Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Бугорковая модель ласта горбатого кита
Бугорки на плавнике горбатого кита.

Эффект бугорок представляет собой явление , в котором бугорки или большие «шишки» на переднем крае в качестве аэродинамического профиля может улучшить его аэродинамику . Эффект, хотя уже обнаруженный, был тщательно проанализирован Фрэнком Э. Фишем и др. В начале 2000 года. [1] [2] [ сомнительно - обсудить ] [ необходима цитата ] Эффект бугорка работает, направляя поток через аэродинамический профиль в более узкие потоки , создавая более высокие скорости. Еще один побочный эффект этих каналов - уменьшение потока, движущегося по законцовке крыла, что приводит к уменьшениюпаразитное сопротивление из-за вихрей на законцовках крыла . С помощью компьютерного моделирования было определено, что наличие бугорков приводит к задержке угла атаки до сваливания, тем самым увеличивая максимальную подъемную силу и уменьшая сопротивление . [1] Рыба впервые обнаружила [2] [ необходима цитата ], глядя на плавники горбатых китов . Эти киты - единственные известные организмы, которые пользуются эффектом бугорка. Считается, что этот эффект позволяет им быть намного более маневренными в воде, что облегчает захват добычи. Бугорки на плавникахпозволяют им совершать водные маневры, чтобы поймать свою добычу. [1]

Крошечные крючки на переднем крае крыла совы имеют аналогичный эффект, который способствует его аэродинамической маневренности и незаметности. [3] [4]

Наука за эффектом

Эффект бугорка - это явление, при котором бугорки или большие выступы на передней кромке крыла, лопасти или паруса увеличивают 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 наличие этих бугорков на переднем крае китовых плавников снижает стойло и увеличивает подъемную силу , а также снижает уровень шума в пост-стойловом режиме. [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 Watts & Fish [5], после чего последовали дальнейшие эксперименты как в воде, так и в аэродинамических трубах. 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 стойла у фольги с бугорками наблюдалась постепенная потеря подъемной силы, в отличие от фольги без бугорков, которая испытывала внезапную потерю подъемной силы. [7] Показан пример крыла без выступов в сравнении с крылом с выступами.

Также необходимо 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, тем самым уменьшая 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, таких как желоб в виде бугорков. В воде на верхней стороне бугорка образуются пузырьки воздуха или карманы. Эти пузыри уменьшают подъемную силу и увеличивают сопротивление, увеличивая шум в потоке, когда пузыри схлопываются. [7] Однако бугорки можно модифицировать, чтобы управлять местом кавитации. [7]

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

Эксперименты по влиянию бугорков переднего края в первую очередь сосредоточены на твердых телах, и необходимы дополнительные исследования, чтобы применить знания об эффекте бугорков к промышленным, авиационным или энергетическим приложениям. [5]

Биологические проявления бугорков

Бугорки - это материальное явление, которое встречается у многих организмов. Эти организмы включают горбатых китов, акул-молотов , гребешков и хондрихтианов , вымерших водных организмов. [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] обязательная задача по кормлению горбатых китов. [2] Бугорки на ластах помогают поддерживать подъемную силу, предотвращая сваливание и уменьшая коэффициент лобового сопротивления при поворотах. [2] Бугорки горбатого кита считаются пассивными регуляторами потока, потому что они структурны. [2]

У плода горбатого кита развиваются бугорки. [1] Обычно на каждом плавнике присутствует 9–11 бугорков, размер которых уменьшается по мере приближения к кончику плавника. [1] Самые большие бугорки - это первый и четвертый бугорки от лопатки кита. [1] Эта анатомическая структура характерна 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. Рабочие 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 нестандартных условиях, когда происходит остановка, что приводит к снижению производительности и эффективности. [1] [5] Чтобы найти возможное улучшение энергоэффективности турбины, влияние выступов передней кромки должно быть исследовано более глубоко.

Бугорки представляют собой био-вдохновленный дизайн, который предлагает коммерческую жизнеспособность при проектировании гидроциклов, самолетов, вентиляторов и ветряных мельниц. Преимущество регулирования пассивного потока через бугорчатые конструкции состоит в том, что они устраняют 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 поднимает еще один набор проблем, касающихся высоких нагрузок, связанных с оборудованием. Например, в самолетах 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 турбины 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] Лопасти с бугорками также оказались эффективными при выработке энергии как при высоких, так и при низких скоростях ветра, что означает, что сравнение лопастей с гладкими передними кромками и лопастей с бугорками переднего края, лопасти с бугорками переднего края продемонстрировал повышенную производительность. 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 во многих приложениях для проектирования потоков. 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.

См. Также [ править ]

  • Биомимикрия

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б с д е е г ч я J к л м п о Fish, FE; Вебер, П. В.; Мюррей, ММ; Хаул, Л. Е. (2011). «Бугорки на ластах горбатых китов: применение биоиндуцированной технологии» . Интегративная и сравнительная биология . 51 (1): 203–213. DOI : 10.1093 / ICB / icr016 . PMID 21576119 . 
  2. ^ a b c d e f g h Рыба, Fe; Лаудер, Gv (2005-12-16). «Пассивное и активное управление потоком плавающих рыб и млекопитающих». Ежегодный обзор гидромеханики . 38 (1): 193–224. DOI : 10.1146 / annurev.fluid.38.050304.092201 . ISSN 0066-4189 . 
  3. ^ Watts, P .; Во-первых, FE «Влияние пассивных бугорков передней кромки на характеристики крыльев» (PDF) .
  4. ^ a b Блейн, Л. (март 2008 г.). «Неровные китовые плавники совершат революцию в аэродинамике» . NewAtlas.com .
  5. ^ a b c d e f g h i j k l m Ng, BF; Новый, TH; Паласиос, Р. (2016-04-12). «Влияние бугорков передней кромки на скорость флаттера крыла» . Биоинспирация и биомиметика . 11 (3): 036003. DOI : 10,1088 / 1748-3190 / 11/3/036003 . ЛВП : 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. DOI : 10.1080 / 19942060.2016.1277165 .
  7. ^ a b c d Вебер, Пол (2011). «Подъем, лобовое сопротивление и начало кавитации на рулях с передними бугорками» . Морские технологии и новости Sname . 47 : 27–36.

Внешние ссылки [ править ]

  • Другие примеры биомимикрии