CN106542046B - 一种扰流式涡破碎尾部减阻装置 - Google Patents

一种扰流式涡破碎尾部减阻装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种扰流式涡破碎尾部减阻装置，属于水下减阻领域。包括扰流带和多个大小不一的扰流片，扰流带为圆环状结构，安装在航行体尾部边缘，扰流带上沿周向设置有一圈扰流片，每个扰流片为半椭圆形状，且尖端向扰流带的中心收缩，扰流片之间相互紧邻，但不重叠搭接。本发明在不增加航行体长度的前提下，能够实现尾部泄漏涡完全破碎，消除尾部的脱落涡系，减小尾部阻力，可以广泛应用于尾部无法形成流线型尾部外形的各类水下航行体。

Description

一种扰流式涡破碎尾部减阻装置
技术领域
本发明涉及水下减阻领域，尤其涉及一种扰流式涡破碎尾部减阻装置。
背景技术
水中的航行难以实现高速其主要原因是以相同速度航行，水中的航行阻力是空气中的约800倍。因此水中与水面的各类航行体，采用流线型外形减阻，但是所能达到的经济适用的航速只有30～70节。对于水中处于增大包容体积，减小航行体长度等要求，有部分航行体的外形无法形成尾部流线型设计。对于这类外形，其尾部阻力成为主要的阻力来源，大幅增大了总的阻力，无法实现远程航行。已有的水中航行器外形减阻优化设计主要关注通过流线型外形消除尾部的脱落涡减小阻力，相对比较缺乏有效减小非流线型尾部脱落涡阻力的方法。
《Control of Vortex Shedding and Drag Reduction through Dual SplitterPlates Attached to a Square Cylinder》中提出在非流线型钝体的头部和尾部的中心安装不同长度的分离平板，可以抑制尾部的脱落涡产生减小尾部阻力的效果，但是减阻效果有限。由于尾部中心安装的分离平板尺寸较长，增加了整个航行器的长度，这与航行器使用非流线型尾部来减少总长这个特点冲突。
《防涡圈对离心风机性能的影响》中提出，在离心风机中安装放涡圈对于破碎大尺度旋涡和降低旋转强度以及改善离心风机内部流场具有很好的效果。采用的防涡圈改变了流道形状，可以改善流动。防涡圈在周向是均匀的没有变形，不能有效地破碎大尺度漩涡，而且主要适用于内部流场改善，不适用尾部脱落涡的破碎。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种扰流式涡破碎尾部减阻装置，在不增加航行体长度的前提下，能够实现尾部泄漏涡完全破碎，消除尾部的脱落涡系，减小尾部阻力，可以广泛应用于尾部无法形成流线型尾部外形的各类水下航行体。
本发明包括如下技术方案：一种扰流式涡破碎尾部减阻装置，包括扰流带和多个大小不一的扰流片；扰流带为圆环状结构，安装在航行体尾部边缘，扰流带上沿周向设置有一圈扰流片，每个扰流片为半椭圆形状，且尖端向扰流带的中心收缩，扰流片之间相互紧邻，但不重叠搭接。
所述扰流片的收缩比不小于0.8，其中扰流片的收缩比＝d/D，d为扰流片尖端的最小内圈直径，D为航行体的最大直径。
每个扰流片的椭圆长轴为短轴的1.5～2.5倍，且在扰流带周向上的一圈扰流片中，最大扰流片的椭圆长轴的尺度小于脱落涡尺度。
在扰流带周向上的一圈扰流片中，最大扰流片的长轴不大于最小扰流片长轴的2倍。
扰流带(4)上设置的扰流片个数范围是10～20个。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明减阻装置通过在航行体尾部安装环形扰流带，在扰流带上布置大小不一的扰流片，扰流片的特征尺度小于脱落涡尺度，在来流通过航行体尾部时，产生周向不均匀的流动，破碎尾部脱落涡，从而在不增加航行体长度的前提下，减小尾部脱落涡带来的阻力，大幅降低航行器的总的阻力，可以广泛应用于尾部无法形成流线型尾部外形的各类水下航行体。
(2)扰流片的收缩比不小于0.8，可以减小因为扰流片自身引起的阻力，并且导引流动向尾部的中心，进一步加强对尾部脱落涡的破碎作用。
(3)扰流带上设置的扰流片个数范围是10～20个，在此个数范围内每个扰流片的尺度略小于水下航行体的尾部脱落涡的常规尺度，具有较强的破碎效果。
附图说明
图1为航行体尾部安装扰流带和扰流片后的纵截面示意图；
图2为扰流带和扰流片水平展开后的示意图；
图3为航行体尾部安装扰流带和扰流片后的轴向示意图。
具体实施方式
下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
本发明针对无法形成流线型尾部外形的水下航行体，提出了扰流式涡破碎减阻装置，该装置在航行体尾部安装圆环状扰流带，扰流带上安装多个径向的不同宽窄的扰流片，可以产生宽频的不均匀流动，高效率破碎尾部脱落涡，从而减小尾部脱落涡带来的阻力，改变尾部的来流分离尺度，大幅降低航行体的总的阻力。
具体来说，本发明减阻装置包括扰流带4和扰流片2，扰流带4为圆环状结构，安装在航行体1尾部3的边缘，沿扰流带轴向安装有一圈大小不一的扰流片，如图3所示。每个扰流片的形状为半椭圆，且椭圆长轴a为椭圆短轴b的1.5-2.5倍。如图2为扰流带和扰流片水平展开后的示意图半椭圆的扰流片上游的附面层分离流动通过扰流片后被破碎成小尺度漩涡流动。在扰流带上的一圈扰流片中，最大扰流片的椭圆长轴a的尺度小于脱落涡尺度，且最大扰流片的长轴不大于最小扰流片长轴的2倍。扰流片2的尖端向内收缩，与主体流动不冲突，不产生额外的阻力。如图1所示为航行体尾部安装扰流带和扰流片后的纵截面示意图，扰流片的收缩比＝d/D，d为扰流片末端的最小内圈直径，D为航行体的最大直径，1>d/D>0.8。扰流带上安装的扰流片为10-20个。扰流片之间相互紧邻，但是不重叠搭接，形成收缩的流动缝隙，让漩涡流动通过时破碎。
应用本发明的装置，来流在通过航行体主体时，受到壁面的摩擦阻力影响，形成低速的附面层。到达航行体尾部时，附面层最厚，在尾部附面层沿扰流带一周的不均匀扰流片流向尾部。扰流片的边缘将附面层的粘性涡破碎，形成的流动较为均匀，经扰流片的导引，沿不同方向流向尾部，与尾部的分离流动产生的脱落涡混合，从而破碎尾部的脱落涡，防止尾部的大尺度脱落涡形成，减弱尾部的分离流动。由于尾部的分离流动减弱，压强回升，因此尾部阻力减小。
在破碎大尺度的脱落涡时，可以同时消除脱落涡周期性脱落产生的非定常作用力，因此应用本发明装置在减小尾部阻力的时候，也可以减小非定常冲击。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种扰流式涡破碎尾部减阻装置，其特征在于：包括扰流带(4)和多个大小不一的扰流片(2)；扰流带(4)为圆环状结构，安装在航行体尾部边缘，扰流带(4)上沿周向设置有一圈扰流片(2)，每个扰流片(2)为半椭圆形状，且尖端向扰流带(2)的中心收缩，扰流片(2)之间相互紧邻，但不重叠搭接。
2.根据权利要求1所述的一种扰流式涡破碎尾部减阻装置，其特征在于：所述扰流片(2)的收缩比不小于0.8，其中扰流片(2)的收缩比＝d/D，d为扰流片尖端的最小内圈直径，D为航行体的最大直径。
3.根据权利要求1所述的一种扰流式涡破碎尾部减阻装置，其特征在于：每个扰流片的椭圆长轴(a)为短轴(b)的1.5～2.5倍，且在扰流带周向上的一圈扰流片中，最大扰流片的椭圆长轴(a)的尺度小于脱落涡尺度。
4.根据权利要求1所述的一种扰流式涡破碎尾部减阻装置，其特征在于：在扰流带周向上的一圈扰流片中，最大扰流片的长轴不大于最小扰流片长轴的2倍。
5.根据权利要求1所述的一种扰流式涡破碎尾部减阻装置，其特征在于：扰流带(4)上设置的扰流片个数范围是10～20个。
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