Способ управления турбулентностью потока

 

Использование: для управления пограничным слоем потока. Сущность изобретения: в способе управления турбулентностью потока, обтекающего поверхность, при котором осуществляют воздействие на процесс преобразования энергии в потоке текучей среды за счет введения возмущений в структуру завихрений, образующихся при формировании граничного слоя с крупномасштабными завихрениями, расположенными преимущественно в наружной его части и передающими при разложении энергию завихрениям промежуточных масштабов, возникающим во внутренней части граничного слоя и разлагающимся на завихрения мелкого масштаба, рассеивающие энергию в теплоту в вязком подслое, возмущения вводят во внутреннюю часть граничного слоя в виде стохастических возмущений со спектром длин волн преимущественно в диапазоне размеров завихрений промежуточных масштабов. 13 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к способу управления турбулентностью потока, обтекающего поверхность, в том числе, например, турбулентностью, созданной относительным движением между телом и жидкой средой, или потоком между двумя жидкостями.

Основное свойство турбулентности заключается в том, что хотя большая часть энергии турбулентного движения связана с большими масштабами, рассеяние энергии имеет место при мелких масштабах, сравнимых с линейным масштабом Колмагорова. При таком рассеянии молекулярное движение превращается в теплоту, и это вязкое рассеяние имеет место в основном в граничном слое в жидкой среде, который существует между телом и жидкостью, или, например, между двумя жидкостями различной плотности.

Между большими масштабами, где происходит турбулентное движение, и мелкими масштабами, где имеет место рассеяние энергии, лежат промежуточные масштабы, называемые инерционным диапазоном. Энергия передается от нерассеивающих крупных масштабов к рассеивающим мелким масштабам через масштабы инерционного диапазона, которые служат в качестве моста для передачи энергии.

Известен способ управления турбулентностью потока, обтекающего поверхность, в котором осуществляют воздействие на процесс преобразования энергии в потоке текучей среды за счет введения возмущений в структуру завихрений, которые образуются при формировании граничного слоя с крупномасштабными завихрениями, расположенными преимущественно в наружной его части и передающими при разложении энергию завихрениям промежуточных масштабов, возникающим во внутренней части граничного слоя и разлагающимся на завихрения мелкого масштаба, рассеивающие энергию в теплоту в вязком подслое.

Основным недостатком известного способа является недостаточная эффективность подавления турбулентности.

Задачей изобретения является создание способа управления турбулентностью потока, обтекающего поверхность, в котором осуществлялось бы введение возмущений в структуру завихрений так, чтобы обеспечивалось снижение потерь на трение, что позволило бы в итоге повысить эффективность подавления турбулентности.

Технический результат достигается тем, что возмущения вводят во внутреннюю часть граничного слоя в виде стохастических возмущений со спектром длин волн преимущественно в диапазоне размеров завихрений промежуточных масштабов, причем указанные возмущения вводят за счет относительного движения поверхности в обтекающем потоке.

Предпочтительно использовать для введения возмущений внутреннюю часть граничного слоя с шириной, не превышающей увеличенную в 100 раз ширину вязкого подслоя.

В качестве вязкого подслоя рассматривают подслой с числом Рейнольдса не более 26.

Спектр упомянутого возмущения включает длины волн, которые превышают размеры завихрений мелкого масштаба или которые находятся в диапазоне размеров завихрений мелкого и промежуточного масштабов.

В качестве возмущающих колебаний используют звуковой сигнал, который можно модулировать.

Звуковой сигнал формируют с помощью антенной решетки из надставок, обладающих упругими свойствами.

Целесообразно формировать поток из газообразной текущей среды, из электропроводной текучей среды, при этом возмущения вводят в виде переменного магнитного поля. Возмущения можно вводить путем механического воздействия на поток. Переменное магнитное поле формируют с помощью антенных надставок из ферромагнитного материала. Кроме того, переменное магнитное поле можно формировать с помощью ферромагнитных частиц, вводимых в поток текучей среды.

Изобретение применимо в работе судна в массе текучей среды, например, подводная лодка под водой и летательный аппарат в атмосфере, или для регулирования других турбулентных потоков. В первом случае в граничный слой жидкости, примыкающей к судну, вводят по существу чисто звуковое возмущение, причем основную частоту выбирают для повышения поступательного движения судна вперед в массе жидкости за счет введения стохастического возмущения в граничный слой.

Когда жидкость является электропроводящей, такой как морская вода в случае погружной подводной лодки, для осуществления возмущения жидкости создают надлежащим образом изменяющееся во времени и в пространстве звуковое поле внутри граничного слоя.

Турбулентность в зоне потока, образованной относительным движением между телом и средой, или за счет сдвига между жидкостями, вовлекает завихрения в эту зону, которые изменяются от крупных до средних и мелких завихрений в направлении рассеяния. Такую турбулентность можно представить в виде механизма, который превращает низкую энергию энтропии, присутствующую в больших завихрениях с несколькими степенями свободы в энергию высокой энтропии в мелких завихрениях с большим числом степеней свободы. Таким образом, турбулентность приводит к энергетическому каскаду, который создает энергию высокой энтропии, т. е. удаленную из мелких масштабов рассеяния. В граничном слое турбулентное рассеяние имеет место преимущественно в вязком подслое (т.е. размерах, связанных с областями потока, внутри которых молекулярные взаимодействия приводят к рассеянию турбулентной энергии).

Вышеописанные результаты достигаются за счет образования самопроективной геометрии для полей производной скорости в физическом пространстве. Последнее наблюдается как прерывистость, которую наблюдатель видит как мелкий масштаб, подтвержденный с помощью неоднородных во времени и пространстве распределений рассеяния энергии, напряжений Рейнольдса, энтропии и т.п. Когерентность в турбулентности связывается некоторыми наблюдателями с правильными рисунками или крупными завихрениями, присутствующими во всех турбулентных потоках.

Согласно изобретению, фазы, связанные со спиральностью в инерционном диапазоне, близком к мелким масштабам рассеяния, беспорядочно перемешиваются, что приводит к нарушению мелкого масштаба внутри инерционного диапазона.

В лучшем варианте осуществления изобретения стохастическое внешнее возмущение широкого спектра вводят в турбулентную жидкую среду, в которой максимальные длины волн упомянутого возмущения сравнимы с микромасштабом Тейлора, или даже более крупными масштабами в инерционном диапазоне движущейся турбулентно жидкости.

Теория, рассмотренная выше, находит практическое применение при подавлении турбулентности, в частности, в среде, где турбулентность образуется в результате относительного движения между телом и средой. Такие возмущения должны быть случайными как во времени, так и в пространстве (например, чистая помеха) для того, чтобы ввести фактор хаотичности в когерентную организацию мелких масштабов, в частности, в граничный слой. Термин "мелкие масштабы рассеяния" представляет термин, хорошо известный в области динамики жидкостей, и используется здесь в своем прямом смысле. В турбулентности граничного слоя он означает толщину вязкого подслоя, в котором молекулярное взаимодействие вызывает рассеяние турбулентной энергии под воздействием тепла. Такая толщина сравнима с линейным масштабом Колмогорова. Предпочтительно в соответствии с изобретением ввести возмущение в по крайней мере часть внутренней области граничного слоя, примыкающей к вязкому подслою. Термин "инерционный диапазон" также известен и означает промежуточные масштабы между масштабами, содержащими большую энергию и мелкими рассеивающими масштабами. Характерным масштабом инерционного диапазона является масштаб Тейлора. Предпочтительно, длина волны возмущающего сигнала не должна быть больше микромасштаба Тейлора.

Там, где средой служит воздух, и судно представляет собой летательный аппарат, помехи можно ввести в граничный слой путем генерирования в граничном слое изменяющегося в широком диапазоне во времени и пространстве звукового сигнала. Основная длина волны звукового сигнала сравнима с мелкомасштабной структурой турбулентности, и звуковой сигнал можно создать при помощи ряда преобразователей, расположенных на поверхности крыла летательного аппарата, или непосредственно связанных с ним.

Для введения необходимого возмущения в граничный слой можно также предусмотреть различные механические средства. Например, антенная решетка из надставок, таких как небольшие проволочки, проходящие в граничный слой, которые могут возбуждаться под совместным действием потока и своей собственной упругости при сопротивлении потоку для обеспечения необходимого возмущения. Предпочтительно антенную рамку из ферромагнитных надставок, таких как проволочки, или добавок, таких как частицы, движущиеся в граничном слое, действующие в изменяющемся временном и пространственном высокочастотном электромагнитном поле, использовать для взаимодействия с турбулентной средой и образования таких возбуждений.

Такие варианты можно использовать для уменьшения турбулентного лобового сопротивления или перепада давления жидкости, протекающей в трубопроводе. Таким образом, например, небольшие проволочки, обладающие упругими свойствами, и длиной, по крайней мере, линейного масштаба Колмогорова или микромасштаба Тейлора, можно прикрепить к внутренней поверхности трубопровода, так что проволочки входят в граничный слой и создают необходимое возмущение. В результате, турбулентное лобовое сопротивление или перепад давления потока среды будут снижены.

При прямом моделировании турбулентности, обладающей микромасштабом Тейлора с числом Рейнольдса в интервале 26-30, турбулентность была снижена до 25-70 от своего обычного значения, когда стохастические возмущения в соответствии с изобретением, были приложены к масштабам, содержащим 1-20 турбулентной энергии (т.е. в диапазоне масштабов, больших масштаба Колмогорова). Эффективность таких приемов возрастает с увеличением числа Рейнольдса.

Формула изобретения

1. Способ управления турбулентностью потока, обтекающего поверхность, при котором осуществляют воздействие на процесс преобразования энергии в потоке текучей среды за счет введения возмущений в структуру завихрений, образующихся при формировании граничного слоя с крупномасштабными завихрениями, расположенными преимущественно в наружной его части и передающими при разложении энергию завихрениям промежуточных масштабов, возникающим во внутренней части граничного слоя и разлагающимся на завихрения мелкого масштаба, рассеивающие энергию в теплоту в вязком подслое, отличающийся тем, что возмущения вводят во внутреннюю часть граничного слоя в виде стохастических возмущений со спектром длин волн преимущественно в диапазоне размеров завихрений промежуточных масштабов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что возмущения вводят за счет относительного движения поверхности в обтекающем потоке.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для введения возмущений используют внутреннюю часть граничного слоя с шириной, не превышающей увеличенную в сто раз ширину вязкого подслоя.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что длины волн в спектре превышают размеры завихрений мелкого масштаба.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что спектр возмущений содержит длины волн в диапазоне размеров завихрений мелкого и промежуточных масштабов.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что возмущения модулируют.

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве возмущений используют звуковой сигнал.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что поток формируют из газообразной текучей среды.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток формируют из электропроводной текучей среды и возмущения вводят в виде переменного магнитного поля.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что возмущения вводят путем механического воздействия на поток.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что переменное магнитное поле формируют с помощью антенных надставок из ферромагнитного материала.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что переменное магнитное поле формируют с помощью ферромагнитных частиц, введенных в поток текучей среды.

13. Способ по п.10, отличающийся тем, что возмущения формируют с помощью антенной решетки из надставок, обладающих упругими свойствами.

14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вязкого подслоя рассматривают подслой с числом Рейнольдса не более 26.