ГЛАВА 3 ЭФФЕКТЫ И ПРОЦЕССЫ В АЭРО – И ГИДРОСРЕДЕ
3.1 Взаимодействие аэродинамических твёрдых тел с пограничным слоем.
Рис. 3.1 Эффект Г. Магнуса.
1 – й случай показан на схематичном рисунке 3.1. Здесь в результате нарушения симметрии вихревой дорожки за вращающимся шаром или цилиндром, возникает подъёмная сила F.
Рис. 3.2 Машущий ротор Флеттнера.
Рис 3.3 Турбопарус Ж. Ив. Кусто.
3 – й случай – показан на схеме рис. 3.3. В результате отсоса воздуха с одной из сторон цилиндра, в стенке которого устроена сетка, создаётся падение давления, в то время как с противоположной стороны цилиндра поток притормаживается. Таким образом возникает движущая сила F. Движитель был назван турбопарусом. Впервые испытывался в начале 80-х годов известным французским учёным – океанографом Ж. Ив. Кусто. Вакуум создавался центробежными насосами.
Рис. 3.4 Крыльчатый ротор Савониуса
4 – й случай – показан на рис 3.4. Здесь, возникновение движущей силы обусловлено вращением ротора самим потоком. Ротор впервые был опробован на шлюпке в начале 20 –х годов двадцатого века французским инженером Савониусом и получил название крыльчатого. При смещённых от оси вращения лопастях наблюдается прирост движущей силы F на величину ΔY. Этот прирост может достигать пятикратного увеличения.
5 – й случай – иллюстрируется на рис 3.5. На нём представлена схема крыльчатого движителя австрийского инженера Э. Шнейдера, изобретённого им в 1926 году.
Рис. 3.5 Крыльчатый движитель Э. Шнейдера.
После обобщённого анализа по приведённым примерам можно сделать следующие выводы:
1. Подъёмная или движущая сила F возникает благодаря нарушению симметрии потока, например, вращающимся телом по направлению u.
2. Направление вектора подъёмной или движущей силы F во всех случаях перпендикулярно вектору направления скорости потока V.
Наиболее развитой областью практической аэрогидродинамики следует считать гребные и воздушные винты в качестве движителей. Здесь наблюдается достаточное конструктивное разнообразие и значительный опыт по применению различных конструкций. Из накопленного опыта кое – что мы можем почерпнуть и для машущего движителя. В следующем параграфе речь о гребных и воздушных винтах.
3.2 Взаимодействие гребных и воздушных винтов с
пограничным слоем.
В зоне перед работающим винтом возникает разряжение воздуха и скорость потока увеличивается за счёт подсасывания; за винтом возникает зона повышенного давления. На основании экспериментальных и теоретических данных в расчётах принимается что скорость отбрасывания в 2 раза больше, чем скорость подсасывания.
3.1 – й ОРГАНИЗУЮЩИЙ ПРИНЦИП: Для четырёхкрылых махолётов, при компоновке крыльев по схеме «тандем» - диплан, учитывать скорость потока отбрасываемого передним крылом. Амплитуда и скорость махов заднего крыла, в результате, должна быть в 2 раза больше чем у переднего.
Перечислим наиболее известные конструктивные приёмы, позволившие существенно повысить эффективность работы винта.
Рис. 3.6 Восьми лопастный суперскоростной воздушный винт.
Сравнительные испытания показали, что при новом винте достигается экономия топлива до 30%, а мощность двигателя можно снизить на 40% без ухудшения тяги. Пропульсивный К.П.Д. η=0,58.
Помимо описанного приёма , т.е. уменьшение диаметра винта с одновременным увеличением числа лопастей эффективны насадки и полунасадки, устройство контрвинтов (неподвижных направляющих лопаток), применение винта с регулируемым – изменяемым шагом.
Рис. 3.7 Винт в насадке.
Рис. 3.8 Гребной винт в полунасадке.
Скорость потока, текущего за наружной поверхностью насадка, равна скорости аппарата, в то время как скорость потока, который винт гонит вдоль внутренней поверхности полунасадка, значительно больше в результате происходит смещение всего аппарата в сторону насадка.
Рис. 3.9 Контрвинты: закручивающий поток – а; и спрямляющий поток – б.
Контрвинты позволяют увеличить эффективность работы активного винта на 10…15%.
3.2 – й ОРГАНИЗУЮЩИЙ ПРИНЦИП: Повышения эффективности работы машущего крыла, можно добиться как с помощью пассивных (рудиментарных) крылышек, так и с помощью дополнительных активных, при соответствующем их местоположении.
Совершенны и высокоэффективны винты с регулируемым шагом, сокращённо: ВРШ. Такие винты имеют широкое распространение во флоте.
Рис 3.10 схема управления винтом регулируемого шага: 1 – управляемая лопасть; 2,4 – тяги; 3,5 – гайки и левой и правой резьбами; 6 – управляющий вал с левой и правой резьбами.
Рис. 3.11 Диаграмма сравнительных характеристик винтов.
Управляющий вал 6 может вращаться в обе стороны. При вращении он будет взаимодействовать с навинченными на него гайками 3 и 5. через тяги 2 и 4 гайки шарнирно соединяются со ступицей лопасти и, таким образом, могут, воздействуя на кривошип, поворачивать лопасть под любой угол атаки.
На рис. 3.11 показана диаграмма сравнительных характеристик изменения коэффициента полезного действия винтов в зависимости от изменения скорости. По диаграмме можно проследить за характером изменения К.П.Д ряда винтов фиксированного шага (В.Ф.Ш.) и одного гребного винта, шаг которого можно было бы регулировать. Он как бы объединяет в себе бесконечное множество винтов с фиксированным шагом и может быть отрегулирован на их лучшую характеристику.
Вообще, К.П.Д. гребного винта колеблется в пределах 50…70%. Тридцать – пятьдесят процентов мощности, подведённой к винту, затрачивается впустую.
Так как винт регулируемого шага можно считать аналогом машущего крыла с регулируемым углом атаки, то перечисление основных преимуществ ВРШ полезно для проработки конструкции машущего крыла и его исполнительного механизма.
3.2.1 Основные преимущества ВРШ.
1. Мощность главного движителя можно использовать полностью на любых режимах хода. Таким образом, средняя эксплуатационная скорость судна с ВРШ повышается.
2. Можно получить любые длительные скорости хода в диапазоне от полного вперёд до полного назад.
3. Всеми ходами судна и реверсами можно управлять дистанционно. При наличии ВРШ всё управление ходами судна сосредотачивается в одной рукоятке, управляющей шагом винта.
4. Реверс судна и задний ход достигается без изменения направления вращения валопровода.
5. Увеличивается моторесурс двигателя, т.к. резко уменьшается число пусков и остановок.
6. Экономится топливо.
7. Уменьшается величина выбега судна, чем повышается безопасность.
Перечисленные преимущества полностью относятся и к крыльчатому движителю регулируемого шага (КДРШ). Отличие лишь в том, что маневренность судна с этим движителем ещё выше, чем с гребным винтом.
3.3 Случаи взаимодействия профилей крыла с пограничным слоем.
В процессе изучения взаимодействия лопасти крыла с пограничным слоем были открыты неизвестные ранее эффекты. Так немецкий инженер Отто Лилиенталь (1848…1896) в 1874 году экспериментально подтвердил преимущество изогнутой поверхности над плоской, сделав важное открытие: на изогнутой поверхности подъёмная сила возникает даже при нулевом угле атаки, т.е. когда передняя и задняя кромки крыла находятся на одной высоте.
Рис. 3.12 Эффект возникновения подъёмной силы F при нулевом угле атаки.
Рис. 3.14 Эффект прироста подъёмной силы крыла в случае применения предкрылка и закрылка.
3 – й случай представлен на схематичном рисунке 3.14. За счёт применения в конструкции крыла предкрылка и закрылка, подъёмная сила F увеличилась на ΔY. Суммарный прирост доходит до 250%.
Рис. 3.15 Эффект А. Коанда. Получение подъёмной силы F профиля за счёт струи выбрасываемой через щель на спинку профиля.
Рис. 3.16 Эффект перемещения воздуха машущей лопастью крыла от тупой передней кромки к острой задней.
5 – й случай представлен чертежом с сечением профиля на рис. 3.16. Пограничный слой воздуха у активно машущего крыла всегда течёт по направлению от тупой передней кромки к заострённой задней. При этом пограничный слой воздуха в примыкающей спокойной среде получает движение со скоростью V.
3.3 – й ОРГАНИЗУЮЩИЙ ПРИНЦИП : Одним из главных средств современной аэро – гидродинамики в организации подъёмной или движущей силы является целесообразное нарушение симметрии встречного потока в профильном его сечении с помощью обтекаемых твёрдых тел.
3.4 Организация эффектов устойчивости и геометрической
образности струй.
Пограничный слой, обтекающий твёрдое тело, состоит из струй. Было подмечено, что если течение проходит устойчиво, то визуально удаётся наблюдать чёткий геометрический образ той или иной формы струи. Если имеет место хаотичное турбулентное движение и чёткого образа струй выделить с помощью известных средств не удаётся это значит, что течение происходит при неблагоприятных условиях, не позволяющих самоорганизации струй. Неустойчивое течение может иметь пульсирующий характер свидетельствующий о срывах вихрей. Причём регулярное образование чередуется сколь угодно долго, а образ сохраняется, - это значит, что образуются вихри определённого рода – дискретные. Особая форма существования переменного тока газообразной или жидкой среды.
Чтобы уверенно отличать струи перманентные постоянного тока от струи переменного дискретного тока поставим несколько простых лабораторных опытов отличающихся наглядностью.
1 –й Лабораторный опыт.
Увеличение дальнобойности струи с помощью специального профиля насадка.
Рис. 3.17 Схема специального насадка.
Выходное отверстие насадка в сечении А-А имеет вид падающей капли жидкости перевёрнутой на 180˚.
Известно, что в узком сечении насадка скорость потока живой струи будет больше, чем в широком. Значит скорость V получит приращение (V+ΔV). Это обстоятельство, казалось бы, должно способствовать образованию поверхности разрыва, но вмешивается гравитация. Так как при большей скорости упругость струи выше, то нижние слои будут как бы поддерживать верхние, препятствуя воздействию гравитации. Струя становится устойчивой к распаду и дальнобойность её значительно увеличивается. Таким образом, весь секрет заключается в сечении насадка и его ориентации. Попробуйте переориентировать насадок в сечении остриём кверху, картина резко измениться в худшую сторону.
Рис. 3.18 Генератор самовозбуждающейся вихревой струи: 1 – резервуар; 2 – налитая в резервуар жидкость; 3 – разделительная решётка; 4 – гибкий шланг; 5 – истекающая струя; r – радиус изгиба.
Известно, что при значительной скорости истечения, жидкая струя проявляет свойства квазитвёрдого тела.
Если жидкость из сосуда (см. рис. 3.18) выпускать через прямой патрубок в виде отрезка гибкого рукава, закрутки потока струи не наблюдается. Теперь, прежде чем выпускать жидкость из сосуда, изогнём плавно шланг под углом. В этом случае картина истечения начнёт меняться. Для компенсации разности скоростей внутри живой струи при прохождении искривлённого участка, поток должен закрутиться. Закрутку облегчает разделительная решётка. Она разделяет весь поток по сечению на отдельные шнуры, которые затем скрутятся в жгут. Именно, скрученной по винтовой, шнурам легче скользить относительно друг друга на изгибе. Сама тенденция к скольжению возникает из – за разности проходимых путей: для внутренних шнуров, находящихся ближе к центру радиуса r изгиба шланга путь короче, для наружных этот путь оказывается длиннее. Разность в относительных скоростях движения способствует образованию поверхностей разрыва.
Аналогом для модели истечения могут служить, например проволочный канат или многожильный электропровод. Количество прядей может быть различным. В истекающей живой струе количество шнуров задают числом отверстий в разделительной решётке.
3– й Лабораторный опыт. Наблюдение аэродинамического следа за работающим гидровинтом.
Следует заметить, что чёткий вихревой портрет за винтом можно получить при условии, если винт работает на расчётном (наиболее эффективном режиме), а среда получает аэрозольную подкраску.
Рис. 3.19 Строение гидродинамического следа за работающим гребным винтом. Стрелками показано направление вращения шнуров. Цифрами обозначены лопасти и отходящие от них шнуры «живых» струй.
По рисунку видно как винтообразные шнуры тугих струй закручены вокруг центрального прямого шнура. Вместе они образуют устойчивый вихрь стянутый в жгут. Причём количество шнуров, образующих жгут соответствует количеству лопастей винта. Все шнуры, взятые к рассмотрению в отдельности, представляют собою вихревые струи. Непосредственно за винтом поперечное сечение жгута сужается, а дальше происходит постепенное расширение и впоследствии размывание геометрически правильной формы.
3.4 – й ОРГАНИЗУЮЩИЙ ПРИНЦИП: Устойчивый гидродинамический след имеет чёткий геометрический образ.
4 – й Лабораторный опыт. Демонстрация получения кольцевого дискретного вихря.
Известно, что для воспроизведения и демонстрации кольцевого вихря впервые был использован так называемый «аппарат Тэта». В нашем опыте можно воспользоваться резервуаром, применявшимся во 2 – м лабораторном опыте. На резервуар с круглым отверстием или, как в нашем случае, с коротким патрубком и диафрагмой на дне, натянем на горловину и закрепим эластичную плёночную мембрану. Форма камеры резервуара не играет решающей роли.
Рис. 3.18 Генератор самовозбуждающейся вихревой струи: 1 – резервуар; 2 – налитая в резервуар жидкость; 3 – разделительная решётка; 4 – гибкий шланг; 5 – истекающая струя; r – радиус изгиба.
Известно, что при значительной скорости истечения, жидкая струя проявляет свойства квазитвёрдого тела.
Если жидкость из сосуда (см. рис. 3.18) выпускать через прямой патрубок в виде отрезка гибкого рукава, закрутки потока струи не наблюдается. Теперь, прежде чем выпускать жидкость из сосуда, изогнём плавно шланг под углом. В этом случае картина истечения начнёт меняться. Для компенсации разности скоростей внутри живой струи при прохождении искривлённого участка, поток должен закрутиться. Закрутку облегчает разделительная решётка. Она разделяет весь поток по сечению на отдельные шнуры, которые затем скрутятся в жгут. Именно, скрученной по винтовой, шнурам легче скользить относительно друг друга на изгибе. Сама тенденция к скольжению возникает из – за разности проходимых путей: для внутренних шнуров, находящихся ближе к центру радиуса r изгиба шланга путь короче, для наружных этот путь оказывается длиннее. Разность в относительных скоростях движения способствует образованию поверхностей разрыва.
