ГлавнаяРегистрацияВход МАХОЛЁТ (ОРНИТОПТЕР) Понедельник, 15.10.2018, 21:12
  ГЛАВА III ЭФФЕКТЫ И ПРОЦЕССЫ В АЭРО – И ГИДРОСРЕДЕ (часть II) Приветствую Вас Гость | RSS

 
 

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.

После весьма сложной технической подготовки, интересно взглянуть на аэродинамический след образующийся за работающим гидровинтом, рис. 3.19. поток жидкости, проходящей через винт, закручивается в ту же сторону, в которую вращается винт. Винт увлекает поток за собой и отбрасывает с увеличенной скоростью назад.

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.

С целью получения видимого глазом вихря прозрачный воздух внутри резервуара можно подкрасить дымом сигареты. После подкрашивания воздуха производят энергичный удар по мембране. При ударе можно наблюдать стадии зарождения, развития и отделения кольцевого торообразного вихря. См. рис. 3.20.

Рис. 3.20 Схема получения кольцевого вихря: 1 – молоток для нанесения удара; 2 – мембрана; 3 – камера резервуара; 4 – отделившееся вихревое кольцо; 5 – диафрагма; V – скорость вылета кольцевого вихря.

Можно и вовсе отказаться от замкнутой камеры, сделав её проходной. Например, в бывшем СССР изобретателями В. Демидовым и В. Куликовым разработан новый способ формирования дымовых колец электрическим путём. Поставив в верхней части дымовой трубы камеру с внутренним кольцевым разрядником и наружными стержневыми электродами, изобретатели добились более высокого выброса дымовых колец газов без наращения трубы.(Ж. «Изобретатель и рационализатор» 1984/1 а.с.№1032284).

В том же 84 – м году появилось изобретение повышающее жизнестойкость дымовых колец. Труба подвергает дым магнитной обработке с целью повышения жизнестойкости колец дыма. (Ж. «Изобретатель и рационализатор» 1984/8 а.с.№1075058).

5 - й Лабораторный опыт. Перестройка струи при взаимодействии с преградой из твёрдого тела.

Этот опыт можно проделать в комнате, где имеется водопроводный кран. Опыт позволяет наблюдать, как помещённая на пути потока преграда деформирует этот поток. Можно наглядно увидеть наиболее целесообразные места и углы приложения сил давления на преграду. И, наконец, опыт позволяет обнаружить наиболее выгодную форму лопасти для взаимодействия с активной струёй, - это сечение конического овалоида. (Например, форму конического овалоида имеет куриное яйцо).

Если струя жидкости встречает плоскую преграду под углом, то она растекается в диск, причём радиальная скорость жидкости в диске по всем направлениям одинаковая. Однако толщина диска в различных частях разная. В направлении наименьшего искривления потока жидкости, толщина диска больше чем в других частях.

Рис. 3.21 а;б Встреча струи жидкости с плоской – а и с вогнутой – б преградой: 1 – текущая струя; 2 – преграда твёрдого тела; 3 – диск растекающейся струи;  φ – угол падающей на преграду струи.

 

Если заменить плоскую пластину с ручкой на вогнутую, например, можно взять суповую ложку, или, лучше, створку раковины пресноводного моллюска мидии, то можно обнаружить наличие фокуса у вогнутого тела. При направлении струи на фокус под разными углами можно визуально установить местоположение наиболее эффективной перестройки струи.

Уподобляя, вогнутую поверхность раковины вогнутой поверхности машущего крыла путём замеров находим, что фокус давления струи при перестройке лежит на 1/3 от корневой кромки.

Если растекание струи происходит без заметных потерь энергии и скорости, то должен быть также сохранён и импульс струи. Это значит, что количество движения у массы жидкости до подхода к преграде и после взаимодействия с преградой должно оставаться неизменным.

 

На основании заключения можно записать равенство:

mV0cosφ=mV0(1-a)-аmV0,

здесь m – масса жидкости, проходящая к преграде за любое заданное время, и V0 – её скорость; mV0cosφ – является так называемой горизонтальной составляющей количества движения струи.

Входящее в правую часть произведение mV0(1-а) является горизонтальной составляющей количества движения жидкости, уходящего вправо (см. рис. 3.21 б сеч А-А). Второй член даёт количество движения жидкости, идущей налево. Величина а указывает долю жидкости, уходящей «вспять» налево.

Из приведённого можно определить:

а=(1-cosφ)/2.

 

3.5 Вихреобразование в природе.

 

Вихревое движение распространено в природе. Об этом мы уже писали в первой главе третьем параграфе. Часто над поверхностью земли в атмосфере зарождаются винтовые вихри. Их принято называть разными синонимами: смерчами, циклонами, антициклонами. В зарождении гигантских атмосферных циклонов и антициклонов считают «повинно» движение земли.

Антициклоны зарождаются в области высокого давления, причём зимой, как правило, над сушей. В северном полушарии воздух в них вращается по часовой стрелке, постепенно распространяясь к областям более низкого давления, которые в это время года устанавливаются чаще всего над океанами. Антициклоны перемещаются с малыми скоростями и распространяются на расстояния в несколько тысяч километров.

Циклоны охватывают области с низким давлением. Воздух в них стремиться к центру по спирали. В северном полушарии циклоны вращаются против часовой стрелки, а в южном – наоборот.

Машущее крыло насекомого, летучей мыши, птицы можно рассматривать как природный генератор вихрей. Машущее крыло генерирует особый вид вихрей – дискретные вихри.

Ещё в 1942 г. в бывшем СССР В.В. Голубев доказывал, что за машущим крылом образуется вихревая дорожка с обратным расположением вихрей. Причём Голубев, очевидно, понимал это как плоский гидродинамический механизм.

Направление циркуляции этих вихрей таково, что они сообщают добавочную скорость в сторону, противоположную движению. Машущее крыло, таким образом, взаимодействует с регулярными вихрями. Причём, как мах вниз, так и мах вверх соответствует направлению движения против циркуляции. (См. рис 3.22).

Рис. 3.22 Аэродинамический след за машущим крылом: «Дорожка Голубева»

 

Основываясь на результатах новейших исследований проведённых в 80-е годы прошлого века можно утверждать, что аэродинамика машущего и неподвижного крыла – явления, в принципе отличающиеся друг от друга. Более того, принцип получения полезного эффекта у крупных летунов отличается от принципа мелких.

В 1980 году сотрудником группы биологической аэро и гидродинамики Института эволюционной морфологии и экологии животных им. А.Н. Северцова Академии наук СССР кандидату биологических наук Н. Кокшайскому и инженеру В. Петровскому, удалось сфотографировать след за летящей (мелкой) птицей и расшифровать его строение. («Социалистическая индустрия» №179(3370) за 7 августа 1980 г.)

Строение аэродинамического следа за летящим зябликом представлено на рис. 3.23.

Рис. 3.23. Объёмный аэродинамический след, остающийся за мелкой летящей птицей (зябликом).

 

На центральную струю как бы нанизаны «бублики» толстых кольцевых вихрей. Каждому из торообразных вихрей соответствует один взмах крыла. Причём возникают они при движении крыльев вниз. Поток между «бубликами» в шнуре не вращается а движется поступательно. По рисунку видно, что по мере удаления «хвоста» шнура от «бублика» поток ускоряется, это заметно по уменьшению сечения. Затем «бублик» засасывает шнур и наматывает на себя, постепенно разрастаясь, теряет скорость и исчезает.

Анализ направления потока в центральном шнуре и в вихревых токах позволяет утверждать, что здесь мы  имеем дело с высшей кинематической поступательно – вращательной парой взаимодействия. Короче, природная самоорганизация движения в аэродинамическом механизме с наименьшими энергозатратами. Аналогом явления может служить подшипник качения для возвратно – поступательной пары.

 

3.5 – й ОРГАНИЗУЮЩИЙ ПРИНЦИП: Поток, генерируемый летящей мелкой птицей, имеет форму синусоидально – изогнутого шнура с нанизанными на него торообразными вихрями.

3.6. – й ОРГАНИЗУЮЩИЙ ПРИНЦИП: интервал, или шаг между торами вихрей соответствует периоду полного цикла маха.

3.7 – й ОРГАНИЗУЮЩИЙ ПРИНЦИП: Торообразное вихреобразование сопутствует дискретным импульсным воздействиям на газовую или жидкую среду.

3.8 – й ОРГАНИЗУЮЩИЙ ПРИНЦИП: Торообразное вихреобразование размерами торов в свободной среде не регламентировано, а зависит от мощности импульса генератора. (См. гл.1.3).

К формулировке восьмого организующего принципа следует добавить. Ограничения могут носить физический характер, например, замедленный импульс воздействия, или ошибочная концепция в выборе конструктивного решения дискретного генератора вихрей, когда сама конструкция не в силах обеспечить необходимой быстроты и мощности импульса.

В связи с индустриализацией, промышленным и транспортным строительством обнаружили себя так называемые вихри Кармана.* Эти вихри образуются нередко при обдувании ветром сооружений построенных человеком. Нередко они были причиной разрушения мостов, линий электро – передач, мачт и т.п., чем и привлекли учёных к их изучению.

Рис. 3.24 Схема вихревой дорожки Кармана.

 

Область течения позади тела, в которой происходят изменения, обусловленные присутствием твёрдого тела, принято называть следом.

В качестве примера рассмотрим развитие процесса при обтекании потоком цилиндра. Так внутри области отрыва у кормовой части цилиндра (при 5<Re<50) устойчиво располагаются два слегка рыскающих вихря; за ними, вниз по течению, вихревой ламинарный след. Это вихри постоянного тока. Назовём их вихрями Рейнольдса, который впервые их демонстрировал.

При более высоких числах Re (60<Re<5000) волны в следе растут по амплитуде и свёртываются в дискретные вихри. Впервые вихри этого вида изучил Карман. В честь него это явление учёные назвали вихревой дорожкой Кармана. Оно характеризуется периодичностью образования вихрей с тем или иным ритмом. Карман теоретически показал, что картина расположения вихрей стабильна, если отношение поперечного расстояния между ними h к продольному расстоянию l (См. рис. 3.24) составляет h/l=0,28. (Имеется ввиду ближнее от цилиндра расстояние).

 

Особый интерес представляют изменения частоты срыва вихрей, которая может быть выражена в виде безразмерного параметра, называемого числом Струхаля:

St=nd/V0,

где n – частота срыва вихрей; d – диаметр цилиндра; V0 – скорость потока.

С ростом числа Рейнольдса частота срыва  вихрей возрастает до тех пор, пока при Re=103 не достигается St=0,21. При этом коэффициент лобового сопротивления Сд≈1,0 остаётся практически постоянным.

Нижняя граница диапазона периодических образований вихрей Re=50 соответствует верхней границе режима ползущего движения. Верхняя граница этого диапазона при Re=5000 соответствует условиям, когда прекращается ламинарное вихревое движение в следе и начинается турбулентное.

Важное значение для моделирования вихревых течений имеет один из критериев подобия неустановившихся движений жидкости – критерий Струхаля.

St=VT/l,

где V – характерная скорость, l – характерный линейный размер, а Т – характерный интервал времени (например, для периодических движений Т - период).

 

3.6 Поверхность разрыва и механизм вихреобразования.

 

Когда два течения с различными скоростями соединяются по тангенциальной составляющей, см. рис. 3.25, образуется поверхность разрыва.

Рис. 3.25 Схема соединения двух течений с различными скоростями: U1>U2.

На рисунке 3.26 а, б иллюстрируется последовательно: начальное возмущение (рис. 3.26а), а затем распад поверхности (рис. 3.26 б), и образование вихря.

Рис. 3.26 а, б Схема поверхности в момент начального возмущения и распада.

 

Частички среды, вклинивающиеся в область больших скоростей, увлекаются вперёд, а частички, попадающие в зону малых скоростей, движутся назад. Постепенно поверхность разрыва растягивается и разрывается. Образуются дискретные вихри, оси вращения которых параллельны поверхности разрыва и перпендикулярны скорости течения.

К настоящему времени хорошо изучен диффузорный характер течения. При таком характере течения вследствие увеличения давления за пределами пограничного слоя, частички в слое начинают двигаться в обратном направлении. Течение отрывается от поверхности – возникают вихри, см. рис. 3.27.

Рис. 3.27 Схема диффузорного течения с эпюрами скоростей на разных участках диффузора.

 

Для уменьшения сопротивления потоку в вихревой зоне есть путь для упорядочивания турбулентного истечения. Для этого нужно заранее сплошное диффузорное течение сделать пульсирующим. Пульсация может быть организована за счёт периодического уменьшения расхода путём сужения сопла, например, шибером, заслонкой, диафрагмой, ступеньками в самом диффузоре (эффект Редана) и т.п. Если параметры пульсатора будут выбраны правильно, вместо беспорядочного турбулентного вихреобразования в вихревой зоне мы будем получать, например, дискретные кольцевые вихри.

В подтверждение высказанной гипотезы, в процессе работы над рукописью, пришло сообщение, что учёные Московского авиационного института сделали научное открытие. Они обнаружили явление аномально высокого прироста реактивной силы, возникающее при определённых условиях – при эжектировании атмосферного воздуха пульсирующей активной струёй. Как сообщалось, в опытах получено дополнительно до 120…140% к исходной тяге. (Открытие №314 от 20 марта 1986г. Авторы: академик В. Челомей, доктор тех. наук О. Кудрин и А. Квасников. Газета «Социалистическая индустрия» от 21.03.86г.).

Открытие имеет большое научное и прикладное значение и, в частности, непосредственно для разработки машущего движителя.

Как мы уже убедились на приведённых ряде примеров вихревые явления могут быть причиной излишних затрат энергии, они же могут резко уменьшать эти затраты, но они же бывают и виновниками катастрофических разрушений, как, например, вихри Кармана. Так при изучении этих вихрей было установлено, что при числах Рейнольдса от 40 до 300 обтекающий цилиндрическое тело поток может вызвать автоколебания. При вхождении автоколебаний в резонанс нередко приводит к разрушению конструкции. Поэтому изучение вихревых явлений является архиважной, насущной проблемой. Для того чтобы пройти необходимую ступень в развитии мировой авиационной техники важно создание махолёта. Решение этой проблемы немыслимо без знаний закономерностей и механизма вихреобразования.

Вихревые явления математики относят к автоколебательным системам. Для исследования автоколебательных систем используется понятие о фазовой плоскости – плоскости переменных Х и V=X*. Каждому мгновенному состоянию системы, характеризуемому величинами X и V, на фазовой плоскости соответствует одна точка, называемая фазовой или изображающей точкой, рис. 3.28 а и б.

Рис. 3.28 а – фазовая траектория с устойчивым фокусом; б – фазовая траектория с неустойчивым фокусом.

 

Изменение состояния системы отображается траекторией фазовой точки в фазовом пространстве (фазовая траектория). Фазовое пространство является геометрической схемой, с помощью которой законы изменения состояния системы могут быть сформулированы на геометрическом языке.

Особая точка, через которую не проходит ни одна из фазовых траекторий, имеющих вид спиралей, называется фокусом. Причём в первом случае, рис 3.28а равновесие устойчиво, а во втором - рис. 3.28б – равновесие неустойчиво.

При неустойчивом равновесии вихрь как бы наматывает на себя окружающую жидкость и увеличивает при своём вращении свою массу и размеры. В конце концов вихрь приобретает такие размеры, при которых он перестаёт быть устойчивым.

При устойчиво равновесном вихре энергозатраты минимальны.

 

3.9 – й ОРГАНИЗУЮЩИЙ ПРИНЦИП: независимо от типа и формы, крыло должно генерировать устойчиво равновесные вихри в сплошной окружающей среде.

 

3.7 Классификация геометрических образов вихрей.

 

В процессе экспертных исследований было выявлено, что всё многообразие вихрей можно разложить на две группы: это формы постоянного тока и формы существования переменного тока.

Далее было установлено, что вихри можно классифицировать по родам, семействам, классам, видам и подвидам, т.е. набор признаков на перечисленные систематические категории у объектов классификации наличествуют.

После инвентаризации известных своей практической полезностью (применимостью) вихрей были разработаны критерии классификации. Классификация называется синергетической, т.к. опорные посылки на предмет существования того или иного образа исходят из логики самоорганизации.

 

3.7.1 Статистика плоских вихрей постоянного тока I рода

Рис. 3.29 а, б. Плоская спираль: а – устойчивый, однорукавный, одиночный вихрь левого вращения (Архимедова спираль); б – шесть монообразов, подвиды 1–го вида устойчивых многорукавных вихрей левого вращения. Разнообразие вида укладывается в два семейства и четыре класса.

 

 
Форма входа

Календарь новостей
«  Октябрь 2018  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031

Мини-чат

Наш опрос
Оцените мой сайт
Всего ответов: 39

Поиск

Друзья сайта



----------------- SEO services - site-submit.com.ua $$$ для web-мастеров

Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
 

© Zemlyanov.kz
Сайт управляется системой uCoz