способ снижения аэродинамического шума (варианты) и малошумный элемент конструкции для работы в потоке текучей среды

область техники

изобретение относится к области аэрогидродинамики и, в частности, к способам улучшения аэроакустических характеристик устройства путем воздействия на поток текучей среды, обтекающий поверхность элементов конструкции. изобретение может найти применение при разработке и изготовлении малошумных элементов конструкции самолетов (например, стоек и колес шасси, стоек направляющего аппарата двигателя), судов и автомобилей (например, кузовов и антенн), теплообменников энергостанций, распорок вентиляторов.

предшествующий уровень техники

известны способы снижения аэродинамического шума, создаваемого потоком текучей среды, обтекающим элементы конструкции устройства (например, самолета), путем отклонения набегающего потока от тех элементов конструкции, обтекание которых приводит к генерации аэродинамического шума [1-4].

так, в [1] предлагается малошумный обтекатель, который закрывает область шарнирного соединения распорки и стойки шасси. в [2] в качестве устройства, отклоняющего поток в сторону от шасси, предлагается щелевое сопло, которое должно создавать воздушный экран перед шасси самолета. эта же идея, реализованная с помощью жесткой поверхности, отклоняющейся в полете и препятствующей обтеканию шасси, используется в [3]. в [4] в качестве элементов, снижающих шум шасси, предлагаются частично перфорированные поверхности, отклоняющие поток воздуха в области стойки и колес шасси.

основным недостатком технических решений [1-4] является значительное изменение характера обтекания устройства в целом, что может привести к ухудшению его аэродинамики. кроме того, использование дополнительных элементов, отклоняющих поток, сопряжено с увеличением веса устройства, усложнением его конструкции, эксплуатации и ремонта, и, как следствие, ведет к увеличению стоимости и эксплуатационных расходов.

известны способы улучшения аэродинамики потока текучей среды вблизи плоской поверхности, предполагающие изменение микроструктуры поверхности [5, 6]. однако эти способы неприменимы к элементам конструкции криволинейной, например цилиндрической формы, обтекание которых носит отрывной характер и которые являются источником аэродинамического шума во многих устройствах.

известен способ снижения аэродинамического шума, создаваемого потоком текучей среды при обтекании им элемента конструкции (закрылка самолета), при котором снижение аэродинамического шума достигается путем изменения кривизны поверхности элемента [7]. согласно способу [7], уровень шума, создаваемого потоком, обтекающим элемент конструкции (закрылок), снижают путем изменения кривизны его поверхности с образованием зоны гладкой криволинейной сплошной закругленной поверхности на его боковой грани, первоначально имеющей плоскую поверхность. при этом снижение шума достигается благодаря уменьшению интенсивности вторичных вихрей и устранению турбулентности в потоке, примыкающем к образованной зоне.

способ [7] выбран в качестве прототипа предлагаемого способа.

в том же источнике [7] описан элемент конструкции (закрылок крыла самолета), выполненный в соответствии со способом-прототипом и

обеспечивающий пониженный уровень аэродинамического шума при работе в потоке текучей среды. этот элемент конструкции выбран в качестве устройства - прототипа предлагаемого малошумного элемента конструкции.

элемент конструкции [7] содержит верхнюю, нижнюю и боковую поверхности, обтекаемые потоком текучей среды . в устройстве-прототипе снижение аэродинамического шума, генерируемого потоком текучей среды при обтекании им элемента конструкции, достигается выполнением на боковой поверхности элемента зоны гладкой криволинейной сплошной закругленной поверхности. при этом уменьшается интенсивность вторичных вихрей и устраняется турбулентность в потоке, примыкающем к образованной зоне.

недостаток способа и элемента конструкции, известных из [7] - неэффективность по отношению к аэродинамическому шуму, генерируемому при отрыве потока текучей среды от криволинейной, например цилиндрической, поверхности обтекаемого элемента конструкции, и сопутствующее воздействию на турбулентность изменение характера обтекания, способное повлиять на аэродинамические параметры конструкции в целом.

раскрытие изобретения

задача изобретения - обеспечить снижение уровня аэродинамического шума, генерируемого при отрыве потока от обтекаемой криволинейной поверхности элемента конструкции, без существенного влияния на характер обтекания и аэродинамические параметры конструкции в целом.

решение этой задачи обеспечивается изобретениями, образующими группу, включающую способ снижения аэродинамического шума, создаваемого отрывным потоком среды, обтекающим поверхность элемента конструкции при их относительном движении, и малошумный элемент

конструкции для работы в потоке текучей среды, являющийся продуктом, полученным предлагаемым способом.

предлагаемый способ снижения аэродинамического шума может быть осуществлен в любом из двух вариантов.

первый вариант способа заключается в том, что образуют, по меньшей мере, на части поверхности элемента конструкции, предназначенной для работы за линией отрыва потока среды, зону пониженной кривизны, состоящую, по меньшей мере, из одного непрерывного участка, и ориентируют элемент конструкции по отношению к потоку среды так, чтобы на всей или большей части площади указанной зоны направление нормали, восстановленной к поверхности элемента конструкции, было близко или совпадало с направлением вектора скорости потока среды (п. 1 формулы изобретения).

по первому варианту способа зону пониженной кривизны формируют на стадиях проектирования и изготовления изделия или элемента конструкции.

второй вариант способа заключается в том, что определяют зону пониженной кривизны на поверхности элемента конструкции, состоящую, по меньшей мере, из одного непрерывного участка, и ориентируют элемент конструкции по отношению к потоку среды так, чтобы на всей или большей части площади указанной зоны направление нормали, восстановленной к поверхности элемента конструкции, было близко или совпадало с направлением вектора скорости потока среды (п.5 формулы изобретения).

по второму варианту способа зону пониженной кривизны не образуют при изготовлении, а определяют на поверхности элемента существующей конструкции, используя особенности его геометрии, а затем соответствующим образом ориентируют элемент конструкции относительно потока среды.

первый вариант способа имеет развития, позволяющие оптимизировать его применение в частных случаях использования.

первое развитие способа состоит в том, что зону пониженной кривизны образуют в виде, по меньшей мере, одного участка плоской поверхности (п. 2 формулы изобретения).

второе развитие способа относится к случаю неоднородного по скорости потока текучей среды и состоит в том, что зону пониженной кривизны расширяют в направлении увеличения скорости потока текучей среды (п.з формулы изобретения).

третье развитие способа относится к элементу конструкции, вращающемуся вокруг оси (например, пневмошина шасси), и состоит в том, что зону пониженной кривизны, образуют путем уменьшения кривизны поверхности элемента конструкции в плоскости, проходящей через его ось вращения (п. 4 формулы изобретения), т.е. область пневмошины, соприкасающаяся с землей делается по возможности плоской.

предметом изобретения также является устройство - малошумный элемент конструкции, содержащий переднюю часть поверхности, предназначенную для работы в набегающем потоке текучей среды, тыловую часть поверхности, предназначенную для работы за линией отрыва потока текучей среды, и зону поверхности пониженной кривизны, состоящую, по меньшей мере, из одного непрерывного участка, при этом, по меньшей мере, половина площади указанной зоны расположена на тыловой части поверхности элемента конструкции, а направление нормалей к поверхности на всей или большей части площади зоны пониженной кривизны близко или совпадает с направлением вектора скорости набегающего потока текучей среды относительно элемента конструкции (п. 6 формулы изобретения)

изобретение-устройство также имеет развития, позволяющие оптимизировать его применение в частных случаях.

первое развитие устройства состоит в том, что зона пониженной кривизны может быть выполнена в виде, по меньшей мере, одного участка плоской поверхности (п. 7 формулы изобретения).

второе развитие устройства относится к случаю неоднородного по скорости потока текучей среды и состоит в том, что зона пониженной кривизны может быть выполнена расширяющейся в направлении увеличения скорости неоднородного потока текучей среды (п. 8 формулы).

третье развитие относится к элементу конструкции, выполненному с возможностью поворота вокруг его оси вращения. в этом случае зона пониженной кривизны может быть образована вблизи сечения поверхности элемента конструкции плоскостью, проходящей через его ось вращения (п. 9 формулы).

краткое описание чертежей

фиг. 1, 2, 3 иллюстрируют физический принцип, на котором основано предлагаемая группа изобретений. на фиг. 4, 5, 6, 7 представлены примеры осуществления изобретения при выполнении малошумных элементов конструкции.

лучший вариант осуществления изобретения

изобретение основано на физическом принципе отражения звуковых волн от твердой поверхности, который поясняется ниже с использованием понятий о дипольных и квадрупольных источниках шума [м.а. исакович «Oбщaя aкycтикa», москва, «Hayкa» 1973, гл. 9].

дипольный источник шума представляет собой два близко расположенных монополя (сферически симметричных точечных источников звука), создающих противофазные колебания среды с моментом d, а квадру- польный источник - два диполя, моменты которых di и dг равны и направлены в противоположные стороны, так что суммарная дипольная составляющая квадрупольного источника шума Ad = d _г -d ₂ равна нулю.

одним из важных источников шума различных устройств, работающих в потоке текучей среды, является турбулентность, возникающая при отрыве обтекающего потока текучей среды от поверхности элементов конструкции. однако свободная турбулентность является скомпенсированным квадрупольным источником шума.

шум существенно усиливается вблизи криволинейной твердой поверхности 1 из-за появления нескомпенсированной дипольной составляющей, которая возникает (см. фиг.l) в результате появления отражения 2 исходного квадруполя 3 от поверхности 1. [ехреrimепtаl йivеstigаtюп оf аzimιιthаl Stгисtиrе оf Diроlе Nоisе fоr Rigid суliпdеr ьisеrtеd iп тиrbиlепt Jеts., AIAA рареr JNь2004-2927].

исследования, проведенные авторами предлагаемого изобретения, показали, что при уменьшении кривизны твердой поверхности, от которой отражается квадрупольный источник шума, нескомпенсированная диполь- ная составляющая шума уменьшается и для плоской поверхности 4 (см, фиг. 2) теоретически полностью исчезает. следовательно, если у элемента цилиндрической формы, работающего в турбулентном потоке, срезать заднюю кромку, то нескомпенсированная дипольная составляющая от отраженных квадрупольных источников должна уменьшиться.

этот неочевидный вывод был подтвержден серией экспериментов. исследовался шум, образующийся при поперечном обтекании цилиндрического тела турбулентным потоком со скоростью до 100 м/с. экспериментально полученные зависимости приведены на фиг. 3, на которой обозначено: 5 - уровень звукового давления (шума), 6 - угол наблюдения, 7 - сечения обтекаемого тела. в результате экспериментов было установлено (см. фиг. 3), что для цилиндра с плоской задней поверхностью уровень шума уменьшается на величину до 7 дб во всем диапазоне углов наблюдения. поскольку изменения кривизны поверхности цилиндра в ходе прове-

денных экспериментов производились за линией отрыва потока от нее, указанный эффект достигался без изменения средних параметров течения, и следовательно, без ухудшения других аэродинамических характеристик.

эффект снижения шума без существенного влияния на характер обтекания и аэродинамические параметры сохранялся и при более значительном срезе цилиндра, когда границы плоской части цилиндра находились несколько впереди линии отрыва, определенной до выполнения среза.

использование вышеописанного принципа снижения аэродинамического шума лежит в основе предлагаемого способа.

возможности осуществления предлагаемого изобретения иллюстрируют фиг. 4, 5,6, 7.

фиг. 4 и 5 иллюстрируют возможности применения изобретения в конструкциях стоек и распорок переднего и основного шасси самолета, элементов гидравлической системы шасси; автомобильных антенн, фиг 6 - в конструкциях распорок, удерживающих кожух вентилятора, обтекаемых неоднородным потоком, нарастающим к периферии, фиг.7 - в конструкции пневмошины шасси самолета.

на фиг. 4а, 5а, 6а и 7а представлены исходная форма и положение соответствующих элементов конструкции при их движении относительно текучей среды.

на фиг. 46 показаны форма и положение соответствующих элементов конструкции после образования зоны пониженной кривизны и ориентации элемента конструтсции согласно первому варианту способа (п. 1 формулы изобретения), на фиг. 4в - то же, но с развитием, предусматривающим образованием зоны пониженной кривизны в виде участка плоской поверхности (п. 2 формулы изобретения).

фиг. 56 показывает сечение элемента конструкции, имеющего на поверхности зону пониженной кривизны и ориентированного в потоке текучей среды согласно второму варианту способа (п. 5 формулы изобретения).

фиг. 66 показывает форму и положение соответствующего элемента конструкции после образования зоны пониженной кривизны и ориентации элемента конструкции согласно первому варианту способа с развитиями, предусматривающими выполнение зоны пониженной кривизны в виде участка плоской поверхности (п.2 формулы изобретения) и расширение указанной зоны в направлении увеличения скорости неоднородного потока текучей среды (п. 3 формулы изобретения).

на фиг.7 б показан результат применения первого варианта способа с учетом развития, предусматривающего уменьшение кривизны поверхности в плоскости, проходящей через ось вращения элемента конструкции (см. п. 4 формулы изобретения), на фиг. 7в - то же, но с учетом развития, предусматривающего образование зоны пониженной кривизны в виде участка плоской поверхности (см. п. 2 и 4 формулы изобретения).

на фиг. 4 и 6 показаны линии 8 отрыва потока от поверхности элементов конструкции (определенные, например, экспериментальным путем) и зоны 9 пониженной кривизны. зоны 9 образуют (по первому варианту способа), по меньшей мере, на части поверхности элемента, предназначенной для работы за линией 8 отрыва, формируя их кривизну так, чтобы нормали 10, восстановленные к поверхности элемента в зоне 9, совпадали или были близки к направлению вектора V скорости потока, обтекающего элемент. близость здесь понимается в том смысле, что проекция вектора V на нормаль 10 должна составлять не менее 0.8 от его модуля, а направление вектора V понимается как направление скорости потока в его набегающей части относительно элемента конструкции.

линии 8, показанные на фиг.4 и 6, разделяют переднюю и тыловую (по отношению к вектору V скорости набегающего потока среды) части поверхности элемента конструкции. передняя часть поверхности элемента (слева от линии 8) предназначена для работы в набегающем потоке текучей среды, тыловая часть поверхности (справа от линии 8) - для работы за линией отрыва потока. зоны 9 расположены на тыловой части поверхности элемента, а направление нормалей 10 к поверхности на всей или большей части площади зоны 9 близко или совпадает с направлением вектора V скорости набегающего потока текучей среды относительно элемента конструкции.

зона 9 может быть выполнена сплошной или состоять из нескольких участков поверхности с пониженной кривизной, например, участков плоской поверхности.

на фиг 46 показан общий случай выполнения зоны 9 пониженной кривизны на тыловой части элемента конструкции.

на фиг. 4в показан случай выполнения зоны 9 пониженной кривизны в виде участка плоской поверхности.

на фиг. 66 показан случай выполнения зоны 9 в виде участка плоской поверхности, расширяющегося в направлении увеличения скорости неоднородного потока текучей среды.

фиг. 76 и 7в иллюстрируют случай, когда элемент конструкции выполнен с возможностью поворота вокруг его оси вращения. в этом случае зона пониженной кривизны, в которой направление нормалей близко или совпадает с направлением вектора V, образована вблизи сечения поверхности элемента конструкции плоскостью, проходящей через его ось вращения, и сохраняется на тыловой части вращающегося элемента при любом его повороте. фиг.7б иллюстрирует общий случай выполнения зоны 9 с пониженной кривизной поверхности на вращающемся элементе

конструкции, а фиг. 7в тот же случай, но с образованием зоны 9 в виде плоской поверхности. в случае выполнения зоны 9 на протекторе шины, ее образуют несколько разделенных углублениями участков.

в случае элементов конструкции более сложной геометрии, чем представлено на фиг. 4, 5, 6, 7, целесообразно предварительное определение зон повышенной интенсивности турбулентных (квадрупольных) источников и ориентирование элемента конструкции зоной пониженной кривизны на область максимальной турбулентности.

предложение обеспечивает эффективное снижение уровня аэродинамического шума, создаваемого отрывом потока от обтекаемой криволинейной поверхности. поскольку оно предполагает изменение формы тела преимущественно за линией отрыва, то может быть применено при создании новых или модернизации существующих конструкций с минимальным влиянием на характер обтекания текучей средой соответствующего элемента конструкции и без существенного изменения аэродинамических параметров конструкции в целом.

промышленная применимость

предлагаемое техническое решение может быть применено для снижения шума обтекания, например, таких элементов конструкций как стойки, распорки и элементы гидросистемы переднего и основного шасси самолета, автомобильные антенны (фиг. 4 и 5), распорки, удерживающие кожух вентилятора, обтекаемые неоднродным потоком, нарастающим к переферии (фиг. 6), а также пневмошины шасси самолетов (фиг.7).

источники информации

1. EP JVb 1340676, мпк B64C 25/16, B64C 7/00, 2003г.

2. US #22004104301, мпк B64C 27/22, B64C 7/00, 2004 г.

3. WO tfа 2004089743, мпк B64C 25/16, B64C 7/00, 2004г

4. WO JYO 2004039671, мпк B64C 25/16, B64C 7/00, 2004г.

5. RU JYo 2110702, мпк F15D 1/00, 1/06, 1/12, 1998г.

6. RU JNb 2191931, мпк Fl 5D 1/00, 2002г.

7. RU #« 2173284, мпк B64C 3/50, 23/06, 2001. г.