Контроль пограничного слоя

Управление пограничным слоем относится к методам управления поведением потока жидкости пограничных слоев .

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

Ламинарный поток вызывает меньше поверхностного трения, чем турбулентный, но турбулентный пограничный слой лучше передает тепло. Турбулентные пограничные слои более устойчивы к отрыву.

Возможно, потребуется увеличить энергию в пограничном слое, чтобы он оставался прикрепленным к своей поверхности. Свежий воздух можно подавать через щели или подмешивать сверху. Слой с низким импульсом на поверхности может быть высосан через перфорированную поверхность или стравлен, когда он находится в канале высокого давления. Его можно полностью удалить с помощью переключателя или внутреннего дренажного канала. Его энергию можно увеличить по сравнению с энергией набегающего потока за счет введения высокоскоростного воздуха.

Природа

Британский зоолог сэр Джеймс Грей заявил, что у дельфинов, по-видимому, есть турбулентный пограничный слой, который снижает вероятность разделения и минимизирует сопротивление, и что механизмы поддержания ламинарного пограничного слоя для уменьшения трения кожи у дельфинов не были продемонстрированы. Это стало известно как парадокс Грея . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Крылья птиц имеют переднюю кромку, называемую Alula , которая задерживает сваливание крыла на низких скоростях аналогично предкрылку на крыле самолета. ^{[ 3 ]}

Тонкие перепончатые крылья, обнаруженные у летучих мышей и насекомых, имеют особенности, которые, по-видимому, вызывают благоприятную шероховатость соответствующих чисел Рейнольдса, тем самым позволяя этим существам летать лучше, чем это было бы в противном случае. ^{[ 4 ]}

Спорт

Мячам могут быть приданы элементы, которые делают поверхность шероховатой и увеличивают дальность удара или броска. Шероховатость приводит к тому, что пограничный слой становится турбулентным и остается прикрепленным дальше сзади, прежде чем оторваться с меньшим следом, чем это было бы в противном случае. По мячам можно ударять разными способами, чтобы придать им вращение и заставить их следовать по изогнутой траектории. Вращение приводит к смещению разделения пограничного слоя в одну сторону, что создает боковую силу.

Контроль BL (придание шероховатости) был применен к мячам для гольфа в 19 веке. Швы на мячах для крикета и бейсбола действуют как структура управления пограничным слоем. ^{[ 5 ]}

На цилиндре

В случае обтекания цилиндра набегающим потоком можно использовать три метода для контроля отрыва пограничного слоя , который происходит из-за неблагоприятного градиента давления. ^{[ 6 ]} Вращение цилиндра позволяет уменьшить или устранить пограничный слой, образующийся на стороне, движущейся в том же направлении, что и набегающий поток. На стороне, движущейся против потока, также наблюдается лишь частичный отрыв пограничного слоя. Всасывание, применяемое через щель в цилиндре рядом с точкой разделения, также может задержать начало разделения за счет удаления частиц жидкости, которые замедлились в пограничном слое. Альтернативно, жидкость может выдуваться из обтекаемой щели, так что замедленная жидкость ускоряется и, таким образом, точка разделения задерживается.

Поддержание ламинарного пограничного слоя на самолетах

Аэродинамические профили с ламинарным потоком были разработаны в 1930-х годах путем придания формы таким образом, чтобы поддерживать благоприятный градиент давления и предотвращать их турбулентность. Их результаты в аэродинамической трубе с низким сопротивлением привели к тому, что их стали использовать на таких самолетах, как P-51 и B-24, но для поддержания ламинарного потока требовался низкий уровень шероховатости и волнистости поверхности, который обычно не встречается в эксплуатации. ^{[ 7 ]} Сила ^{[ 8 ]} утверждает, что испытания профиля P-51, проведенные в высокоскоростной аэродинамической трубе DVL в Берлине, показали, что эффект ламинарного потока полностью исчез при реальных числах Рейнольдса в полете . Реализация ламинарного потока в приложениях с высокими числами Рейнольдса обычно требует очень гладких поверхностей без волн, которые может быть сложно производить и обслуживать. ^{[ 7 ]}

Поддержание ламинарного потока путем контроля распределения давления на аэродинамическом профиле называется Естественный ламинарный поток (NLF) ^{[ 7 ]} и с большим успехом была достигнута конструкторами планеров. ^{[ 9 ]}

На стреловидных крыльях благоприятный градиент давления становится дестабилизирующим из-за поперечного потока, и для управления поперечным потоком необходимо всасывание. ^{[ 10 ]} Дополнение эффекта формирования профиля профиля отсасыванием пограничного слоя известно как управление ламинарным потоком (LFC). ^{[ 7 ]}

Конкретный метод управления, необходимый для ламинарного управления, зависит от числа Рейнольдса и стреловидности передней кромки крыла. ^{[ 11 ]} Гибридное управление ламинарным потоком (HLFC) ^{[ 7 ]} относится к технологии стреловидного крыла, в которой LFC применяется только к передней кромке стреловидного крыла, а NLF позади нее. ^{[ 12 ]} Мероприятия, спонсируемые НАСА, включают NLF на гондолах двигателей и HLFC на верхних поверхностях крыла, а также на горизонтальных и вертикальных поверхностях хвостового оперения. ^{[ 13 ]}

Проектирование самолетов

В авиационной технике управление пограничным слоем может использоваться для уменьшения паразитного сопротивления и увеличения полезного угла атаки . Воздухозаборники двигателей, установленные на фюзеляже, иногда оснащаются разделительной пластиной .

В 1920-х и 1930-х годах в Aerodynamische Versuchsanstalt в Геттингене было проведено много исследований для изучения повышения подъемной силы аэродинамических крыльев за счет всасывания . ^{[ нужна ссылка ]}

Примером самолета с активным контролем пограничного слоя является японский гидросамолет ShinMaywa US-1 . ^{[ 14 ]} Этот большой четырехмоторный самолет использовался для противолодочной борьбы (ПЛО) и поисково-спасательных операций (SAR). Он был способен работать в режиме короткого взлета и посадки и на очень низких скоростях полета. Его замена в роли спасателя, ShinMaywa US-2 , использует аналогичную систему, способную летать со скоростью 50 узлов. ^{[ 15 ]} Эта функция также используется в самолете Boeing 787-9 Dreamliner.

См. также

Ссылки

^ Фиш, Фрэнк Э. (июль 2006 г.). «Миф и реальность парадокса Грея: значение уменьшения сопротивления дельфинов для технологий». Биоинспирация и биомиметика . {{cite journal}}: CS1 maint: год ( ссылка )
^ Цитирование Фрэнк Э. Фиш; МОРСКАЯ СВИНКА ДЛЯ ВЛАСТИ. J Exp Biol, 15 марта 2005 г.; 208 (6): 977–978. два : 10.1242/jeb.01513
^ «ARDEOLA: Официальный научный журнал SEO/BirdLife» (PDF) .
^ «Дизайн самолета» Стинтон Дэррол, BSP Professional Books, Оксфорд, 1989, ISBN 0-632-01877-1 , стр.97
^ «Вращающийся полет» Лоренц Ральф Д. Спрингер Science+Business Media, LLC, 2006 г., ISBN 0-387-30779-6 , стр.33
^ «Теория пограничного слоя» Шлихтинг Клаус, Герстен, Э. Краузе, Х. Младший Эртель, К. Мэйес, 8-е издание Springer, 2004 г. ISBN 3-540-66270-7
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и «Понимание аэродинамики на основе реальной физики» Маклин Дуг, John Wiley & Sons Ltd., Чичестер, ISBN 978-1-119-96751-4 , стр.339
^ «АБЛ» . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 13 января 2016 г.
^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 сентября 2012 г. Проверено 13 января 2016 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
^ Бушнелл, DM; Таттл, Миннесота (сентябрь 1979 г.). «Обзор и библиография по достижению управления ламинарным потоком воздуха с использованием градиента давления и всасывания, том 1» (PDF) . Технический отчет NASA Sti/Recon N. 79 : 33438. Бибкод : 1979STIN...7933438B .
^ http://goldfinger.utias.utoronto.ca/IWACC2/IWACC2/Program_files/Collier_2.pdf, слайд 12.
^ «HondaJet Elite: ламинарный пограничный слой на самолете» . Сети FBO, наземное обслуживание, планирование поездки, авиационное топливо премиум-класса . Проверено 7 марта 2023 г.
^ http://goldfinger.utias.utoronto.ca/IWACC2/IWACC2/Program_files/Collier_2.pdf , слайд 5.
^ Рекламный видеоролик ShinMaywa, ок. 1980 год
↑ Пояснения и данные на сайте ShinMaywa, получены 12 декабря 2020 г.

[1] Фиш, Фрэнк Э. (июль 2006 г.). «Миф и реальность парадокса Грея: значение уменьшения сопротивления дельфинов для технологий». Биоинспирация и биомиметика . {{cite journal}}: CS1 maint: год ( ссылка )

[2] Цитирование Фрэнк Э. Фиш; МОРСКАЯ СВИНКА ДЛЯ ВЛАСТИ. J Exp Biol, 15 марта 2005 г.; 208 (6): 977–978. два : 10.1242/jeb.01513

[3] «ARDEOLA: Официальный научный журнал SEO/BirdLife» (PDF) .

[4] «Дизайн самолета» Стинтон Дэррол, BSP Professional Books, Оксфорд, 1989, ISBN 0-632-01877-1 , стр.97

[5] «Вращающийся полет» Лоренц Ральф Д. Спрингер Science+Business Media, LLC, 2006 г., ISBN 0-387-30779-6 , стр.33

[6] «Теория пограничного слоя» Шлихтинг Клаус, Герстен, Э. Краузе, Х. Младший Эртель, К. Мэйес, 8-е издание Springer, 2004 г. ISBN 3-540-66270-7

[mclean-7] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и «Понимание аэродинамики на основе реальной физики» Маклин Дуг, John Wiley & Sons Ltd., Чичестер, ISBN 978-1-119-96751-4 , стр.339

[8] «АБЛ» . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 13 января 2016 г.

[9] «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 сентября 2012 г. Проверено 13 января 2016 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )

[10] Бушнелл, DM; Таттл, Миннесота (сентябрь 1979 г.). «Обзор и библиография по достижению управления ламинарным потоком воздуха с использованием градиента давления и всасывания, том 1» (PDF) . Технический отчет NASA Sti/Recon N. 79 : 33438. Бибкод : 1979STIN...7933438B .

[11] ttp://goldfinger.utias.utoronto.ca/IWACC2/IWACC2/Program_files/Collier_2.pdf, слайд 12.

[12] «HondaJet Elite: ламинарный пограничный слой на самолете» . Сети FBO, наземное обслуживание, планирование поездки, авиационное топливо премиум-класса . Проверено 7 марта 2023 г.

[13] ttp://goldfinger.utias.utoronto.ca/IWACC2/IWACC2/Program_files/Collier_2.pdf , слайд 5.

[14] Рекламный видеоролик ShinMaywa, ок. 1980 год

[15] Пояснения и данные на сайте ShinMaywa, получены 12 декабря 2020 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]