Эффект бугорка - Tubercle effect

Бугорковая модель ласта горбатого кита
Бугорки на плавнике горбатого кита.

В эффект бугорка это явление, когда бугорки или большие шишки на передний край из профиль может улучшить его аэродинамика. Эффект, хотя и обнаруженный, был тщательно проанализирован Фрэнком Э. Фишем и др. В начале 2000 года.[1][2][сомнительный – обсудить][нужна цитата ] Эффект бугорка работает, направляя поток через аэродинамический профиль в более узкие потоки, создавая более высокие скорости. Другой побочный эффект этих каналов - уменьшение потока, движущегося через кончик крыла и в результате меньше паразитическое сопротивление из-за концевые вихри. С помощью вычислительное моделирование было определено, что наличие бугорков приводит к задержке угла атаки до срыва, тем самым увеличивая максимальное лифт и уменьшение тянуть.[1] Рыба впервые обнаружена[2][нужна цитата ] этот эффект при взгляде на плавники горбатые киты. Эти киты - единственные известные организмы, которые используют эффект бугорка. Считается, что этот эффект позволяет им быть гораздо более маневренными в воде, что облегчает захват добычи. Бугорки на их плавники позволяют им совершать водные маневры, чтобы поймать добычу.[1]

Крошечные крючки на переднем крае сова Крыло имеет аналогичный эффект, что способствует его аэродинамической маневренности и незаметности.[3][4]

Наука за эффектом

Эффект бугорка - это явление, при котором бугорки, или большие выпуклости на передний край крыла, лопасти или паруса улучшают его аэродинамические или гидродинамические характеристики. Исследования по этой теме были вдохновлены работой морских биологов по поведению горбатых китов. Несмотря на свои большие размеры, эти киты подвижны и способны кувыркаться и петлять под водой.[5] Исследования горбатых китов показали, что присутствие этих бугорков на передней кромке китовых плавников уменьшилось. стойло и увеличился лифт, сокращая шум в почтовый киоск режим.[5] Эти положительные результаты побудили исследователей применить эти концепции к крыльям самолетов, а также к промышленным и ветряным турбинам.

Ранние исследования по этой теме были выполнены компанией Watts & Fish.[5] с последующими экспериментами как в водяной, так и в аэродинамической трубе. Watts & Fish определила, что наличие бугорков на передней кромке аэродинамического профиля увеличивает подъемную силу на 4,8%. Дальнейшие численные расчеты подтвердили этот результат и показали, что наличие бугорков может снизить эффект сопротивления на 40%.[5] Было обнаружено, что передние бугорки уменьшают точку максимального подъема и увеличивают область подъема после сваливания.[6] В режиме после сваливания у фольги с бугорками наблюдается постепенная потеря подъемной силы, в отличие от фольги без бугорков, у которой наблюдается внезапная потеря подъемной силы.[7] Показан пример крыла без выступов по сравнению с крылом с выступами.

Следует также учитывать геометрию бугорков, поскольку амплитуда и длина волны бугорков влияют на регулирование кровотока. Бугорки можно рассматривать как небольшие дельтовидные крылья с изогнутой вершиной, поскольку они создают вихрь на верхнем крае бугорка. Эти вихревые структуры вызывают отклонение воздушного потока вниз (поток вниз) над гребнями бугорков. Это отклонение вниз задерживает срыв на аэродинамическом профиле. Напротив, в желобах этих конструкций наблюдается чистое отклонение воздушного потока вверх (поток вверх). Локальный восходящий поток связан с более высокими углами атаки, что связано с увеличением подъемной силы, поскольку отрыв потока происходит в желобах и остается там.[7] Вихрь, создаваемый бугорком, задерживает отрыв потока к задней кромке крыла, уменьшая таким образом эффект сопротивления. Однако в воде из-за структуры гребня / желоба кавитация возможна и нежелательна. Кавитация возникает в областях с высокой скоростью потока и низким давлением, например, в желобе бугристой 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] Тем не менее, бугорки можно модифицировать, чтобы управлять местом кавитации.[7]

Влияние амплитуды бугорков оказывает более значительное влияние на производительность после срыва, чем длина волны.[5] Более высокая амплитуда бугорков была связана с более постепенным срывом и более высоким подъемом после сваливания, а также с более низким наклоном подъема до сваливания.[5] Длину волны и амплитуду можно оптимизировать для повышения производительности после срыва.[5]

Эксперименты по влиянию бугорков переднего края в основном сосредоточены на твердых телах, и необходимы дополнительные исследования, чтобы применить знания об эффекте бугорков в промышленности, авиации или энергетике.[5]

Биологические проявления бугорков

Бугорки - это материальное явление, которое встречается у многих организмов. Эти организмы включают горбатого кита, акулы-молоты, гребешки, и хондрихтианы, вымерший водный организм.[2]

Один из организмов, в котором выделяются бугорки, - это горбатый кит.[2][5][1] Бугорки у горбатых китов расположены на передней кромке ласт.[2][5] Бугорки позволяют очень крупным китам выполнять крутые повороты под водой и эффективно плавать;[5] Необходимая задача 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, потому что они структурны.[2]

У плода горбатого кита развиваются бугорки.[1] Обычно на каждом плавнике имеется 9-11 бугорков, размер которых уменьшается по мере приближения к кончику плавника.[1] Самые крупные бугорки - это первый и четвертый бугорки от лопатки кита.[1] Такое анатомическое строение характерно для крупных видов рыб, в первую очередь хищных на грудных плавниках.[1]

Современные приложения в промышленности

Бугорки переднего края появляются и появляются в производственной зоне. Характеристики ветряных турбин зависят от аэродинамики лопастей, где наблюдаются аналогичные характеристики потока (источник № 9). Современные турбины имеют скрученные лопасти для учета угла атаки при определенных 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 повышение энергоэффективности турбины, необходимо более глубоко исследовать влияние бугорков передней кромки.

Бугорки представляют собой био-вдохновленный дизайн, который предлагает коммерческую жизнеспособность при проектировании гидроциклов, самолетов, вентиляторов и ветряных мельниц. Управление пассивным потоком через бугорчатые конструкции имеет то преимущество, что устраняет сложные, дорогостоящие, требующие большого обслуживания тяжелые механизмы управления, одновременно улучшая характеристики подъема тел в воздухе и в воде.[1] Одна проблема, которая остается сегодня, - это разница в масштабе структуры и операций, которые использует каждая из этих биотехнологий. Внедряются новые методы для разработки методов задержки сваливания в приложениях потока. Например, реактивные самолеты с дефектами передней кромки могут нести большую полезную нагрузку на более высоких скоростях и на больших высотах.[1] что позволяет повысить экономическую эффективность в области авиации. Хотя эти эффекты обнаруживаются у многих водных животных и птиц, масштабирование этих конструкций до промышленного применения вызывает еще один ряд проблем, касающихся высоких нагрузок, связанных с оборудованием. В самолетах, например, конструкции гораздо более ограничены, чем сложная кинематика и структура суставов в крыльях птиц, которые обеспечивают маневренность при повороте.[1] Эта проблема может быть решена путем дальнейшего исследования совпадения размера и производительности между биологической структурой и инженерным приложением. При проектировании турбин также было замечено, что эффекты переднего фронта могут улучшить выработку электроэнергии до 20%.[1]

В области авиационной техники бугорки переднего края, расположенные на лопатках турбин, могут увеличить выработку энергии.[4][1] Было обнаружено, что лопасти с бугорками также эффективны при выработке мощности как при высоких, так и при низких скоростях ветра, а это означает, что при сравнении лопастей с гладкими передними кромками и лопастей с бугорками переднего края лопасти с бугорками переднего края продемонстрировали улучшенные характеристики. Полезность бугорка для повышения производительности инженерных систем напрямую связана с исследованием биологических структур.[5][1] Важно осознавать универсальность, которую создание дизайнов с биоулучшенными свойствами открывает для многих приложений потокового проектирования. По мере того, как эти конструкции становятся все более и более совершенными, применение биомиметрических технологий становится решающим для следующего развития высокопроизводительных машин и оборудования, поскольку с помощью этих методов разрабатываются различные методы повышения эффективности.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж г час я j k л м п о Fish, F.E .; Weber, P.W .; Мюррей, М. М .; Хоул, Л. Э. (2011). "Бугорки на ластах горбатых китов: применение биоинженерной технологии". Интегративная и сравнительная биология. 51 (1): 203–213. Дои:10.1093 / icb / icr016. PMID  21576119.
  2. ^ а б c d е ж г час Fish, F.e .; Лаудер, Г. (2005-12-16). «Пассивное и активное управление потоком плавающих рыб и млекопитающих». Ежегодный обзор гидромеханики. 38 (1): 193–224. Дои:10.1146 / annurev.fluid.38.050304.092201. ISSN  0066-4189.
  3. ^ Watts, P .; Во-первых, Ф. «Влияние пассивных передних бугорков на характеристики крыльев» (PDF).
  4. ^ а б Блейн, Л. (март 2008 г.). «Неровные китовые плавники произведут революцию в аэродинамике». NewAtlas.com.
  5. ^ а б c d е ж г час я j k л м Ng, BF; Новый, TH; Паласиос, Р. (2016-04-12). «Влияние бугорков передней кромки на скорость флаттера крыла». Биоинспирация и биомиметика. 11 (3): 036003. Дои:10.1088/1748-3190/11/3/036003. HDL:10044/1/30940. ISSN  1748-3190. PMID  27070824.
  6. ^ Чжао, Мин (2017). «Численное моделирование характеристик потока, лежащих в основе аэродинамических характеристик крылового профиля с выступами на передней кромке». Технические приложения вычислительной механики жидкости. 11: 193–209. Дои:10.1080/19942060.2016.1277165.
  7. ^ а б c d Вебер, Пол (2011). «Подъем, лобовое сопротивление и начало кавитации на рулях с передними бугорками». Новости морских технологий и Sname. 47: 27–36.

внешние ссылки