Эффект бугорка — это явление, при котором бугорки или большие «выпуклости» на передней кромке аэродинамического профиля могут улучшить его аэродинамику . Эффект, хотя и уже обнаруженный, был тщательно проанализирован Фрэнком Э. Фишем и др. в начале 2000 года. [1] [2] [ сомнительно – обсудить ] [ нужна ссылка ] Эффект бугорка работает, направляя поток по аэродинамическому профилю в более узкие потоки , создавая более высокие скорости. Другим побочным эффектом этих каналов является уменьшение потока, проходящего через законцовку крыла , что приводит к уменьшению паразитного сопротивления из-за вихрей на законцовках крыла . С помощью компьютерного моделирования было определено, что наличие бугорков приводит к задержке угла атаки до момента сваливания, тем самым увеличивая максимальную подъемную силу и уменьшая сопротивление . [1] Рыбы впервые обнаружили [2] [ нужна цитация ] этот эффект, глядя на плавники горбатых китов . Эти киты — единственные известные организмы, использующие эффект бугорка. Считается, что этот эффект позволяет им быть гораздо более маневренными в воде, что позволяет легче ловить добычу. Бугорки на плавниках позволяют им совершать водные маневры, чтобы поймать добычу. [1]
Крошечные крючки на переднем крае крыла совы имеют аналогичный эффект, который способствует ее аэродинамической маневренности и скрытности. [3] [4]
Эффект бугорка — это явление, при котором бугорки или большие выступы на передней кромке крыла, лопасти или паруса улучшают его аэродинамические или гидродинамические характеристики. Исследования на эту тему были вдохновлены работами морских биологов о поведении горбатых китов. Несмотря на свои большие размеры, эти киты подвижны и способны выполнять перекаты и петли под водой. [5] Исследования на горбатых китах показали, что наличие этих бугорков на передней кромке плавников кита снижает сваливание и увеличивает подъемную силу , одновременно снижая шум в послесваловом 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 проведены Уоттсом и Фишем [5] , за которыми последовали дальнейшие эксперименты как в водной, так и в аэродинамической трубе. Уоттс и Фиш определили, что наличие бугорков на передней кромке профиля увеличивает подъемную силу на 4,8%. Дальнейшие численные расчеты подтвердили этот результат и показали, что наличие бугорков может уменьшить влияние сопротивления на 40%. [5] Было обнаружено, что бугорки на передней кромке уменьшают точку максимальной подъемной силы и увеличивают область подъемной силы после сваливания. [6] В режиме после сваливания крылья с бугорками испытывали постепенную потерю подъемной силы, в отличие от крыльев без бугорков, у которых наблюдалась внезапная потеря подъемной силы. [7] Показан пример крыла без выступов по сравнению с крылом с выступами.
Также необходимо учитывать геометрию бугорков, поскольку амплитуда и длина волны бугорков влияют на контроль потока. Бугорки можно представить как небольшие дельтавидные крылья с изогнутой вершиной, поскольку они создают завихрение на верхнем крае бугорка. Эти вихревые структуры вызывают отклонение воздушного потока вниз (нисходящий поток) над гребнями бугорков. Это отклонение вниз задерживает сваливание профиля. Напротив, в желобах этих сооружений наблюдается чистое отклонение воздушного потока вверх (восходящий поток). Локализованный восходящий поток связан с более высокими углами атаки, что связано с увеличением подъемной силы, поскольку отрыв потока происходит во впадинах и остается там. [7] Вихрь, создаваемый бугорком, задерживает отрыв потока по направлению к задней кромке крыла, тем самым уменьшая влияние сопротивления. Однако в воде из-за гребнево-впадинной структуры возможна и нежелательна кавитация. Кавитация возникает в областях с высокой скоростью потока и низким давлением, например, во впадине бугорчатой структуры. В воде на верхней стороне бугорка образуются пузырьки воздуха или карманы. Эти пузырьки уменьшают подъемную силу и увеличивают сопротивление, одновременно увеличивая шум потока, когда пузырьки схлопываются. [7] Однако бугорки можно модифицировать, чтобы манипулировать расположением кавитации. [7]
Влияние амплитуды бугорков оказывает более существенное влияние на работоспособность после срыва, чем длина волны. [5] Более высокая амплитуда бугорков связана с более постепенным сваливанием и более высокой подъемной силой после сваливания, а также с меньшим наклоном подъемной силы перед сваливанием. [5] Длина волны и амплитуда могут быть оптимизированы для повышения производительности после срыва. [5]
Эксперименты по изучению эффектов бугорков на переднем крае в основном сосредоточены на твердых телах, и необходимы дополнительные исследования, чтобы применить знания о эффекте бугорков в промышленности, авиации или энергетике. [5]
Туберкулы — это материальное явление, которое встречается у многих организмов. К этим организмам относятся горбатый кит, акулы-молоты , морские гребешки и хондрихтианы , вымерший водный организм. [2]
Одним из организмов, у которого примечательны бугорки, является 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] неотложная задача по кормлению горбатых китов. [2] Бугорки на ластах помогают поддерживать подъемную силу, предотвращая сваливание и уменьшая коэффициент лобового сопротивления во время поворотов. [2] Бугорки горбатого кита считаются пассивным регулятором потока, поскольку они являются структурными. [2]
У плода горбатого кита развиваются бугорки. [1] Обычно на каждом ласте имеется 9–11 бугорков, которые уменьшаются в размере по мере приближения к кончику ласта. [1] Самые большие бугорки — это первый и четвертый бугорки от плеча кита. [1] Эта анатомическая структура распространена среди крупных видов рыб, в первую очередь хищных видов, на грудных плавниках. [1]
В производственной сфере появляются передовые бугорки. Характеристики ветряных турбин зависят от аэродинамики лопастей, где наблюдаются аналогичные характеристики потока (источник № 9). Современные турбины имеют закрученные лопасти, чтобы учитывать угол атаки в конкретных расчетных условиях. Однако на практике турбины часто работают в нерасчетных условиях, когда происходит остановка, что приводит к снижению производительности и эффективности. [1] [5] Чтобы найти возможное улучшение энергоэффективности турбины , влияние бугорков передней кромки необходимо изучить более глубоко.
Tubercles представляют собой био-дизайн, который обеспечивает коммерческую жизнеспособность при проектировании гидроциклов, самолетов, вентиляторов и ветряных мельниц. Преимущество управления пассивным потоком посредством конструкции бугорков заключается в устранении сложных, дорогостоящих и тяжелых механизмов управления, требующих особого обслуживания, а также в улучшении характеристик подъема тел в воздухе и воде. [1] Одной из проблем, которая остается сегодня, является разница в масштабах структуры и работы, которые использует каждая из этих биотехнологий. Внедряются новые методы для разработки методов задержки остановки в приложениях с потоками. Например, реактивные самолеты с дефектами передней кромки могут нести большую полезную нагрузку на более высоких скоростях и высотах, [1] что позволяет повысить экономическую эффективность в авиационной сфере. Хотя эти эффекты наблюдаются у многих водных животных и птиц, масштабирование этих конструкций до промышленного применения ставит еще один ряд проблем, связанных с высокими нагрузками, связанными с оборудованием. Например, в самолетах конструкция гораздо более ограничена, чем сложная кинематика и структура суставов крыльев птиц, обеспечивающих маневренный поворот. [1] Эту проблему можно решить путем дальнейших исследований совпадения размера и производительности между биологической структурой и инженерным применением. При проектировании турбин также было замечено, что передние эффекты способны улучшить выработку электроэнергии до 20%. [1]
В области авиационной техники бугорки на передней кромке лопаток турбин могут увеличить выработку энергии. [4] [1] Также было обнаружено, что лопасти с бугорками эффективны при выработке энергии как при высоких, так и при низких скоростях ветра. продемонстрировал повышенную производительность. Полезность бугорка для повышения производительности инженерных систем напрямую связана с изучением биологических структур. [5] [1] Важно осознавать универсальность того, что создание конструкций с биоулучшенными свойствами открывает перспективы для многих приложений проектирования потоков. Поскольку эти конструкции становятся все более и более совершенными, применение биомиметрических технологий становится решающим для следующей разработки высокопроизводительных машин и оборудования, поскольку с помощью этих методов разрабатываются различные методы повышения эффективности.