Способ ламинаризации пограничного слоя на аэродинамической поверхности
Владельцы патента RU 2492367:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к способам управления пограничным слоем на поверхности летательного аппарата. Способ ламинаризации пограничного слоя на аэродинамической поверхности заключается в том, что с помощью диэлектрического барьерного разряда ионизируют поток воздуха и воздействуют на него электрическим полем. Диэлектрический барьерный разряд возбуждают в зоне начала ламинарно-турбулентного перехода, где максимальные относительные среднеквадратичные пульсации скорости составляют 0.5-2.5%. Индуцируемое разрядом течение направляют по потоку градиентным электрическим полем. Диэлектрический барьерный разряд возбуждают в нескольких чередующихся вниз по потоку зонах пограничного слоя, первая из которых совпадает с областью начала естественного ламинарно-турбулентного перехода, а остальные размещают на расстоянии друг от друга, обеспечивающем последовательное смещение перехода вниз по потоку. Изобретение направлено на снижение аэродинамического сопротивления за счет затягивания ламинарно-турбулентного перехода на обтекаемой поверхности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к авиационной технике, в частности, к способам управления пограничным слоем на поверхности летательного аппарата.
Известны способ и устройство для ламинаризации пограничного слоя на прямом и скользящем крыле с помощью ребристой поверхности, устанавливаемой в нелинейной области перехода ламинарного слоя в турбулентный, либо в области разрушения детерминированных стационарных вихрей (патент RU №2086473 B64C 21/02, 1997).
Недостатками данного способа является то, что область перехода при изменении скорости смещается относительно местоположения ребристой поверхности. В результате эффект ламинаризации течения в пограничном слое может значительно снижаться.
Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемым способу является способ управления пограничным слоем газового потока (А.св. SU №1475052, МПК B64C 21/00, 1987), основанный на создании объемного электрического заряда и электрогазодинамическом воздействии электрического поля на поток, обтекающий аэродинамическую поверхность летательного аппарата.
Недостатками данного способа являются повышенный уровень расхода энергии при генерации объемных зарядов с помощью коронного разряда и, как следствие, не эффективные затраты мощности на управление пограничным слоем.
Задачей и техническим результатом заявляемого изобретения являются повышение эффективности вклада электроэнергии на управление пограничным слоем и снижение сопротивления трения на обтекаемой аэродинамической поверхности летательного аппарата.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в предлагаемом способе ламинаризации пограничного слоя на аэродинамической поверхности, например крыле, заключающемся в том, что измеряют в пограничном слое пульсации скорости, с помощью диэлектрического барьерного разряда ионизируют поток воздуха и воздействуют на него электрическим полем, при этом диэлектрический барьерный разряд возбуждают в зоне начала ламинарно-турбулентного перехода, где максимальные относительные среднеквадратичные пульсации скорости составляют 0.5-2.5%, а индуцируемое разрядом течение направляют по потоку градиентным электрическим полем.
Кроме того диэлектрический барьерный разряд возбуждают, по меньшей мере, в нескольких чередующихся вниз по потоку зонах пограничного слоя, первая из которых совпадает с областью начала естественного ламинарно-турбулентного перехода, а остальные размещают на расстоянии друг от друга, обеспечивающем последовательное смещение перехода вниз по потоку.
На Фиг.1 схематично показано устройство, поясняющее техническую сущность заявляемого изобретения.
На Фиг.2 - разрез по АА устройства.
На Фиг.3 - зависимость относительных среднеквадратичных пульсаций вниз по потоку.
Способ ламинаризации пограничного слоя на аэродинамической поверхности, например крыле, реализуется с помощью устройства (Фиг.1), содержащего на крыле 1 диэлектрический участок поверхности 2, с системой ячеек 3 (Фиг.2), каждая из которых состоит из пары электродов: открытого линейного пластинчатого электрода 4, расположенного на поверхности 2 заподлицо, и закрытого электрода 5, расположенного под поверхностью 2, соединенных с источником 6 переменного тока высокого напряжения, причем электроды 4, 5 в каждой ячейке 3 ориентированы параллельно передней кромке 7 крыла, закрытый электрод 5 смещен относительно открытого электрода 4, в направлении к хвостовой части 8 крыла, датчик термоанемометра 9 для измерения пульсаций скорости в пограничном слое.
Описываемое устройство работает следующим образом: На поверхности крыла 1 в зоне ламинарно-турбулентного перехода, где среднеквадратичные относительные пульсации скорости u'/u0, составляют 0.5-2.5%, возбуждают диэлектрический барьерный разряд путем подключения источника 6 переменного тока высокого напряжения к электродам 4 и 5, расположенным на диэлектрической поверхности 2. При определенной величине амплитуды высокого напряжения (~3 кВ) электрод 4 начинает коронировать. Вблизи кромки электрода 4 происходит ионизация молекул приповерхностного потока воздуха и ускорение их в направлении потока заряженных частиц (ионов) электрическим полем между открытым 4 и закрытым 5 электродами. В процессе столкновений ускоренные ионы передают свой импульс нейтральным молекулам потока. В результате происходит дополнительный разгон течения в пограничном слое и профиль скорости становится более наполненным. Следствием этого является повышение устойчивости течения в пограничном слое, что приводит к смещению ламинарно-турбулентного перехода вниз по потоку, т.е. к увеличению области ламинарного участка течения на крыле.
Эффект ламинаризации пограничного слоя может быть усилен путем последовательного дополнительного подключения к источнику 6 системы электродов, расположенных периодически вниз по потоку от парных электродов 4 и 5 на расстоянии друг от друга, обеспечивающим поочередное смещение перехода. Расстояние между ячейками электродов можно определить с помощью измерений пульсаций скорости термоанемометром 9, каждый раз последовательно подключая к источнику 6, парные электроды расположеные в зоне, где пульсации скорости составляют 0.5-2.5%. Длина диэлектрического участка поверхности 2 и количество парных электродов на ней зависит от протяженности турбулентной зоны в пограничном слое, подлежащей ламинаризации.
Испытания, подтверждающие работоспособность предлагаемого способа ламинаризации пограничного слоя, были проведены в малотурбулентной аэродинамической трубе прямоточного типа при скорости потока 10 м/с. Ее рабочая часть имеет длину 2600 мм и прямоугольное поперечное сечение размером 500×350 мм. Степень турбулентности в ней при скорости потока 5-50 м/с не превышала 0.06%. Измерения характеристик течения в пограничном слое проводились на нижней металлической стенке рабочей части трубы, в которой был вырезан люк размером 285×285 мм для размещения пластины из диэлектрика с разрядными электродами. Разряд возбуждался на паре плоских электродов, один из которых (открытый электрод) был расположен на верхней, а другой (закрытый электрод) на нижней поверхностях пластины толщиной 1.5 мм. Электроды были выполнены путем электролитического травления двухсторонне фольгированного стеклотекстолита (толщина медного покрытия 50 микрон). Закрытый электрод был смещен относительного открытого так, что задняя кромка открытого электрода, совпала с передней кромкой закрытого электрода. Пластина с электродами размещалась в люке заподлицо с поверхностью нижней стенки рабочей части трубы. При этом электроды были ориентированы поперек направления потока, а расстояние от начала рабочей части трубы до задней кромки верхнего электрода составляло 1130 мм.
Для возбуждения разряда использовался источник переменного тока высокого напряжения. Частота следования импульсов высокого напряжения, как положительной, так и отрицательной полярности, составляла в проведенных экспериментах 6.25 кГц, а амплитуда высокого напряжения 4.4 кВ.
Средние значения продольной составляющей скорости потока u и ее среднеквадратичные относительные пульсации u'/u0 измерялись термоанемометром постоянной температуры типа DISA 55M01. При этом использовался датчик с горизонтальной нитью длиной 1 мм и диаметром 5 мкм. Реализации скорости записывались в память персонального компьютера с помощью платы АЦП, а затем производилась их цифровая обработка.
Переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный определялся по положению максимума относительных среднеквадратичных пульсаций скорости при перемещении датчика термоанемометра вниз по потоку.
На фиг.3 проиллюстрировано влияние разряда на ламинарно-турбулентный переход. Разряд возбуждался на электродах 4, 5, расположенных в области начала перехода (x=0), где относительные пульсации скорости составляли около 0.5%. Как видно из фигуры 3, включение разряда приводило к смещению перехода вниз по потоку на 210 мм (1 - положение перехода без разряда, 2 - положение перехода с разрядом, 3 - переход, 4 - верхний электрод). Учитывая, что в отсутствии разряда протяженность ламинарной зоны течения от начала рабочей части составляла 1630 мм, получаем, что включение разряда приводило к увеличению области ламинарного течения на 13%.
Приведенные экспериментальные данные подтверждают эффективность предлагаемых изобретений. Затягивание ламинарно-турбулентного перехода с помощью диэлектрического барьерного разряда, может приводить к уменьшению сопротивления трения на 20%.
1. Способ ламинаризации пограничного слоя на аэродинамической поверхности, заключающийся в том, что измеряют в пограничном слое пульсации скорости, с помощью диэлектрического барьерного разряда ионизируют поток воздуха и воздействуют на него электрическим полем, отличающийся тем, что диэлектрический барьерный разряд возбуждают в зоне начала ламинарно-турбулентного перехода, где максимальные относительные среднеквадратичные пульсации скорости составляют 0,5-2,5%, а индуцируемое разрядом течение направляют по потоку градиентным электрическим полем.
2. Способ ламинаризации пограничного слоя на аэродинамической поверхности по п.1, отличающийся тем, что диэлектрический барьерный разряд возбуждают, по меньшей мере, в нескольких чередующихся вниз по потоку зонах пограничного слоя, первая из которых совпадает с областью начала естественного ламинарно-турбулентного перехода, а остальные размещают на расстоянии друг от друга, обеспечивающем последовательное смещение перехода вниз по потоку.
