Пристрій для виявлення хвиль і завихреності

Реферат: Пристрій для виявлення хвиль і завихреності містить плоску шестигранну пластину, по боках якої встановлені вздовж потоку плоскі прямокутні вертикальні стійки, в яких вгорі вмонтовані в круглих отворах перетворювачі так, щоб через їх центри проходила трансверсальна вісь симетрії, причому один перетворювач випромінює, а інший перетворювач приймає звуковий сигнал. Пристрій додатково містить у носовій частині плоску жорстку і еластичну пластини, які встановлені між собою урівень і в одній площині так, що на місці їх стикування вздовж довжини пластин проходить поздовжня вісь симетрії пристрою, а до заднього краю пластин відносно напрямку потоку примикає урівень і в одній площині корпус, ширина якого дорівнює сумарній ширині пластин. А зверху на корпусі по краях встановлено два вертикальних обтічних порожнистих профілі, які з зовнішнього краю корпусу мають криволінійну поверхню з подвійною кривизною, а з внутрішнього краю плоску прозору поверхню так, що профілі виглядають як кінцева частина крила, яке лише частково кінцівкою виступає за межі примежового шару. Внутрішній об'єм корпусу і вертикальних профілів герметичний. Усередині корпусу горизонтально і паралельно в трансверсальному напрямку закріплено дві рами, на нижній поверхні яких встановлені співвісно лазер і фотоприймач; на правій боковій вертикальній стороні однієї рами внизу встановлена призма повного відображення, а на лівій боковій вертикальній стороні рами внизу встановлена поворотна призма. На бічних поверхнях рами вгорі закріплені горизонтальні основні майданчики, що паралельні нижньої поверхні рами; на правому майданчику в поздовжньому напрямку відносно потоку в одній площині один за одним встановлено розщеплювач оптичного променя, а за ним поворотна призма таким чином, що вони відстоять один від одного на однаковій відстані від оптичної осі лінз, що фокусують і вертикально закріплені на допоміжних горизонтальних майданчиках, які прикріплені знизу до кінців основних майданчиків. На лівому основному майданчику встановлена поворотна призма; всі горизонтальні майданчики забезпечені горизонтальними мікрокоординатниками, що переміщують в горизонтальному напрямку за допомогою мікрокрокових двигунів; лазер, фотоприймач, а також відповідні оптичні системи встановлені на другій рамі в трансверсальному напрямку в зворотному порядку. UA 104525 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИЯВЛЕННЯ ХВИЛЬ І ЗАВИХРЕНОСТІ UA 104525 U UA 104525 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області гідрофізичних вимірювань і може бути використаний для дослідження динаміки гідрофізичних процесів в натурних умовах. Для виявлення гідрофізичних характеристик застосовуються гідроакустичні (пасивні і активні), магнітометричні, радіометричні, радіолокаційні, оптичні засоби, при цьому засоби мають обмеження. Зокрема дальність виявлення гідрофізичних характеристик змінюється в залежності від багатьох факторів водного середовища. В багатьох випадках підставу для визначення гідрофізичних характеристик полягає в тому, що визначають параметри водного середовища, порівнюють їх із природними фоновими значеннями і за відхилянням параметрів від фонових значень судять про величину вимірюваних гідрофізичних параметрів. Відомий вимірювач параметрів внутрішніх хвиль в морському середовищі [1], що містить кінематично пов'язані буй нейтральної плавучості і поплавок нейтральної плавучості, на яких навпроти один одного жорстко закріплені випромінювач і приймач акустичних імпульсів з блоком живлення, а також послідовно з'єднані з виходом приймача акустичних імпульсів перетворювальну та обробну апаратуру, розташовану всередині буя нейтральної плавучості, що відрізняється тим, що приймач акустичних імпульсів виконаний у вигляді двох волоконних котушок, розташованих в морському середовищі на відомій відстані один від одного і оптично пов'язаних в інтерферометр з джерелом когерентного світла і фотоприймачем, при цьому одна з волоконних котушок забезпечена фазозсувним пристроєм, причому приймач акустичних імпульсів закріплений на буї нейтральної плавучості, а випромінювач - на поплавці нейтральної плавучості, з розташованим всередині його блоком живлення випромінювача. Недоліком цього пристрою є його нерухомість в просторі, а для вимірювань на контрольній площі замірів потрібна певна кількість пристроїв, що призводить до збільшення експлуатаційних витрат і вартості вимірювань. Найбільш близьким по технічній суті "Пристрій для виявлення хвиль і завихреності", що заявляється, є прийнятий за прототип патент на винахід [2], призначений для отримання інформації про відносну швидкість між об'єктом і потоком, про середню температуру, тиск та/або щільності потоку, і таким чином, масу потоку. Пристрій містить плоску опорну плиту, яка має чотири отвори для закріплення на корпусі рухомого тіла. На опорній плиті закріплена уздовж її поздовжньої осі симетрії коротка вертикальна поздовжня обтічна стійка, зверху якої встановлено шестигранна плоска підстава, паралельна опорній плиті, а по її боках встановлені вздовж потоку плоскі прямокутні вертикальні стійки, в яких вгорі вмонтовані в круглих отворах перетворювачі так, щоб через їх центри проходила їх трансверсальна вісь симетрії, причому один перетворювач випромінює, а інший перетворювач приймає звуковий сигнал. У носовій частині підстави уздовж поздовжньої осі симетрії встановлений вертикальний циліндр, який має висоту, що перевищує висоту розташованих з боків від підстави стійок для розміщення перетворювачів. Поперечний переріз цього циліндра може бути круглим або іншим. Цей циліндр призначений для формування доріжки Кармана і модулювання цією доріжкою випромінюваного звукового сигналу. Недоліком прототипу є складність конструкції в окремих місцях сполучення деталей апарата, окрім того, виступаючі деталі пристрою збільшують гідродинамічний опір, особливо центральний циліндр, що призначений для генерування доріжки Кармана. При косому обтіканні пристрою, з поверхонь і кінцівок вертикальних пластин будуть зриватися вихорі, а з центрального вертикального циліндра доріжка Кармана буде рухатися не вздовж площини поздовжньої симетрії пристрою, а ближче до однієї з вертикальних пластин. Це призведе до похибок вимірювання, а також до генерування на пристрою звукових коливань, що також зменшить точність вимірів. В основу корисної моделі поставлена задача розробки ефективної принципово нової конструкції пристрою для виявлення хвиль і завихреності з метою суттєвого підвищення точності вимірювання, а також проведення замірів в необмеженому просторі. Поставлена задача вирішується, тим що пристрій для виявлення хвиль і завихреності містить плоску шестигранну пластину, по боках якої встановлені вздовж потоку плоскі прямокутні вертикальні стійки, в яких вгорі вмонтовані в круглих отворах перетворювачі так, щоб через їх центри проходила трансверсальна вісь симетрії, причому один перетворювач випромінює, а інший перетворювач приймає звуковий сигнал. Пристрій додатково містить у носовій частині плоску жорстку і еластичну пластину, які встановлені між собою урівень і в одній площині так, що на місці їх стикування вздовж довжини пластин проходить поздовжня вісь симетрії пристрою, а до заднього краю пластин відносно напрямку потоку примикає урівень і в одній площині корпус, ширина якого дорівнює сумарній ширині пластин. А зверху на корпусі по краях встановлено два вертикальних обтічних порожнистих профілі, які з зовнішнього краю корпусу мають криволінійну поверхню з подвійною кривизною, а з внутрішнього краю плоску 1 UA 104525 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 прозору поверхню так, що профілі виглядають як кінцева частина крила, яке лише частково кінцівкою виступає за межі примежового шару. Внутрішній об'єм корпусу і вертикальних профілів герметичний. Усередині корпусу горизонтально і паралельно в трансверсальному напрямку закріплено дві рами, на нижній поверхні яких встановлені співвісно лазер і фотоприймач; на правій боковій вертикальній стороні однієї рами внизу встановлена призма повного відображення, а на лівій боковій вертикальній стороні рами внизу встановлена поворотна призма. На бічних поверхнях рами вгорі закріплені горизонтальні основні майданчики, що паралельні нижній поверхні рами; на правому майданчику в поздовжньому напрямку відносно потоку в одній площини один за одним встановлено розщеплювач оптичного променя, а за ним поворотна призма таким чином, що вони відстоять один від одного на однаковій відстані від оптичної осі лінз, що фокусують і вертикально закріплені на допоміжних горизонтальних майданчиках, які прикріплені знизу до кінців основних майданчиків. На лівому основному майданчику встановлена поворотна призма; всі горизонтальні майданчики забезпечені горизонтальними мікрокоординатниками, що переміщують в горизонтальному напрямку за допомогою мікрокрокових двигунів; лазер, фотоприймач, а також відповідні оптичні системи встановлені на другій рамі в трансверсальному напрямку в зворотному порядку. Суть корисної моделі пояснюють креслення. Фіг. 1 представляє вид зверху запропонованого пристрою для виявлення хвиль і завихреності. Фіг. 2 представляє поперечний переріз А - А по фіг. 1. Фіг. 3 представляє поперечний переріз Б - Б по фіг. 2. Фіг. 4 представляє схему носової частини тіла обертання або підводного профілю крила, в якій розміщують запропоновані пристрої для виявлення хвиль і завихреності по фіг. 1. На фіг. 1 наведено вид зверху пристрою для виявлення хвиль і завихреності 1, який складається з плоских жорсткою 2 і еластичною 3 пластин, а також вертикальних обтічних профілів 4, встановлених на корпусі 5. На фіг. 2 наведено поперечний переріз А-А по фіг. 1 запропонованого пристрою для виявлення хвиль і завихреності 1, який складається з пластин 2, 3 (на фіг. 2 не показана), за якими змонтовано корпус 5, на якому зверху по краях встановлено два вертикальних обтічних профілі 4, внутрішня бокова поверхня яких виконана плоскою і прозорою, до якої зсередини примикають дві оптичні лінзи 6, 7, а всередині корпусу розміщені два координатники 8 з електроприводом, два фотоприймачі 9 і лазера 10. На фіг. 3 показано поперечний переріз Б-Б по фіг. 2 конструкції запропонованого пристрою для виявлення хвиль і завихреності 1, на корпусі 5 якого по краях встановлені розташування оптичних лінз, таким чином профілі 4 виглядають як кінцева частина крила, яка лише частково кінцівкою виступає за межі примежового шару, що практично не впливає на гідродинамічний опір. Внутрішній простір корпусу 5 і приєднаних до нього вертикальних профілів 4 герметичне (фіг. 3). Усередині корпусу 5 горизонтально і паралельно в трансверсальному напрямку встановлено дві оптичні системи лазерів, одна з яких зображена на фіг. 2 ліворуч, а друга праворуч, причому друга система встановлена в зворотному напрямку для полегшення налаштування вимірювального об'єму при перетині лазерних променів в точці, розташованій на поздовжній осі симетрії жорсткої і еластичної пластин. Згідно з фіг. 3 промінь, що випромінюють з лазера 10, повертається за допомогою призми 14 і потрапляє на розщеплювач променя 15, на якому один промінь направляється на лінзу 6, а другий промінь на призму 16, на якій обертається і теж направляється на лінзу 6, на якій пара розщеплених променів фокусується таким чином, щоб промені пересікалися між собою на заданій відстані від лінзи 6, після чого пара розщеплених променів фокусуються на лінзі 7, а далі промінь потрапляє на поворотну призму 17, з якої за допомогою поворотної призми 18 потрапляє на фотоприймач 9. Підбирають геометричні розміри рами 11 та типи оптичних частин лазерних систем так, щоб точки перерізу лазерних променів (точки замірів поздовжніх пульсаційних швидкостей) розташовувались відповідно для кожної лазерної системи в районі розташування поздовжньої осі симетрії жорсткої та еластичної пластини 2, 3. Мікрокоординатники, що з'єднані з горизонтальними майданчиками 12, 13, приводяться в рух за допомогою крокових електродвигунів (на фіг. 3 не показані). Для оптимального настроювання і знаходження точок перерізу лазерних променів за допомогою крокових електродвигунів переміщаються відповідні елементи оптичної системи, розташовані на горизонтальних майданчиках 12, 13. За допомогою теоретичних розрахунків [8] та лабораторних вимірювань для вказаних чисел Рейнольду знаходять геометричні розміри, які відповідають при вказаному діапазоні чисел Рейнольда параметрам 0,2δ від горизонтальної площі пристрої 1, відповідно для еластичної пластини, та 0,3δ для жорсткої пластини, де δ - товщина примежового шару. В 2 UA 104525 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 кожному апараті, що рухається, встановлений датчик швидкості руху апарата, сигнали з якого надходять в електронний блок, в якому визначаються необхідні дані, що надходять на відповідні крокові двигуни, які приводять в рух відповідні мікрокоординатники 8 для кожної рами 11. Передбачено також розміщення в корпусі 5, або в корпусі підводного апарата, на якому встановлено пристрій 1, електронної, перетворювальної та обробної апаратури для керування рухом відповідних мікрокоординатників та обробки здобутих результатів вимірювань. В точках перерізу лазерних променів вимірюють величини поздовжньої пульсаційної швидкості і її одномірні спектри, які порівнюють з відповідними значеннями при відсутності геофізичних збурень. Якщо підводний апарат 19 (фіг. 4) рухається зі швидкістю, що забезпечує вказані вище числа Рейнольдса в місці розташування пристрою 1, за вказаними вище характерними відмінностями цих параметрів визначають наявність у водному середовищі хвильових або поздовжніх вихрових структур. Якщо підводний апарат 19 рухається зі швидкістю, що відрізняється від заданого вище діапазону, то в залежності від розрахунків, які введено в електронну апаратуру, автоматично включаються крокові електродвигуни, які відповідно змінюють відстань площини з лазерними променями від поверхні пристрої 1 для підтримання вказаних вище параметрів 0,2δ та 0,3δ, що дозволяє гарантовано визначити у водному потоці зазначених двовимірних і тривимірних збурень. При великих швидкостях руху апарат 19, можливе розміщення пристрою 1 в обтічному корпусі, який винесено за межі примежового шару тіла подібним чином, як це зроблено в прототипі [2]. Експериментальні дослідження виявили, що при взаємодії поздовжніх тривимірних вихрових структур, що надходять в примежовий шар з основного потоку, з поздовжніми вихровими структурами, що генеруються в примежовому шарі за допомогою еластичної поверхні 3, яка має внутрішню поздовжню впорядкованість будови [5, 6], призводить до зміни профілів поздовжньої пульсаційної швидкості при вимірюванні в різних місцях примежового шару в трансверсальному напрямку. За допомогою мікрокрокового двигуна електронна апаратура дозволяє переміщати точку виміру над пластинами в трансверсальному напрямку. В цьому випадку вимірювання при різних координатах [5] в трансверсальному напрямку над еластичний пластиною 3 дозволяють більш точно визначити наявність тривимірних збурень у водному потоці. Заміри, що виконані на еластичний пластині 3 паралельно є замірами на жорсткій пластині 2, дозволяють мати контрольні дані про характер збурень у водному середовищу і підвищити точність вимірювань. Якщо застосувати оптичні хвилеводи, то конструкція пристрою 1 суттєво спрощується, а його розміри зменшуються. Порівняльний аналіз запропонованої конструкції з найбільш близьким аналогом-прототипом показує, що усуваються відзначені недоліки прототипу, а це приводить до зменшення витрат енергії для виявлення геофізичних параметрів водного середовища, до збільшення продуктивності роботи запропонованого винаходу, до необмеженого простору, в якому з більшою точністю виявляються особливості форми і енергії геофізичних збурень. Джерела інформації: 1. Патент на изобретение RU № 2231026 С1, МПК G01C13/00, G01P5/00. Измеритель параметров внутренних волн в морской среде. Автори - Власов Ю.Н. (RU), Маслов В.К. (RU), Ціганков С.Г. (RU). Опубл. 20.06.2004. 2. United States Patent N 4,240,299, Int. CI.3 G01F 1/32. METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING FLUID DENSITY AND MASS FLOW. Robert D. Joy; Richard J. Mahany; Glenn A. Thome; Russell F. Colton. Appl. No.: 111,501. Dec. 23, 1980. 3. Козлов Л.Ф., Бабенко В.В. Экспериментальные исследования пограничного слоя. - Киев: Наук, думка, 1978. - 184 с. 4. Формирование турбулентности в сдвиговых течениях (Козлов Л.Ф., Цыганюк А.И., Бабенко В.В., Никишова О.Д., Воропаев Г.А.). - Kiev: Наук, думка, 1985. - 281 с. 5. Бабенко В.В., Канарский М.В., Коробов В.И. Пограничный слой на эластичных пластинах. - Киев: Наук, думка: 1993. - 264 с. (Переведена на английский язык в Cortana Corporation, США, 1997). 6. Babenko V.V., Chun H.H., Inwon Lee. Boundary Layer Flow over Elastic Surfaces. Compliant Surfaces and Combined Methods for Marine Vessel Drag Reduction. - Amsterdam, Boston, Heidelberg, London and others. Elsevier publishers. Butterworth-Heinemann: 2012-631 p. 7. Babenko V.V., Kozlov L.F., Dovgjy S.A., Yurchenko N.F., Ivanov V.P., Gnitethkjy N.A., Korobov V.I. The influence of the outflow generated vortex structures on the boundary layer characteristics. The second IUTAM Symposium on laminar-turbulent Transition. - Novosibirsk: - Berlin: SpringerVerlag. - 1985. - P. 509-513. 3 UA 104525 U 8. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Наука. - 1974. - 711 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 25 30 Пристрій для виявлення хвиль і завихреності, виконаний у вигляді плоскої пластини, по боках якої встановлені вздовж потоку плоскі прямокутні вертикальні стійки, в яких вгорі вмонтовані в круглих отворах перетворювачі так, щоб через їх центри проходила їх трансверсальна вісь симетрії, причому один перетворювач випромінює, а інший перетворювач приймає звуковий сигнал, який відрізняється тим, що пристрій містить плоску пластину, яка розташована у носовій частині пристрою і складається з двох поздовжніх частин у вигляді жорсткої та еластичної пластин, які встановлені між собою урівень і в одній площині так, що на місці їх стикування вздовж довжини пластини проходить поздовжня вісь симетрії пристрою, а до заднього краю пластин відносно напрямку потоку примикає урівень і в одній площині корпус, ширина якого дорівнює сумарній ширині пластин, а зверху на корпусі по краях встановлено два вертикальних обтічних порожнистих профілі, які з зовнішнього краю корпусу мають криволінійну поверхню з подвійною кривизною, а з внутрішнього краю плоску прозору поверхню так, що профілі виглядають як кінцева частина крила, яке лише частково кінцівкою виступає за межі примежового шару; внутрішній об'єм корпусу і вертикальних профілів герметичний, при цьому усередині корпусу горизонтально і паралельно в трансверсальному напрямку закріплено дві рами, на нижній поверхні яких встановлені однакові лазерні системи, що складаються з лазера і фотоприймача, які встановлені співвісно, а на правій боковій вертикальній стороні однієї рами внизу встановлена призма повного відображення, а на лівій боковій вертикальній стороні рами внизу встановлена поворотна призма, причому на бічних поверхнях рами вгорі закріплені горизонтальні основні майданчики, що паралельні нижній поверхні рами; на правому майданчику в поздовжньому напрямку відносно потоку в одній площині один за одним встановлено розщеплювач оптичного променя, а за ним - поворотна призма таким чином, що вони відстоять один від одного на однаковій відстані від оптичної осі лінз, що фокусують і вертикально закріплені на допоміжних горизонтальних майданчиках, які прикріплені знизу до кінців основних майданчиків, причому на лівому основному майданчику встановлена поворотна призма; всі горизонтальні майданчики забезпечені горизонтальними мікрокоординатниками, що переміщують в горизонтальному напрямку за допомогою мікрокрокових двигунів; лазер, фотоприймач, а також відповідні оптичні системи встановлені на другій рамі в трансверсальному напрямку в зворотному порядку. 4 UA 104525 U 5 UA 104525 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6