способ снижения аэродинамического шума (варианты)

Формула изобретения

1. Способ снижения аэродинамического шума, создаваемого отрывным потоком среды, обтекающим поверхность элемента конструкции при их относительном движении, заключающийся в том, что образуют, по меньшей мере, на части поверхности элемента конструкции, предназначенной для работы за линией отрыва потока среды от поверхности, 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 относительно элемента конструкции.

2. Способ по п.1, в котором зону пониженной кривизны образуют в виде, по меньшей мере, одного участка с плоской поверхностью.

3. Способ по п.1, в котором зону пониженной кривизны расширяют в направлении увеличения скорости неоднородного потока среды.

4. Способ по п.1, в котором зону пониженной кривизны на вращающемся элементе конструкции образуют путем уменьшения кривизны поверхности элемента в плоскости, проходящей через его ось вращения.

5. Способ снижения аэродинамического шума, создаваемого отрывным потоком среды, обтекающим поверхность элемента конструкции при их относительном движении, заключающийся 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 относительно элемента конструкции.

Описание изобретения к патенту

Область техники

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

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]. Наконец, в [4] в качестве снижающих шум шасси элементов 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 воздействия на поток текучей среды, обтекающей конструкцию цилиндрической формы, путем образования на ее поверхности локальных зон, в которых кривизна поверхности отлична от кривизны соседних участков поверхности [7]. Однако о влиянии этого способа на уровень аэродинамического шума в [7] не сообщается.

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 [8].

Согласно способу [8] уровень шума, создаваемого потоком, обтекающим закрылок, снижают путем изменения кривизны поверхности закрылка с образованием зоны гладкой криволинейной сплошной закругленной поверхности на его боковой грани, первоначально имеющей плоскую поверхность. При этом снижение шума достигается благодаря снижению интенсивности вторичных вихрей и устранению турбулентности в потоке, примыкающем к образованной зоне.

Способ [8] выбран в качестве прототипа.

Недостаток прототипа - 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.

Сущность изобретения

Задача изобретения - обеспечить эффективное воздействие на уровень аэродинамического шума, генерируемого при отрыве потока от обтекаемой криволинейной поверхности, без существенного влияния на характер обтекания и аэродинамические параметры конструкции в целом.

Эту задачу решают предлагаемые два варианта способа снижения аэродинамического шума, создаваемого отрывным потоком текучей среды, обтекающим поверхность элемента конструкции при их относительном движении. Первый вариант способа заключается в том, что образуют, по меньшей мере, на части поверхности элемента конструкции, предназначенной для работы за линией отрыва потока среды от поверхности, 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 относительно элемента конструкции (п.1 формулы изобретения).

По первому варианту способа зону пониженной кривизны формируют на стадии проектирования 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 относительно элемента конструкции (п.5 формулы изобретения).

По второму варианту способа зону пониженной кривизны не образуют искусственно, а используют уже имеющиеся особенности геометрии конструкции.

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

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

Второе развитие 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.3 формулы).

Третье развитие относится к элементу конструкции, вращающемуся вокруг оси, и состоит в том, что зону пониженной кривизны образуют путем уменьшения кривизны поверхности элемента в плоскости, проходящей через его ось вращения (п.4 формулы).

Краткое описание фигур.

Фиг.1, 2, 3 иллюстрируют физический принцип, на котором основан предлагаемый способ. На фиг.4, 5, 6, 7 представлены примеры осуществления вариантов способа с учетом его развития.

Осуществление изобретения

Изобретение основано на физическом принципе отражения акустического шума (звуковых волн) от твердой поверхности, который поясняется ниже с использованием понятий о дипольных и квадрупольных источниках шума [М.А.Исакович. Общая акустика, М.: Наука, 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 квадрупольный источник - два диполя, моменты которых d₁ и d ₂ равны и направлены в противоположные стороны, так что суммарная дипольная составляющая квадрупольного источника шума d=d₁-d₂ 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 (см. фиг.1) из-за появления нескомпенсированной дипольной составляющей, которая возникает в результате появления отражения 2 исходного квадруполя 3 от поверхности 1 (см. фиг.1) [Experimental Investigation of Azimuthal Structure of Dipole Noise for Rigid Cylinder Inserted in Turbulent Jets., AIAA Paper №2004-2927].

Исследования, проведенные авторами данного изобретения, показали, что при уменьшении кривизны твердой поверхности, от которой отражается квадрупольный источник шума, нескомпенсированная дипольная составляющая шума уменьшается и для плоской поверхности 4 (см. фиг.2) теоретически полностью исчезает. Следовательно, если для 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 проведенных 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 определенной до выполнения среза линии отрыва и, следовательно, несущественно влияли на характер обтекания и структуру турбулентности в отрывной области.

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

Возможности осуществления предлагаемого способа с учетом его развитий 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.4б показаны форма и положение соответствующих элементов конструкции после образования зоны пониженной кривизны и ориентации элемента конструкции согласно первому варианту изобретения (см. п.1 формулы изобретения), на фиг.4в - то же, но с развитием, предусматривающим образованием зоны пониженной кривизны в виде участка с плоской поверхностью (см. п.2 формулы изобретения).

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

Фиг.6б показывает форму и положение соответствующего элемента конструкции после образования зоны пониженной кривизны в виде участка с плоской поверхностью и ориентации элемента конструкции согласно первому варианту изобретения с развитием, предусматривающим расширение зоны пониженной кривизны в направлении увеличения скорости неоднородного потока текучей среды (см. п.2 и 3 формулы изобретения).

На фиг.7б 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 с плоской поверхностью (см. п.2 и 4 формулы изобретения).

На фиг.4, 5, 6, 7 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.

Как видно из фиг.4, 5, 6, 7, предлагаемый способ может быть применен для снижения шума обтекания элементов конструкции в различных устройствах.

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.

Предлагаемый способ обеспечивает эффективное снижение уровня аэродинамического шума, создаваемого отрывом потока от обтекаемой криволинейной поверхности. Поскольку он предполагает изменение формы тела преимущественно за линией отрыва, то может быть применен с минимальным влиянием на характер обтекания текучей средой соответствующего элемента конструкции и без существенного изменения аэродинамических параметров конструкции в целом.

Источники информации

1. ЕР №1340676, МПК В 64 С 25/16, В 64 С 7/00, 2003 г.

2. US №2004104301, МПК В 64 С 27/22, В 64 С 7/00, 2004 г.

3. WO №2004089743, МПК В 64 С 25/16, В 64 С 7/00, 2004 г.

4. WO №2004039671, МПК В 64 С 25/16, В 64 С 7/00, 2004 г.

5. RU №2110702, МПК F 15 D 1/00, 1/06, 1/12, 1998 г.

6. RU №2191931, МПК F 15 D 1/00, 2002 г.

7. US №2004051004, МПК В 64 С 27/22, В 64 С 1/38, 2004 г.

8. RU №2173284, МПК В 64 С 3/50, 23/06, 2001 г.