RU2841756C1

RU2841756C1 - Method of reducing drag of cylindrical structures with transverse flow of liquid and gas

Info

Publication number: RU2841756C1
Application number: RU2024137930A
Authority: RU
Inventors: Владимир Алексеевич Фролов; Александр Георгиевич Золотарев; Ван Ха Ле
Filing date: 2024-12-16
Publication date: 2025-06-17

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: there is wide variety of devices interacting with liquid and gas flows, which design is based on cylindrical body of different elongations. These include all possible towers, supports of bridges, pipes of thermal power plants and boiler houses, undercarriage legs and struts of aircraft wings, posts of wind-driven power plants and much more. Reduction of their drag in incident flow, for example, wind, sometimes storm, moving with high speeds, is the subject of many works and researches. Results of some of these investigations are protected by patents. One of the most common methods of reducing drag of cylindrical bodies is the so-called passive method, involving arranging, near the cylindrical bodies, additional devices such as wires, plate-like flow deflectors, cowlings etc. Proposed method proceeds from feathering and application of the device for continuous orientation of flow diverters by velocity vector. Said appliance is made up of separation plate arranged behind streamlined cylindrical body that can additionally reduce drag by damping flow pulsations in body wake.

EFFECT: disclosed is a method of reducing drag of cylindrical bodies streamlined by cross flow, using flow deflectors with control of their orientation relative to approach flow velocity vector using separating plate arranged in bottom part of cylindrical body.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к механике жидкости и газа, а именно к способу снижения лобового сопротивления цилиндрических конструкций, таких как опоры мостов, стойки шасси и подкосы крыльев самолетов, стойки ветроэнергетических установок, различные башни или вертикальные трубы при их поперечным обтекании потоком жидкости или газа.The invention relates to fluid and gas mechanics, namely to a method for reducing the drag of cylindrical structures such as bridge supports, landing gear struts and wing struts of aircraft, wind turbine struts, various towers or vertical pipes when they are transversely flown by a liquid or gas stream.

Дополнительные приспособления вблизи тела, такие как гибкие проволоки, являются среди пассивных методов снижения лобового сопротивления цилиндра, одними из самых распространенных. Очень активно они используются в различных объектах инфраструктуры, таких как: трубы, мачты, монументы и другие высотные сооружения. Для некоторых объектов, например: дымовой трубы с навитой проволокой (Rodrigues Quadrante, L.A., Nishi, Y. Amplification/suppression of flow-induced motions of an elastically mounted circular cylinder by attaching tripping wires. Journal of Fluid sand Structures (48). - 2014. - P. 93-102) при прочих равных условиях, можно получить экспериментальное значение коэффициента лобового сопротивления C_xa=0,6.Additional devices near the body, such as flexible wires, are among the most common passive methods of reducing the cylinder drag. They are very actively used in various infrastructure objects, such as pipes, masts, monuments and other high-rise structures. For some objects, for example: a chimney with wound wire (Rodrigues Quadrante, LA, Nishi, Y. Amplification/suppression of flow-induced motions of an elastically mounted circular cylinder by attaching tripping wires. Journal of Fluid sand Structures (48). - 2014. - P. 93-102) under other equal conditions, it is possible to obtain an experimental value of the drag coefficient C _xa = 0.6.

Однако при хорошей эффективности, снижение сопротивления до 30%, такая навивка тонкой проволоки, на конструкции различной технологической сложности и различных габаритов, трудоемка и не всегда технически возможна.However, with good efficiency, reducing resistance to 30%, such winding of thin wire, on structures of varying technological complexity and different dimensions, is labor-intensive and not always technically possible.

Известен способ снижения лобового сопротивления клюшки для игры в мяч (US 2006/0014588 А1, МПК А63В 53/10, А63В 60/00, http://patents.google.com/patent/ US20060014588A1/en?oq=us+2006%2f0014588A1), имеющей в поперечном сечении форму круглого цилиндра. Снижение сопротивления достигается благодаря установке по всей длине клюшки Т-образной разделительной пластины, позволяющей уменьшить лобовое сопротивление и минимизировать крутящий момент. Недостатком данного способа является высокая конечная стоимость изделия, т.к. пластина должна быть изготовлена из композитных материалов. Кроме того, эффективность данного приема проявляется только при строго определенном движении клюшки, т.е цилиндрического тела.A method is known for reducing the frontal resistance of a ball stick (US 2006/0014588 A1, IPC A63B 53/10, A63B 60/00, http://patents.google.com/patent/US20060014588A1/en?oq=us+2006%2f0014588A1), which has a cross-sectional shape of a round cylinder. Reduction of resistance is achieved by installing a T-shaped separating plate along the entire length of the stick, which reduces frontal resistance and minimizes torque. The disadvantage of this method is the high final cost of the product, since the plate must be made of composite materials. In addition, the effectiveness of this technique is manifested only with a strictly defined movement of the stick, i.e., a cylindrical body.

Еще одним решением является способ снижения лобового сопротивления с помощью обтекателя (RU 2186265 С1, МПК F15D 1/12, опубл. 27.07.2002). Изобретение относится к судо-, авиа- и ракетостроению и представляет собой обтекатель, содержащий конический отклонитель потока, установленный в носовой части корпуса. Обтекатель устанавливается, так, что полностью закрывает носовую часть, а между отклонителем и корпусом образуется эжекционный канал. Недостатком данного способа является сложность конструкции и, как и в предыдущем случае, значительный эффект проявляется при строго определенном движении корпуса.Another solution is a method for reducing drag using a fairing (RU 2186265 C1, IPC F15D 1/12, published 27.07.2002). The invention relates to ship, aircraft and rocket engineering and is a fairing containing a conical flow deflector installed in the nose of the hull. The fairing is installed so that it completely covers the nose, and an ejection channel is formed between the deflector and the hull. The disadvantage of this method is the complexity of the design and, as in the previous case, a significant effect is manifested with a strictly defined movement of the hull.

Для решения указанной технической задачи предложено также (Grimminger, G. The effect of rigid guide vanes on the vibration and drag of a towed circular cylinder / G. Grimminger // The David W. Taylor Model Basin. - 1945) использовать расположенные впереди по потоку дефлекторы различной конфигурации и ориентации по отношению к цилиндрическому телу.To solve the specified technical problem, it was also proposed (Grimminger, G. The effect of rigid guide vanes on the vibration and drag of a towed circular cylinder / G. Grimminger // The David W. Taylor Model Basin. - 1945) to use deflectors of various configurations and orientations in relation to the cylindrical body located ahead of the flow.

Указанный подход реализован в изобретении (RU 2731461 С1, МПК F15D 1/00, опубл. 03.09.2020), рассматриваемый как прототип. Предложенный в нем способ снижения сопротивления относится ко всем цилиндрическим телам, имеющим в поперечном сечении форму круга и обтекаемых поперечным потоком.The said approach is implemented in the invention (RU 2731461 C1, IPC F15D 1/00, published 03.09.2020), considered as a prototype. The method for reducing drag proposed in it applies to all cylindrical bodies that have a circular cross-section and are streamlined by a transverse flow.

В приведенном техническом решении вблизи цилиндрического тела устанавливаются плоские отклонители потока с возможностью создания каналов между ними и телом, в которых, благодаря эффекту конфузора, поток может ускоряться, смещая линию отрыва потока от цилиндрического тела вдоль его поверхности назад по потоку. При этом плоские отклонители потока имеют вид пластин, причем устанавливают либо две, либо четыре пластины - две передние пластины располагают вблизи передней части тела, симметрично относительно горизонтальной плоскости проходящей через его ось. Причем, вектор скорости имеет постоянное горизонтальное направление, передние отклонители потока установлены с отрицательными углами атаки, а задние пластины установлены с положительными углами атаки симметрично плоскости, проходящей через ось цилиндра параллельно горизонтальному вектору скорости набегающего потока. Однако, при высокой, эффективности предложенного решения, недостатком является то, что положительный эффект достигается при строго определенной ориентации, расположенных рядом с цилиндром отклонителей потока, по отношению к вектору обтекающего их потока. При рассогласовании направления потока и направленности системы отклонителей потока, в случае динамичного изменения направления вектора скорости потока, эффект снижения лобового сопротивления теряется.In the given technical solution, flat flow deflectors are installed near the cylindrical body with the possibility of creating channels between them and the body, in which, due to the confuser effect, the flow can accelerate, shifting the line of flow separation from the cylindrical body along its surface back along the flow. In this case, the flat flow deflectors have the form of plates, and either two or four plates are installed - two front plates are located near the front part of the body, symmetrically relative to the horizontal plane passing through its axis. Moreover, the velocity vector has a constant horizontal direction, the front flow deflectors are installed with negative angles of attack, and the rear plates are installed with positive angles of attack symmetrically to the plane passing through the axis of the cylinder parallel to the horizontal vector of the incoming flow velocity. However, with high efficiency of the proposed solution, the disadvantage is that the positive effect is achieved with a strictly defined orientation of the flow deflectors located near the cylinder, relative to the vector of the flow flowing around them. When there is a mismatch between the direction of the flow and the direction of the flow diverter system, in the case of a dynamic change in the direction of the flow velocity vector, the effect of reducing drag is lost.

В предлагаемом решении снижения лобового сопротивления круглого цилиндрического тела, включающем установку вблизи его передней части, направленной навстречу набегающему потоку, отклонителей потока в виде пластин, установленных симметрично и с отрицательными углами наклона относительно плоскости, проходящей через его ось, с зазором от его поверхности, в отличие от прототипа, вблизи донной части цилиндрического тела, вдоль плоскости, симметрично которой установлены отклонители потока, размещают разделительную пластину. Причем разделительная пластина и отклонители потока жестко соединены со смонтированными на цилиндрическом теле концевыми муфтами, с возможностью их поворота вокруг своей обечайки цилиндрического тела, обеспечивающей ориентацию выбранной плоскости, с которой скоординированы отклонители потока и разделительная пластина, строго по вектору скорости набегающего потока. Разделительная пластина, в данном случае, играет роль флюгера.In the proposed solution for reducing the drag of a round cylindrical body, including the installation near its front part, directed towards the oncoming flow, of flow deflectors in the form of plates installed symmetrically and with negative angles of inclination relative to the plane passing through its axis, with a gap from its surface, unlike the prototype, a separating plate is placed near the bottom part of the cylindrical body, along the plane, symmetrically to which the flow deflectors are installed. Moreover, the separating plate and the flow deflectors are rigidly connected to the end couplings mounted on the cylindrical body, with the possibility of their rotation around their shell of the cylindrical body, ensuring the orientation of the selected plane, with which the flow deflectors and the separating plate are coordinated, strictly along the velocity vector of the oncoming flow. The separating plate, in this case, plays the role of a weather vane.

Технический результат предлагаемого изобретения - обеспечение снижение лобового сопротивления цилиндрических тел, имеющих в поперечном сечении круглую форму и оснащенных системой отклонителей потока, обеспечивается за счет установки дополнительной разделительной пластины, расположенной сзади по потоку за цилиндрическим телом и конструктивно жестко соединенной с отклонителями потока через поворотные концевые муфты, обеспечивающие ориентацию отклонителей потока по вектору скорости набегающего на цилиндрическое тело потока.The technical result of the proposed invention is to ensure a reduction in the drag of cylindrical bodies having a circular cross-section and equipped with a system of flow diverters, which is ensured by installing an additional separating plate located downstream of the cylindrical body and structurally rigidly connected to the flow diverters through rotary end couplings that ensure the orientation of the flow diverters along the velocity vector of the flow incident on the cylindrical body.

Усиление заявленного технического результата достигается благодаря тому, что разделительная пластина, согласно (Девнин, С.И. Аэрогидромеханика плохообтекаемых конструкций / С.И. Девнин. - Ленинград.: Судостроение, 1983), одновременно, также, сама по себе, является способом снижения лобового сопротивления цилиндрических тел, за счет снижения пульсаций в следе, что усиливает эффект ее воздействия на снижение лобового сопротивления круглого цилиндра.The enhancement of the stated technical result is achieved due to the fact that the separator plate, according to (Devnin, S.I. Aerohydromechanics of poorly streamlined structures / S.I. Devnin. - Leningrad.: Shipbuilding, 1983), at the same time, also, in itself, is a way to reduce the frontal resistance of cylindrical bodies, due to the reduction of pulsations in the wake, which enhances the effect of its impact on reducing the frontal resistance of a round cylinder.

Предлагаемый способ позволяет также осуществить фиксацию в донной части цилиндрического тела, симметрично плоскости проходящей через разделительную пластину двух отклонителей потока, с положительными углами относительно плоскости разделительной пластины. Причем эти задние отклонители потока также жестко соединены с установленными на цилиндрическом теле концевыми поворотными муфтамиThe proposed method also allows for fixing in the bottom part of the cylindrical body, symmetrically to the plane passing through the separating plate, two flow diverters, with positive angles relative to the plane of the separating plate. Moreover, these rear flow diverters are also rigidly connected to the end rotary couplings installed on the cylindrical body.

В заявленном способе новым является то, что, в случае изменения направления набегающего на цилиндрическое тело потока применение разделительной пластины обеспечивает ориентацию системы отклонителей потока по отношению к направлению набегающего потока и снижение пульсаций в донном следе, что обеспечивает значительное, до 40%, снижение лобового сопротивления цилиндрического тела.What is new in the claimed method is that, in the event of a change in the direction of the flow incident on the cylindrical body, the use of a separating plate ensures the orientation of the flow deflectors system in relation to the direction of the incident flow and a reduction in pulsations in the bottom wake, which ensures a significant, up to 40%, reduction in the drag of the cylindrical body.

Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 - схема расположения разделительной пластины вблизи круглого цилиндрического тела с двумя отклонителями потока, расположенных симметрично плоскости, проходящей через ось цилиндрического тела параллельно вектору скорости набегающего потока;The invention is explained by drawings: Fig. 1 - diagram of the arrangement of a separating plate near a round cylindrical body with two flow deflectors located symmetrically to a plane passing through the axis of the cylindrical body parallel to the velocity vector of the incoming flow;

фиг. 2 - общий вид цилиндрического тела, оснащенного двумя отклонителями потока и разделительной пластиной.Fig. 2 - general view of a cylindrical body equipped with two flow diverters and a separating plate.

Заявляемый способ снижения лобового сопротивления цилиндрического тела выполняется следующим образом.The claimed method for reducing the drag of a cylindrical body is performed as follows.

На цилиндрическое тело 1 (фиг. 1, фиг. 2) устанавливаются цилиндрические концевые муфты 2, с возможностью скольжения-поворота их вокруг своих опорных обечаек цилиндрического тела и жесткого крепления к ним (не показано) передних по потоку отклонителей потока 3 и разделительной пластины 4 (фиг. 1, фиг. 2). Набегающий поток проходя в конфузоре, между отклонителями потока 3, установленных с отрицательными углами атаки, и цилиндрическим телом 1, в пространстве между концевыми муфтами 2, ускоряется и сдвигает линию отрыва потока дальше к тыльной части протяженного цилиндрического тела 1, снижая тем самым лобовое сопротивление всей конструкции. Поток среды, обтекая отклонители потока 3 и цилиндрическое тело 1, воздействует на разделительную пластину 4. В случае отклонения вектора скорости потока от направления хорды разделительной пластины 4, поток среды генерирует на ней момент силы, разворачивающий разделительную пластину 4 параллельно вектору скорости. Отклонители потока 3, жестко связанные концевыми муфтами 2 с разделительной пластиной 4, разворачиваются вместе с ней в положение навстречу потоку, таким образом, чтобы обеспечивать максимальное снижение лобового сопротивления всей конструкции.Cylindrical end couplings 2 are mounted on the cylindrical body 1 (Fig. 1, Fig. 2) with the possibility of sliding and rotating them around their supporting shells of the cylindrical body and rigidly attaching to them (not shown) the forward flow deflectors 3 and the separating plate 4 (Fig. 1, Fig. 2). The oncoming flow, passing in the confuser, between the flow deflectors 3 installed with negative angles of attack, and the cylindrical body 1, in the space between the end couplings 2, accelerates and shifts the flow separation line further to the rear part of the extended cylindrical body 1, thereby reducing the drag of the entire structure. The flow of the medium, flowing around the flow deflectors 3 and the cylindrical body 1, acts on the separating plate 4. In the event of a deviation of the flow velocity vector from the direction of the chord of the separating plate 4, the flow of the medium generates a moment of force on it, turning the separating plate 4 parallel to the velocity vector. Flow diverters 3, rigidly connected by end couplings 2 to the separating plate 4, are deployed together with it into a position facing the flow in such a way as to ensure maximum reduction of the frontal resistance of the entire structure.

Отклонители потока 3 закреплены на концевых муфтах 2 с помощью любого стандартного соединения 5, а разделительная пластина с помощью любого стандартного соединения 6 (фиг. 2, не показано).Flow diverters 3 are secured to end couplings 2 using any standard connection 5, and the separating plate using any standard connection 6 (Fig. 2, not shown).

Формирование на цилиндрических конструкциях различного применения, системы отклонителей потока жестко связанных с помощью поворотных цилиндрических концевых муфт, с разделительной пластиной позволяет обеспечивать необходимую непрерывную ориентацию отклонителей потока относительно направления набегающего потока среды, в случае динамично меняющегося его направления, с целью снижения лобового сопротивления цилиндрических конструкций и снижения действующих на них нагрузок.The formation of a system of flow diverters rigidly connected with the help of rotary cylindrical end couplings with a separating plate on cylindrical structures for various applications allows for the necessary continuous orientation of the flow diverters relative to the direction of the oncoming flow of the medium, in the case of its dynamically changing direction, in order to reduce the frontal resistance of cylindrical structures and reduce the loads acting on them.

Проведенная предварительная серия экспериментов на моделях в аэродинамической трубе Самарского университета показала достоверность и высокую эффективность предложенного способа. Эксперименты продемонстрировали возможность снижения коэффициента лобового сопротивления цилиндрических тел до 40%, в результате применения предложенного способа.A preliminary series of experiments on models in the wind tunnel of Samara University demonstrated the reliability and high efficiency of the proposed method. The experiments demonstrated the possibility of reducing the drag coefficient of cylindrical bodies to 40%, as a result of using the proposed method.

Изобретение может быть реализовано в научно-исследовательских организациях и предприятиях авиационной, ракетно-космической промышленности, а также в строительной и энергетической отраслях.The invention can be implemented in research organizations and enterprises of the aviation, rocket and space industries, as well as in the construction and energy industries.

Claims

1. A method for reducing the drag of a round cylindrical body, which includes installing, near its front part, directed towards the oncoming flow, flow deflectors in the form of plates installed symmetrically and with negative angles of inclination relative to a plane passing through its axis, with a gap from its surface, characterized in that, near the bottom part of the cylindrical body, along the plane symmetrically to which the flow deflectors are installed, a separating plate is placed, wherein the separating plate and the flow deflectors are rigidly connected to end couplings mounted on the cylindrical body with the possibility of their rotation around their shell of the cylindrical body, ensuring the orientation of the selected plane, with which the flow deflectors and the separating plate are coordinated, strictly along the velocity vector of the oncoming flow.

2. A method for reducing the drag of a round cylindrical body according to claim 1, characterized in that in the bottom part of the cylindrical body, symmetrically to the plane passing through the separator plate, two flow deflectors with positive angles relative to the plane of the separator plate are installed, and these flow deflectors are rigidly connected to end rotary couplings installed on the cylindrical body.