромінювання з ТЕМ структурою тичною в'язкістю середовища, температурою та течії впливає зверху на тіло 1 із керованими секцікривизною поверхні зазначеного тіла складної ями. У цьому випадку вектор Е0 електричної склагеометрії, а вибір масштабу руху середовища в дової мікрохвильового випромінювання є колінеапограничному шарі здійснюють в залежності від рним напрямку елементів НВЧ генератора (позиція поставленої задачі - або інтенсифікації теплома3) (див. схему на Фіг.4). При цьому електромагнітні сового обміну, або затягування відриву потоку, або вібратори (що виконані у вигляді генераторів 3 затягування ламінарно-турбулентного переходу, плазми, яка ініційована мікрохвильовим випроміпричому у процесі підведення вихрегенераторами нюванням) являють собою електромагнітно 7 45240 8 незалежну систему, здатну забезпечити високу тілах складної геометрії, який заявляється, керуефективність взаємодії з усім мікрохвильовим пучвання характеристиками течії набігаючого потоку ком, що управляє цією системою. Підтримка необздійснюють за допомогою підведення енергії до хідного регулярного по z розподілу температури середовища вихрегенераторами, при цьому у проповерхні може бути досягнуте за допомогою імпуцесі підведення вихрегенераторами енергії (позильсного джерела електромагнітної енергії (НВЧ ція Е0 - див. Фіг.4) до середовища забезпечують керування її величиною та місцем/секціями ввегенератор) при відповідному виборі тривалості τрul дення енергії Е0 на обтічну поверхню зазначеного і швидкості повторення fрul електромагнітних імпутіла 1 складної геометрії (див., відповідно, схеми льсів (див. схему на Фіг.4). Наприклад, для поверна Фіг.2-4). хні з лінійними керуючими елементами, що оберСуть способу активного керування пограничтаються в площині, перпендикулярній напрямку ним шаром на тілах складної геометрії, який заявпоширення лінійно поляризованого електромагнітляється, а саме, теоретична основа способу підного випромінювання, кут між осями цих елементів тверджена науковими дослідженнями та і вектором Е0 буде гармонічно змінюватися. чисельними експериментами пояснюєтьКонструктивно і технологічно при установці ся/наведена в /8/, /9/, /10/, /11/ та /12/. вихрегенераторів (позиції 2 чи 3) на тіло 1 складПідвищення ефективності застосування споної геометрії, зазначені вихрегенератори встановсобу активного керування пограничним шаром на люють із можливістю зміни відстані між ними (потілах складної геометрії, який заявляється, у порізиція λz - див. схему на Фіг.2) - цілеспрямованої внянні з прототипом, досягається шляхом цілеспзміни масштабу (відповідно, позиції «М1» та «М2») рямованої зміни структури та, основне, масштабу руху середовища в пограничному шарі залежно течії в пограничному шарі, що призводить до повід умов обтікання набігаючим потоком згаданого ліпшення інтегральних характеристик тетіла (позиція 1) складної геометрії (див. схему на чії/обтікання у вигляді зниження опору тертя Фіг.3). та/або підвищення піднімальної сили на аеродиПродовжують процес тим, що при русі тіла 1 намічних профілях і тілах складної форми. Підвискладної геометрії у середовищі (наприклад, у пощення ефективності застосування способу активвітрі чи в воді, або у іншому середовищі типу масного керування пограничним шаром на тілах ло, газ, рідина тощо), формують за допомогою складної геометрії, який заявляється, у порівнянні встановлених на тіло 1 складної геометрії вихрез прототипом, досягається й тим, що при застосугенераторів (нагріваємих елементів - див. схему на ванні пристроїв для формування заданого розпоФіг.2) організовану структуру руху середовища в ділу температури на обтічній поверхні тіла складпристінній області набігаючого потоку (позиція 4), ної геометрії, що виконані або у вигляді а саме, у пограничному шарі, при цьому при форелектричних нагрівальних елементів, або у вигляді муванні організованої структури руху середовища, генераторів плазмових розрядів, і які при своєму вибирають властиву течіям вихрову структуру у розташуванні не змінюють геометрії та шорсткості вигляді системи протилежно обертових пар поздоповерхні профілю чи тіла складної форми, не погівжніх вихрів 5 (див. схему на Фіг.2). Як варіант ршуються аеродинамічні характеристики констругенерацію вихрової структури у вигляді системи кції/профіля. Підвищення ефективності застосупротилежно обертових пар поздовжніх вихрів 5 вання способу активного керування пограничним здійснюють, відповідно, або шляхом зміни парамешаром на тілах складної геометрії, який заявлятрів механічного вихрегенератора, або шляхом ється, у порівнянні з прототипом, досягається й нагрівання (за допомогою нагріваємих елементів тим, що генерацію вихрової структури у вигляді вищезазначених пристроїв (позиції 2 чи 3) - див. системи протилежно обертових пар поздовжніх схему на Фіг.2) поверхні тіла 1 складної геометрії з вихрів здійснюють шляхом нагрівання поверхні утворенням вихрової структури у вигляді системи тіла складної геометрії за допомогою вищезазнапротилежно обертових пар поздовжніх вихрів, що чених пристроїв з утворенням вихрової структури у дозволяє змінити інтенсивність турбуленції без вигляді системи протилежно обертових пар поздозбільшення опору тертя). вжніх вихрів, при цьому забезпечують можливість Водночас при зміни відстані між вихрегенерастворення організованої структури руху середоторами (позиції 2 чи 3) цілеспрямовану зміну масвища в пограничному шарі в діапазоні кутів атаки штабу (наприклад, переход масштабу «М1» в мазазначеного тіла впритул до критичного та закрисштаб «М2») руху середовища в пограничному тичних. шарі корелюють із величинами параметрів основДжерела інформації: ного потоку - швидкістю, кінематичною в'язкістю 1. Юрченко Н.Ф., Пядишюс А.А., Зигмантас середовища, температурою та кривизною R повеГ.П. «Восприимчивость пограничного слоя и интерхні зазначеного тіла 1 складної геометрії. нсификация теплопередачи». ИнженерноПри цьому вибір масштабу (наприклад, масшфизический журнал, М, 1989, том 56, стр.916-924. таб «М1» або масштаб «М2» - див. схему на Фіг.3) 2. Yurchenko N.F., Nikiforovich E.I. «Boundaryруху середовища в пограничному шарі здійснюють layer flows with centrifugal forces». ERCOFTAC Bulв залежності від поставленої задачі - або інтенсиletin, March 1997, v.32. фікації тепломасового обміну, або затягування 3. В.И. Федоров «Конструкция реактивных савідриву потоку, або затягування ламінарномолетов». Военное издательство Министерства турбулентного переходу. обороны Союза ССР. М., 1960, стр.54-58, раздел У процесі виконання вищезазначених перехо«Управление пограничным слоем»., рис.41 (схемы дів/процесів, що у сукупності становлять суть спосдувания и отсоса пограничного слоя) - аналог. собу активного керування пограничним шаром на 9 45240 10 4. В.Ф. Павленко, А.А. Дьяченко, Н.П. Горбу8. Optimization of heat transfer control based on зов и др. «Летательные аппараты и двигатели к a receptivity approach, N. Yurchenko, 1998, Proc. ним». Учебное пособие. Под ред. В.Ф. Павленко. Turbulent Heat Transfer Conference, Manchester, Издательство ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, UK, pp.72-81. М., 1971, стр.54-58, §5. «Способы увеличения ко9. Boundary layer control over an active ribleted эффициента подъемной силы самолета», рис. surface, N. Yurchenko, J. Delfs, 1999, In: Fluid Me1.34 - аналог. chanics and its Applications, eds. G.E. A. Meier and 5. Н.Ф. Краснов, В.А. Кошевой «Управление и P.R. Viswanath, 53, Kluwer Academic Publishers, pp. стабилизация в аэродинамике». Под ред. проф. 217-222. Н.Ф. Краснова, М, издательство «Высшая школа», 10. Power of Beauty: streamwise vortices, N. 1978, стр.407-411, §6.4. «Управление отрывными Yurchenko, 2000, Proc. Science & Art Conference течениями» - аналог. 2000, Kluwer Academic Publishers, Zurich, Switzer6. В.Н. Зайцев, Т.Н. Ночевкин, В.Л. Рудаков, land, pp. 59-64. Ж.С. Черненко «Конструкция и прочность самоле11. Optimization of flow about a turbine blade by тов». Под. ред. проф. В.Н. Зайцева. Мздательство means of turbulence scale control, N. Yurchenko, «Вища школа», Киев, 1974, стр. 216-218, § 2. 2007, 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and «Устройства для улучшения срывных характерисExhibit, Reno, U.S.A., AIAA Paper-2007-0524. тик» - аналог. 12. Control of flow characteristics using localized 7. Н.Ф. Краснов, В.А. Кошевой «Управление и plasma discharges, N. Yurchenko, Yu. Paramonov, P. стабилизация в аэродинамике». Под ред. проф. Vynogradskyy, Pavlovskyy, A. Zhdanov, I.Esakov, Н.Ф. Краснова, М., издательство «Высшая школа», A.Ravaev, 2009, 47th AIAA Aerospace Sciences 1978, стр. 431-432, § 6.4. «Управление отрывными Meeting and Exhibit, Orlando, U.S.A., AIAA Paperтечениями», рис. 6.6.14 - прототип. 2009-1227. 11 Комп’ютерна верстка В. Мацело 45240 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601