Эффект бугорка
 | Эта статья может чрезмерно полагаться на источники, слишком тесно связанные с предметом , что потенциально препятствует тому, чтобы статья была проверяемой и нейтральной . ( сентябрь 2017 г. ) |
 | Эта статья может придать ненужный вес работе конкретного автора. Этот эффект был хорошо известен еще до того, как Fish et al. проанализировал его. . ( сентябрь 2017 г. ) |
Эффект бугорка — это явление, при котором бугорки или большие «выпуклости» на передней кромке аэродинамического профиля могут улучшить его аэродинамику . Эффект, хотя и уже обнаруженный, был тщательно проанализирован Фрэнком Э. Фишем и др. в начале 2000 года. [ 1 ] [ 2 ] [ сомнительно – обсудить ] [ нужна ссылка ] Эффект бугорка работает путем направления потока по аэродинамическому профилю в более узкие потоки , создавая более высокие скорости. Другим побочным эффектом этих каналов является уменьшение потока, проходящего через законцовку крыла , что приводит к уменьшению паразитного сопротивления из-за вихрей на законцовках крыла . С помощью компьютерного моделирования было определено, что наличие бугорков приводит к задержке угла атаки до момента сваливания, тем самым увеличивая максимальную подъемную силу и уменьшая сопротивление . [ 1 ] Рыба впервые обнаружена [ 2 ] [ нужна ссылка ] такой эффект при взгляде на плавники горбатых китов . Эти киты — единственные известные организмы, использующие эффект бугорка. Считается, что этот эффект позволяет им быть гораздо более маневренными в воде, что позволяет легче ловить добычу. Бугорки на плавниках позволяют им совершать водные маневры, чтобы поймать добычу. [ 1 ]
Крошечные крючки на переднем крае крыла совы имеют аналогичный эффект, который способствует ее аэродинамической маневренности и скрытности. [ 3 ] [ 4 ]
Наука, стоящая за эффектом
[ редактировать ]Эффект бугорка — это явление, при котором бугорки или большие выпуклости на передней кромке крыла, лопасти или паруса улучшают его аэродинамические или гидродинамические характеристики. Исследования на эту тему были вдохновлены работами морских биологов о поведении горбатых китов. Несмотря на свои большие размеры, эти киты подвижны и способны выполнять перекаты и петли под водой. [ 5 ] Исследования на горбатых китах показали, что наличие этих бугорков на передней кромке плавников кита снижает сваливание и увеличивает подъемную силу , одновременно снижая шум в послесвалочном режиме. [ 5 ] Эти положительные результаты побудили исследователей применить эти концепции к крыльям самолетов, а также к промышленным и ветряным турбинам.
Раннее исследование по этой теме было проведено Watts & Fish. [ 5 ] за которыми последовали дальнейшие эксперименты как в водной, так и в аэродинамической трубе. Уоттс и Фиш определили, что наличие бугорков на передней кромке профиля увеличивает подъемную силу на 4,8%. Дальнейшие численные расчеты подтвердили этот результат и показали, что наличие бугорков может уменьшить влияние сопротивления на 40%. [ 5 ] Было обнаружено, что бугорки на передней кромке уменьшают точку максимальной подъемной силы и увеличивают область подъемной силы после сваливания. [ 6 ] В режиме после сваливания у крыльев с буграми наблюдалась постепенная потеря подъемной силы, в отличие от крыльев без бугорков, у которых наблюдалась внезапная потеря подъемной силы. [ 7 ] Показан пример крыла без выступов в сравнении с крылом с выступами.
Также необходимо учитывать геометрию бугорков, поскольку амплитуда и длина волны бугорков влияют на контроль потока. Бугорки можно представить как небольшие дельтавидные крылья с изогнутой вершиной, поскольку они создают завихрение на верхнем крае бугорка. Эти вихревые структуры вызывают отклонение воздушного потока вниз (нисходящий поток) над гребнями бугорков. Это отклонение вниз задерживает сваливание профиля. Напротив, в желобах этих сооружений наблюдается чистое отклонение воздушного потока вверх (восходящий поток). Локализованный восходящий поток связан с более высокими углами атаки, что связано с увеличением подъемной силы, поскольку отрыв потока происходит во впадинах и остается там. [ 7 ] Вихрь, создаваемый бугорком, задерживает отрыв потока к задней кромке крыла, тем самым уменьшая влияние сопротивления. Однако в воде из-за гребнево-впадинной структуры возможна и нежелательна кавитация. Кавитация возникает в областях с высокой скоростью потока и низким давлением, например, во впадине бугорчатой структуры. В воде на верхней стороне бугорка образуются пузырьки воздуха или карманы. Эти пузырьки уменьшают подъемную силу и увеличивают сопротивление, одновременно увеличивая шум потока, когда пузырьки схлопываются. [ 7 ] Однако бугорки можно модифицировать, чтобы манипулировать расположением кавитации. [ 7 ]
Влияние амплитуды бугорков оказывает более существенное влияние на работоспособность после срыва, чем длина волны. [ 5 ] Более высокая амплитуда бугорков связана с более постепенным сваливанием и более высокой подъемной силой после сваливания, а также с меньшим наклоном подъемной силы перед сваливанием. [ 5 ] Длина волны и амплитуда могут быть оптимизированы для повышения производительности после срыва. [ 5 ]
Эксперименты по изучению эффектов бугорков на переднем крае в основном сосредоточены на твердых телах, и необходимы дополнительные исследования, чтобы применить знания о эффекте бугорков в промышленности, авиации или энергетике. [ 5 ]
Биологические проявления бугорков
[ редактировать ]Туберкулы — это материальное явление, которое встречается у многих организмов. К этим организмам относятся горбатый кит, акулы-молоты , морские гребешки и хондрихтианы , вымерший водный организм. [ 2 ]
Одним из организмов, у которого примечательны бугорки, является горбатый кит. [ 2 ] [ 5 ] [ 1 ] Бугорки у горбатых китов расположены на передней кромке ласт. [ 2 ] [ 5 ] Бугорки позволяют очень крупным китам совершать крутые повороты под водой и эффективно плавать; [ 5 ] задача, необходимая для кормления горбатых китов. [ 2 ] Бугорки на ластах помогают поддерживать подъемную силу, предотвращая сваливание и уменьшая коэффициент лобового сопротивления при поворотах. [ 2 ] Бугорки горбатого кита считаются пассивным регулятором потока, поскольку они являются структурными. [ 2 ]
У плода горбатого кита развиваются бугорки. [ 1 ] Обычно на каждом ласте имеется 9–11 бугорков, которые уменьшаются в размере по мере приближения к кончику ласта. [ 1 ] Самые крупные бугорки — первый и четвертый бугорки от плеча кита. [ 1 ] Такое анатомическое строение характерно для крупных видов рыб, прежде всего хищных видов, на грудных плавниках. [ 1 ]
Современные применения в промышленности
[ редактировать ]В производственной сфере появляются передовые бугорки. Характеристики ветряных турбин зависят от аэродинамики лопастей, где наблюдаются аналогичные характеристики потока (источник № 9). Современные турбины имеют закрученные лопасти для учета угла атаки в конкретных расчетных условиях. Однако на практике турбины часто работают в нерасчетных условиях, когда происходит остановка, что приводит к снижению производительности и эффективности. [ 1 ] [ 5 ] Чтобы найти возможное улучшение энергоэффективности турбины , необходимо более глубоко изучить влияние бугорков передней кромки.
Tubercles представляют собой био-дизайн, который обеспечивает коммерческую жизнеспособность при проектировании гидроциклов, самолетов, вентиляторов и ветряных мельниц. Преимущество управления пассивным потоком посредством конструкции бугорков заключается в устранении сложных, дорогостоящих и тяжелых механизмов управления, требующих особого обслуживания, а также улучшении характеристик подъема тел в воздухе и воде. [ 1 ] Одна из проблем, которая остается сегодня, — это разница в масштабах структуры и действия, которые использует каждая из этих биотехнологий. Внедряются новые методы для разработки методов задержки остановки в приложениях с потоками. Например, реактивные самолеты с дефектами передней кромки могут нести большую полезную нагрузку на более высоких скоростях и высотах. [ 1 ] что позволит повысить экономическую эффективность в авиационной сфере. Хотя эти эффекты наблюдаются у многих водных животных и птиц, масштабирование этих конструкций до промышленного применения ставит еще один ряд проблем, связанных с высокими нагрузками, связанными с оборудованием. Например, в самолетах конструкция гораздо более ограничена, чем сложная кинематика и структура суставов крыльев птиц, обеспечивающих маневренный поворот. [ 1 ] Эту проблему можно решить путем дальнейших исследований совпадения размера и производительности между биологической структурой и инженерным применением. При проектировании турбин также было замечено, что передние эффекты способны улучшить выработку электроэнергии до 20%. [ 1 ]
В области авиационной техники бугорки на передней кромке лопаток турбин могут увеличить выработку энергии. [ 4 ] [ 1 ] Также было обнаружено, что лопасти с бугорками эффективны при выработке энергии как при высоких, так и при низких скоростях ветра. Это означает, что по сравнению с лопастями с гладкими передними кромками и лопастями с бугорками на передней кромке, лопасти с бугорками на передней кромке продемонстрировали улучшенные характеристики. Полезность бугорка для повышения производительности инженерных систем напрямую связана с изучением биологических структур. [ 5 ] [ 1 ] Важно понимать, насколько многообещающим является создание конструкций с биоулучшенными свойствами для многих приложений проектирования потоков. Поскольку эти конструкции становятся все более и более совершенными, применение биомиметрических технологий становится решающим для следующей разработки высокопроизводительных машин и оборудования, поскольку с помощью этих методов разрабатываются различные методы повышения эффективности.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот Фиш, FE; Вебер, П.В.; Мюррей, ММ; Хоул, Ле (2011). «Бугорцы на ластах горбатых китов: применение биотехнологий» . Интегративная и сравнительная биология . 51 (1): 203–213. дои : 10.1093/icb/icr016 . ПМИД 21576119 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Рыба, Фе; Лаудер, Гв (16 декабря 2005 г.). «Пассивное и активное управление потоком плавающих рыб и млекопитающих». Ежегодный обзор механики жидкости . 38 (1): 193–224. doi : 10.1146/annurev.fluid.38.050304.092201 . ISSN 0066-4189 .
- ^ Уоттс, П.; Во-первых, FE «Влияние пассивных бугорков передней кромки на характеристики крыла» (PDF) .
- ^ Перейти обратно: а б Блейн, Л. (март 2008 г.). «Неровные китовые плавники вызовут революцию в аэродинамике» . NewAtlas.com .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м Нг, БФ; Новый, ТД; Паласиос, Р. (12 апреля 2016 г.). «Влияние бугорков передней кромки на скорость флаттера крыла» . Биоинспирация и биомиметика . 11 (3): 036003. Бибкод : 2016BiBi...11c6003N . дои : 10.1088/1748-3190/11/3/036003 . hdl : 10044/1/30940 . ISSN 1748-3190 . ПМИД 27070824 . S2CID 206102310 .
- ^ Чжао, Мин (2017). «Численное моделирование характеристик потока, определяющих аэродинамические характеристики крыла с выступами передней кромки» . Инженерные приложения вычислительной механики жидкости . 11 : 193–209. дои : 10.1080/19942060.2016.1277165 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Вебер, Пол (2011). «Подъём, сопротивление и возникновение кавитации на рулях направления с бугорками на передней кромке» . Морские технологии и новости SNAME . 47 : 27–36. дои : 10.5957/мцн.2010.47.1.27 .