ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОГРАНИЧНЫМ СЛОЕМ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

В постановке и решении многих технических задач аэродинамики и гидродинамики немаловажную роль сыграла теория пограничного слоя. Данная теория позволяет охарактеризовать способность транспортного объекта (корабля, самолета и других) противостоять сопротивлению газообразной или жидкой среды при движении.

В результате возникает необходимость совершенствования исследовательских процессов направленных на управление пограничным слоем. Развитие способов и методов управления пограничным слоем связано с целью ослабления или предотвращения отрыва потока на обтекаемой поверхности обшивки корабля и самолета, сохранения ламинарного течения и уменьшения теплопередачи при больших скоростях потока.

Одним из перспективных методов управления является возможность ламинаризации пограничного слоя с помощью отсоса. Принцип отсоса заключается в удалении из пограничного слоя насосом частиц жидкой или газообразной среды, заторможенных в области возрастания давления, прежде чем они успеют оторваться от обтекаемой твердой поверхности боевого объекта. При этом обеспечивается устойчивость ламинарного режима обтекания и его переход в турбулентную форму течения как бы отодвигается в область больших скоростей. Принцип отсоса успешно реализуется также с целью увеличения амплитуды изгибно-гравитационной волны от движущегося подводного судна для разрушения ледяного покрова (Рисунок 1). Достоинством отсоса является и снижение гидродинамического шума, вызываемого турбулентным режимом обтекания. Отсос из пограничного слоя уже внедрили авиаторы (Рисунок 2). Известно, что Прандтль и Буземан завершили проект высокоскоростного истребителя, в котором удалось серьезно уменьшить, если не совсем преодолеть, трение потока воздуха.

Несмотря на кажущуюся простоту, сложностей в реализации идеи отсоса более чем достаточно. Количество отсасываемой среды должно иметь рациональные пределы. При чрезмерном отсосе пограничный слой станет настолько тонким, что выступающие из ламинарного слоя «бугорки» и шероховатости на поверхности транспортного объекта будут турбулизировать поток, нарушая ламинарный режим течения. При недостаточном отсосе ламинарный режим просто не будет достигнут. В итоге исследователи определяют нежелательные режимы отсоса пограничного слоя.

При этом данный метод управления пограничным слоем незамедлительно остается интересным как источник физических полей корабля (летательного аппарата), закономерностей и особенностей возникновения и формирования данных полей.

Очередным этапом в развитие управления пограничным слоем на транспортных объектах явился термин «вдув». Вдув в пограничный слой − подвод жидкости или газа в пограничный слой через проницаемую поверхность обтекаемого тела. Вдув или выдув (Рисунок 3) являются эффективным средством защиты обтекаемой поверхности, особенно самолета от аэродинамического нагревания. Экспериментальное исследования показали, что локальный вдув вблизи скачка уплотнения экономически более выгоден, чем отсос. Так, при расходе в щели тангенциального вдува, равном 10% от расхода через пограничный слой, критический перепад увеличивается в два раза.

Следующим перспективным способом управления пограничным слоем является, вдув газообразной струи вдоль обтекаемой поверхности движущегося объекта. В частности с помощью модели турбулентности учеными были выполнены численные исследования пограничного слоя на проницаемой поверхности при вдуве газа (гелия, воздуха, углекислого газа, фреона) в поток нагретого воздуха. В итоге, исследователи В.Г. Лущик и А.Е. Якубенко выработали методику влияния вдуваемого газа и газа набегающего потока на зависимость трения и теплообмена от параметров вдува. Данная методика может быть использована для расчета пористого охлаждения теплонапряженных элементов военных конструкций (лопаток газовых турбин, огневых стенок сопел жидкостного ракетного двигателя и других).

Известен также способ управления турбулентным пограничным слоем путем введения в него присадки, выполненной в виде высокомолекулярных полимерных добавок или твердых частиц. Данный способ позволяет целенаправленно изменить динамические характеристики пограничного слоя, например, касательных напряжений на твердой поверхности. Недостатком представленного способа является то, что возрастание весовой концентрации полимера в жидкости выше определенной пороговой приводит к уменьшению эффективности влияния полимера на турбулентный пограничный слой. В то же время у представленного способа есть и преимущества. Предлагаемый способ может быть использован во всех технических устройствах, в которых имеется течение турбулентного пограничного слоя жидкости и газа (например, в контурах АЭС, на кораблях, в трубопроводах для транспортировки нефти, в каналах различной формы, в том числе конфузорах и трубах, насосах и других), где требуется турбулизация или ламинаризация потока.

Внимание экспериментаторов на протяжении многих лет привлекает термин «воздушная смазка». Предлагались различные варианты изменения свойств пограничного слоя среды, в частности между корпусом корабля и забортной морской водой посредством «воздушной смазки» (рис. 4). Результатом данных экспериментов явилось создание первого десантного катера на воздушной каверне проекта 11770 шифр «Серна». Развитием десантного катера проекта «Серна» можно считать малый десантный корабль на воздушной каверне проекта 21820 шифр «Дюгонь».

На сегодняшний день наращивание темпов в исследовании способов и методов управления пограничным слоем является перспективным направлением. Современное представление гидродинамики и аэродинамики сплошных сред раскрывает многообразие теоретических и экспериментальных изысканий в технических нуждах разных стран мира. В этой связи основополагающим является утверждение, что широкие возможности развития авиации и флота характеризуются перспективным направлением, а именно развитием теории пограничного слоя.

 

Список литературы

1.      Бетяев С. К. Асимптотический анализ мелкомасштабной структуры ламинарного пограничного слоя с отсосом / С. К. Бетяев // Инженерно-физический журнал, 2011. – Т. 84, № 2. – С. 381-385.

2.      Козин В. М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты / Монография. – М.: Изд-во «Академия Естествознания», 2007. – с. 355.

3.      Лущик В. Г., Якубенко А. Е. Трение и теплообмен в пограничном слое на проницаемой поверхности при вдуве инородного газа // Теплофизика высоких температур. – 2005. – Т. 43, №6. – С. 880-887.

4.      Непомнящий Н. XX век: Хроника необъяснимого. Гипотеза за гипотезой / Электронный ресурс: http://do.gendocs.ru/docs/index-44598.html.