EA004812B1

EA004812B1 - Углубления на поверхности

Info

Publication number: EA004812B1
Application number: EA200300728A
Authority: EA
Inventors: Фред Олсен; Ханс Эйгарден
Original assignee: Фобокс АС
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2004-08-26
Also published as: CN1325327C; US6880476B2; NO313544B1; NO20010579D0; EA200300728A1; WO2002064422A8; BR0206740A; KR100858526B1; NO20010579L; CN1496316A; CA2434541A1; CA2434541C; KR20030071877A; JP2004524207A; EP1365950A1; AU2002230309B2; JP2008157465A; WO2002064422A1; US20040083938A1

Abstract

Формирования на поверхности тел для уменьшения сопротивления среды, в которой или около которой расположено тело, содержат множество полостей (1, 20, 40, 60). Поверхность, в которой сформированы полости, является замкнутой. Полость имеет разрушающую кромку (5, 25, 44, 66), примыкающую к полости, при этом разрушающая кромка расположена выше полости по потоку, так что поток среды, протекающей наиболее близко к поверхности, после прохождения разрушающей кромки становится турбулентным. Полость имеет максимальную глубину относительно поверхности по меньшей мере около 2 мм.

Description

Изобретение касается формирований, создаваемых на поверхности тел для уменьшения сопротивления среды, в которой или около которой тело расположено, в соответствии с преамбулой п.1 формулы изобретения. В частности, изобретение касается формирований, которые снижают аэродинамическое и/или гидродинамическое сопротивление аппарата, в частности корабля. Однако изобретение также может быть применено к внутренним сторонам труб, транспортирующих газы и/или жидкости, например в системах вентиляции, трубопроводах для жидкостей, таких как трубопроводы для углеводородов, сливных трубах гидроэлектростанций или в электростанциях, использующих энергию волн.

В природе известно множество животных, имеющих поверхностные формирования, которые снижают сопротивление потоку. Птицы имеют перья, которые создают шероховатую поверхность, а рыбы, акулы и скаты имеют чешую. Общим для этих поверхностных формирований является то, что они нарушают ламинарное обтекание воздухом или водой поверхности тела, создавая малые области турбулентности. Ламинарное обтекание создает высокое сопротивление среды, так как скорость обтекающей среды относительно тела около его поверхности приблизительно равна нулю. Таким образом, тонкий слой обтекающей среды, который формируется около поверхности тела, создает сопротивление среды. Шероховатая поверхность разрушает этот слой и создает малые турбулентные потоки. Таким образом, сопротивление потоку существенно снижается.

Известны несколько типов поверхностных формирований, которые используют этот эффект.

В патенте США № 3184185 описаны формирования на верхней стороне крыльев самолета. В поверхности штампом пробиваются отверстия. Перфорированная часть выступает, подобно язычку, под углом к поверхности. Вследствие такой формы отверстий воздух будет вытягиваться через них из внутренней части крыла. Этот воздушный поток создает направленную вверх силу, которая действует как подъемная сила.

В патенте США № 3451645 описывается устройство, подобное предыдущему. Здесь на верхней стороне крыла расположены искривленные пластинки. Щель формируется между любыми соседними пластинками. Воздух протекает сквозь эту щель из внутренней части крыла и затем вдоль изогнутой поверхности пластинки.

В патенте США № 4753401 описываются элементы, установленные на поверхности тела. Каждый элемент имеет отверстия 8, выше которых расположены ребра 4 с неглубокими канавками 5 между ними. Несколько элементов располагаются один за другим, так, чтобы отверстия и ребра находились на одной линии. Между элементами формируется щель 9, которая сообщается с каналом 6В через канал 6А, сфор мированный отверстиями 8. Когда мимо протекает жидкость низкого давления, жидкость будет вытягиваться из каналов 6А и 6В. Когда мимо протекает жидкость высокого давления, жидкость будут втекать в каналы 6А и 6В. Это должно приводить к уменьшению сопротивления потоку.

В патенте США № 5386955 описывается поверхность с выступами в виде в целом треугольных ребер. Формируется некоторое количество относительно больших ребер, а между ними формируется большее число меньших ребер. Одна из форм осуществления изобретения предусматривает треугольные ребра с сечением, увеличивающимся в направлении потока.

В патенте США № 5476056 описываются различные формирования на поверхности корпуса корабля. В некоторых формах осуществления изобретения они являются выступами, формирующими волнообразную поверхность. В других формах осуществления изобретения они представляют собой менее регулярные выступы. К поверхности подводится воздух, чтобы сформировать воздушный слой.

Хотя некоторые из известных поверхностных формирований дают определенный эффект уменьшения сопротивления потоку, они все еще имеют ряд недостатков. Устройства согласно патентам США № 3184185 и 3451645 требуют наличия полости внутри поверхности, из которой может течь воздух. В патенте США № 5386955 описывается использование очень малых, в целом треугольных, ребер с высотой около 70 мкм, которые в некоторых формах осуществления изобретения расположены поперек направления потока, а в других формах осуществления изобретения - по направлению потока. Хотя у этих ребер создается некоторая турбулентность, из-за размера ребер эта турбулентность будет давать ограниченный эффект. Эти ребра подходят для применения только на очень высоких скоростях, при числе Маха около 0,5. На более низких скоростях, таких как у кораблей и быстроходных катеров, эти ребра будут оказывать незначительное влияние или не будут давать никакого эффекта. Кроме того, такие ребра будут полностью закрываться средствами, предохраняющими корпус от биологического обрастания, которые наносятся на корпус, что сводит эффект к нулю.

Согласно патенту США № 5476056 требуется подведение воздуха к поверхности корпуса. Это требует установки дорогостоящего насосного оборудования и энергии для его работы.

Конструкция, описанная в патенте США № 4753401, вероятно, является лучшей из вышеупомянутых конструкций, но далекой от идеала и, кроме того, крайне сложной для изготовления.

Кроме того, из СВ 2 068 502 известны поверхностные формирования для турбинных лопаток. Они выполнены в форме волосков или приподнятых частей. Приподнятые части вы3 полнены в форме половин конусов, опирающихся на поверхность.

Далее, из ΌΕ 3534268 известны поверхностные формирования в форме тонких лезвий, выступающих из поверхности, или в форме клиновидных треугольников с увеличивающейся высотой в направлении потока.

Недостатком формирований в виде выпуклых частей, прежде всего, является то, что они легко повреждаются под влиянием внешних факторов. Кроме того, было установлено, что они не дают столь же хорошего эффекта, как полости обратной формы.

Целью данного изобретения является преодоление вышеупомянутых недостатков и дальнейшая оптимизация в отношении эффективности, экономичности, технологичности и технического обслуживания. Другой целью данного изобретения является создание поверхностных формирований, которые пригодны для использования при низких и умеренных скоростях, таких как у кораблей, быстроходных катеров, в трубах гидроэлектростанций, а также и для пассажирских самолетов при умеренных скоростях. Это достигается с помощью отличительных признаков, которые включены в отличительную часть п.1 формулы изобретения.

Предпочтительные формы осуществления изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Изобретение будет описано ниже более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, на которых на фиг. 1 показан в перспективе вид участка поверхности с поверхностными формированиями согласно изобретению;

на фиг. 2 показано продольное сечение поверхностных формирований, показанных на фиг. 1;

на фиг. 3 показана другая форма выполнения поверхностных формирований согласно изобретению;

на фиг. 4 показана третья форма выполнения поверхностных формирований согласно изобретению;

фиг. 5 представляет собой продольное сечение поверхностных формирований, показанных на фиг. 4;

на фиг. 6 показана еще одна форма выполнения поверхностных формирований.

На фиг. 1 и 2 поверхностные формирования показаны в перспективе и в сечении вдоль направления потока соответственно. Поверхностные формирования 1 представляют собой полости, сформированные на поверхности 3, которая может быть поверхностью корпуса корабля. Каждое поверхностное формирование 1 имеет наклонную поверхность 2 дна, которая идет под углом вниз от поверхности 3 от нижней по потоку кромки 4, расположенной в плоскости поверхности 3, к расположенной выше по потоку разрушающей кромке 5, ниже поверхности 3 на некоторое расстояние. Это расстояние составляет по меньшей мере 1 мм, в предпочтительном случае 5-15 мм, но может также достигать 25 мм, в зависимости от скорости потока, протекающего мимо поверхностного формирования 1. Длина поверхности 2 дна составляет предпочтительно 15-60 мм или более, но она может также лежать вне этого диапазона, в зависимости от скорости потока, протекающего мимо поверхностного формирования 1.

Кромки 6 и 7 проходят между нижней по потоку кромкой 4 и расположенной выше по потоку разрушающей кромкой 5. Они сходятся от нижней по потоку кромки 4 к расположенной выше по потоку разрушающей кромке 5, делая поверхность 2 дна на расположенном выше по потоку конце более широкой, чем на нижнем по потоку конце. Боковые стенки 9 проходят между кромками 6 и 7, соответственно, и поверхностью 3. Разрушающая кромка 5 и кромки 6 и 7 действуют как разрушающие кромки для среды, протекающей мимо поверхностного формирования 1.

От расположенной выше по потоку разрушающей кромки 5 отходит также торцевая стенка 8, идущая вниз от поверхности 3. Торцевая стенка 8 искривлена так, чтобы придать горизонтальному сечению поверхностного формирования 1 в целом форму сектора круга. Однако торцевая стенка 8 может также быть прямой, так что поверхностное формирование будет иметь форму усеченного треугольника.

Стрелка 10 указывает направление потока жидкости, протекающего мимо поверхностного формирования 1, которое, например, может быть расположено на поверхности корабля ниже ватерлинии. Вода протекает над разрушающей кромкой 5, а также над кромками 6, 7. В этом месте ламинарное течение нарушается, и сцепление воды с поверхностью 3 значительно понижается.

На фиг. 3 показаны поверхностные формирования 20, сформированные, в основном, так же, как и поверхностные формирования 1 на фиг. 1, но здесь кромки расходятся, вместо того, чтобы сходиться. Таким образом, поверхностные формирования 20 имеют поверхность 22 дна, которая идет под углом к поверхности от нижней по потоку кромки 24 по направлению к расположенной выше по потоку кромке 25. Кромки 26 и 27 проходят между нижней по потоку кромкой 24 и расположенной выше по потоку кромкой 25. Между кромками и поверхностью имеются боковые стенки 29.

Эти кромки расходятся от расположенной выше по потоку кромки к нижней по потоку кромке так, что поверхность дна будет шире на нижнем по потоку конце, чем на расположенном выше по потоку конце.

Торцевая стенка 28 идет от расположенной выше по потоку кромки 25 по направлению вниз от поверхности 3. Торцевая стенка 28 ис5 кривлена так, чтобы придать горизонтальному сечению поверхностного формирования 20 общую форму сектора круга. Однако торцевая стенка 28 может быть также и прямой, так что поверхностному формированию будет придана форма усеченного треугольника. Вертикальное сечение поверхностного формирования 20 имеет такую же форму, что и у поверхностного формирования 1.

На фиг. 3 стрелка 30 указывает направление потока, протекающего мимо поверхностных формирований 20. Если поверхностные формирования 20 располагаются, например, на корпусе корабля, ламинарное течение воды будет нарушено на расположенной выше по потоку кромке 25, которая действует как разрушающая кромка, создающая турбулентный вихрь 31 над полостью, образованной поверхностным формированием 20, и частично внутри нее.

Наибольшая глубина этой полости составляет по меньшей мере 1 мм, предпочтительно 515 мм, но может также достигать 15 мм, в зависимости от скорости потока, протекающего мимо поверхностного формирования 20. Длина поверхности 22 дна предпочтительно составляет 15-60 мм или более, но может также лежать вне этого диапазона, в зависимости от скорости потока, протекающего мимо поверхностного формирования 20.

Поверхностное формирование 20, показанное на фиг. 3, лучше всего подходит для скоростей потока, превышающих приблизительно 40 узлов (около 75 км/ч).

На фиг. 4 и 5 показано поверхностное формирование 40, имеющее в целом форму каплевидной полости 41. На широком конце 42 каплевидная полость 41 имеет в целом форму сектора шара и обращена по направлению потока, в то время как самый узкий конец 43 имеет в целом форму части конуса, заостренный конец которого направлен против потока. На широком конце на поверхности 3 находится кромка 44. Эта кромка действует как разрушающая кромка для потока, текущего вдоль поверхности 3. Текущая среда течет в направлении стрелки 50, разбиваясь в турбулентный вихрь у кромки 44. Наибольшая глубина полости 41 составляет по меньшей мере 1 мм, предпочтительно 5-15 мм, но может также достигать 25 мм или более, в зависимости от скорости потока, протекающего мимо поверхностного формирования 40. Длина полости в направлении потока предпочтительно находится в диапазоне 15-60 мм.

Вместо сужения в направлении потока, эта поверхностная полость может также расширяться в направлении потока, как было показано на фиг. 3.

На фиг. 6 показано еще одно поверхностное формирование. Оно лучше подходит для более низких скоростей, меньше приблизительно 15 узлов (около 28 км/ч). Поверхностное формирование 60 образовано стенкой 61, имеющей форму ветрового стекла. Стенка 61 может быть, например, частью усеченного конуса или частью цилиндрической стенки наклонного цилиндра. Стенка 61 обращена выпуклостью вверх по потоку и вогнутой полостью 62 вниз по потоку. Верхняя кромка 66 и две боковые кромки 67 и 68 сформированы вдоль стенки 61. Эти кромки действуют как разрушающие кромки для потока текучей среды.

В предпочтительном случае стенка 61 изготавливается штамповкой из пластины 64, с созданием, таким образом, отверстия 65. Затем пластина 64 может быть прикреплена к поверхности 3 так, чтобы поверхность 3 закрывала отверстие 65. Средствами крепления могут быть клей, заклепки, винты, сварка и т.д., все зависит от материала пластины 64 и поверхности 3. Текучая среда течет в направлении стрелки 70. Когда поток текучей среды, например воды, наталкивается на стенку 61, он будет отклоняться в обе боковые стороны и вверх вдоль стенки 61, имеющей форму ветрового стекла. Когда вода протекает мимо боковых кромок 67, 68 и верхней кромки 66, которые действуют как разрушающие кромки, создается турбулентный вихрь 71, 72 и 73 . Таким образом, разрушается ламинарный поток вдоль поверхности 3.

Высота поверхностного формирования 60 равна по меньшей мере 1 мм, предпочтительно 5-15 мм, но может также достигать 25 мм или более, в зависимости от скорости потока, протекающего мимо поверхностного формирования. Длина поверхностного формирования в направлении потока предпочтительно находится в диапазоне 15-60 мм.

Как можно видеть на фиг. 1, 3, 4 и 6, поверхностные формирования расположены с небольшими уступами, предпочтительно рядами, так что поверхностные формирования одного ряда находятся между поверхностными формированиями соседнего ряда.

Как было упомянуто в самом начале, данное изобретение может применяться также на внутренней поверхности труб, как для существующих трубопроводов в траншеях, так и для других аналогичных им труб. Например, в вентиляционных трубах могут быть на месте приклеены липкие ленты с описанными поверхностными формированиями. В этом случае ленты могут быть изготовлены, например, из пластмассы. В новых трубах, транспортирующих жидкости, подобные поверхностные формирования могут быть установлены в виде кольца на конце трубы, чтобы иметь кольцо-турбулизатор в каждом соединении труб. Чем ближе находятся эти кольца, тем выше скорость потока. Материал, например пластмасса, должен быть достаточно жестким, чтобы разрушать ламинарный слой. Если материал этих турбулизаторов будет слишком мягким, эффект исчезнет.

Ί

Поверхностные формирования могут также использоваться на передних кромках крыльев самолетов или лопастей ветряных установок.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Формирования на поверхности тел для уменьшения сопротивления среды, в которой или около которой находится такое тело, где указанные формирования содержат множество полостей, отличающиеся тем, что указанная поверхность является замкнутой, а полость имеет разрушающую кромку, примыкающую к полости и расположенную выше нее по течению потока так, что среда, протекающая наиболее близко к поверхности, становится турбулентной после прохождения разрушающей кромки, при этом полость имеет максимальную глубину относительно поверхности по меньшей мере около 2 мм.
2. Формирования по п.1, отличающиеся тем, что ширина дна полости увеличивается в направлении потока.
3. Формирования по п.2, отличающиеся тем, что дно полости начинается от разрушающей кромки, от искривленной торцевой стенки.
4. Формирования по п.1, отличающиеся тем, что полости имеют нижнюю, по течению потока, разрушающую кромку, расположенную в плоскости поверхности, и расположенную выше нее по потоку часть с уменьшающейся в направлении потока глубиной.
5. Формирования по п.4, отличающиеся тем, что полости имеют в целом каплевидную форму, с узким концом капли, направленным по направлению потока.
6. Формирования по п.4, отличающиеся тем, что полости имеют в целом плоскую поверхность дна, которая в направлении потока идет по направлению к поверхности до совпадения с ней.
7. Формирования по любому из предшествующих пунктов, отличающиеся тем, что глубина полостей составляет по меньшей мере 5 мм, а предпочтительно от 5 до 15 мм.