Контроль пограничного слоя - Boundary layer control

Контроль пограничного слоя относится к методам управления поведением поток жидкости пограничные слои.

Может быть желательно уменьшить разделение потока на быстрых транспортных средствах, чтобы уменьшить размер следа (обтекаемость), что может уменьшить сопротивление. Разделение пограничного слоя обычно нежелательно в авиационных системах с высоким коэффициентом подъемной силы и воздухозаборниках реактивных двигателей.

Ламинарный поток создает меньшее поверхностное трение, чем турбулентный, но турбулентный пограничный слой лучше передает тепло. Турбулентные пограничные слои более устойчивы к отрыву.

Может потребоваться увеличение энергии в пограничном слое, чтобы он оставался прикрепленным к своей поверхности. Свежий воздух можно вводить через щели или подмешивать сверху. Слой с низким импульсом на поверхности может быть отсосан через перфорированную поверхность или удален, когда он находится в канале высокого давления. Его можно полностью удалить с помощью дивертора или внутреннего дренажного канала. Его энергия может быть увеличена по сравнению с энергией набегающего потока за счет подачи воздуха с высокой скоростью.

Природа

Фрэнк Э. Фиш утверждает, что у дельфинов, по-видимому, есть турбулентный пограничный слой, чтобы уменьшить вероятность разделения и минимизировать сопротивление, и что механизмы поддержания ламинарного пограничного слоя для уменьшения трения кожи для дельфинов не были продемонстрированы.[1]

Крылья птиц имеют переднюю кромку, называемую Алула который задерживает срыв крыла на малых скоростях аналогично предкрылку передней кромки крыла самолета.[2]

Тонкие мембранные крылья, обнаруживаемые у летучих мышей и насекомых, имеют особенности, которые, по-видимому, вызывают благоприятную шероховатость при задействованных числах Рейнольдса, тем самым позволяя этим существам летать лучше, чем в противном случае.[3]

Спортивный

Мячи могут иметь характеристики, которые делают поверхность шероховатой и увеличивают дальность удара или броска. Из-за придания шероховатости пограничный слой становится турбулентным и остается прикрепленным дальше вокруг спины, прежде чем оторваться с меньшим следом, чем было бы в противном случае. По мячу можно ударить по-разному, чтобы заставить его вращаться, заставляя двигаться по кривой траектории. Вращение вызывает смещение пограничного слоя в одну сторону, что создает боковую силу.

Контроль BL (придание шероховатости) был применен к мячам для гольфа в 19 веке. Строчка на мячах для крикета и бейсболках действует как контрольная структура пограничного слоя.[4]

На цилиндре

В случае обтекания цилиндра набегающим потоком можно использовать три метода для регулирования отрыв пограничного слоя что происходит из-за неблагоприятного градиента давления.[5] Вращение цилиндра может уменьшить или устранить пограничный слой, который образуется на стороне, которая движется в том же направлении, что и набегающий поток. Сторона, движущаяся против потока, также показывает лишь частичный отрыв пограничного слоя. Всасывание, применяемое через щель в цилиндре рядом с точкой разделения, также может задерживать начало разделения за счет удаления частиц жидкости, которые замедлились в пограничном слое. В качестве альтернативы, жидкость может выдуваться из обтекаемой щели, так что замедленная жидкость ускоряется и, таким образом, точка разделения задерживается.

Поддержание ламинарного пограничного слоя на самолете

Аэродинамические профили с ламинарным потоком были разработаны в 1930-х годах для поддержания благоприятного градиента давления для предотвращения их турбулентности. Их результаты в аэродинамической трубе с низким лобовым сопротивлением привели к их использованию на таких самолетах, как P-51 и B-24, но для поддержания ламинарного потока требовались низкие уровни шероховатости и волнистости поверхности, которые обычно не встречаются в эксплуатации.[6] Krag[7] заявляет, что испытания профиля P-51, проведенные в высокоскоростной аэродинамической трубе DVL в Берлине, показали, что эффект ламинарного потока полностью исчез в реальном полете. Числа Рейнольдса. Для реализации ламинарного потока в приложениях с высоким числом Рейнольдса обычно требуются очень гладкие, безволновые поверхности, создание и обслуживание которых может быть затруднительным.[6]

Поддержание ламинарного потока путем управления распределением давления на аэродинамическом профиле называется Естественный ламинарный поток (NLF)[6] и был достигнут конструкторами планеров с большим успехом.[8]

На стреловидных крыльях благоприятный градиент давления становится дестабилизирующим из-за поперечного потока, и для контроля поперечного потока необходимо всасывание.[9] Дополняя эффект формообразования профиля всасывание пограничного слоя известен как контроль ламинарного потока (LFC)[6]

Конкретный метод управления, необходимый для ламинарного управления, зависит от числа Рейнольдса и стреловидности крыла.[10] Гибридный ламинарный контроль потока (HLFC)[6] относится к технологии стреловидного крыла, в которой LFC применяется только к области передней кромки стреловидного крыла и NLF позади нее. Мероприятия, спонсируемые НАСА, включают NLF на гондолах двигателей и HLFC на верхних поверхностях крыла и горизонтальных и вертикальных поверхностях хвостового оперения.[11]

Дизайн самолета

В авиационной технике контроль пограничного слоя может использоваться для уменьшения паразитическое сопротивление и увеличить полезный угол атаки. Установленные на фюзеляже воздухозаборники двигателей иногда оснащаются разделительная пластина.

Большое количество исследований было проведено для изучения увеличения подъемной силы за счет всасывания для аэродинамических крыльев в 1920-х и 1930-х годах в Aerodynamische Versuchsanstalt в г. Гёттинген.[нужна цитата ]

Примером самолета с активным контролем пограничного слоя является японский гидросамолет ShinMaywa US-1.[12] Этот большой четырехмоторный самолет использовался для противолодочная война (ASW) и поиск и спасение (SAR). Он был способен STOL работа и очень низкие скорости воздуха. Его замена в роли SAR, ShinMaywa US-2, использует аналогичную систему для своей способности летать со скоростью 50 узлов.[13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Миф и реальность парадокса Грея: значение сокращения сопротивления дельфинов для технологий https://web.archive.org/web/20160305153746/http://darwin.wcupa.edu/~biology/fish/pubs/pdf/2006B%26BGray%27sParadox.pdf
  2. ^ http://www.ardeola.org/files/1295.pdf
  3. ^ «Дизайн самолета» Стинтон Даррол, BSP Professional Books, Оксфорд, 1989 г., ISBN  0-632-01877-1, стр.97
  4. ^ «Вращающийся полет» Лоренц Ральф Д. Спрингер Наука + Бизнес Медиа, ООО 2006 г., ISBN  0-387-30779-6, стр.33
  5. ^ "Теория пограничного слоя" Шлихтинг Клаус, Герстен, Э. Краузе, Х. Младший Эртель, К. Мэйс 8-е издание Springer 2004 г. ISBN  3-540-66270-7
  6. ^ а б c d е «Понимание аэродинамики на основе аргументов реальной физики» МакЛин Дуг, John Wiley & Sons Ltd. Чичестер, ISBN  978-1-119-96751-4, стр.339
  7. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2016-03-04. Получено 2016-01-13.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  8. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-09-16. Получено 2016-01-13.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  9. ^ https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19790025267.pdf
  10. ^ http://goldfinger.utias.utoronto.ca/IWACC2/IWACC2/Program_files/Collier_2.pdf слайд 12
  11. ^ http://goldfinger.utias.utoronto.ca/IWACC2/IWACC2/Program_files/Collier_2.pdf слайд 5
  12. ^ Рекламный ролик ShinMaywa, ок. 1980 г.
  13. ^ Разъяснение и данные на сайте ShinMaywa, данные получены 12 декабря 2020 г.