HU192821B - Device for decreasing the flow resistance of bodies set in flow - Google Patents

Description

A találmány tárgya szerkezet áramlásba helyezett testek áramlási ellenállásának csökkentésére, amely szerkezetet az áramlással szembenéző homloklapon helyezünk el adott esetben azzal egy egységet képezően.

Közúti, vasúti, vízi vagy légi járművekre mozgás közben egyaránt hat az áramlási ellenállás, amely áramlási ellenállás nagysága nagymértékben befolyásolja az adott jármű üzemanyagfogyasztását illetőleg annak üzemköltségét. Mivel az áramlásban elhelyezett testekre ható áramlási ellenállás által képviselt erő a mértékadó terhelésnek adott esetben igen tetemes részét képezi, csökkentése esetén többek között lecsökken a szilárdsági génybevétel is, így például a létesítési költségek is lecsökkenthetők. Ilyen szerkezetek például a szél vagy áramló víz hatásának kitett szerkezetek és építmények. Mivel manapság különösen nagy jelentősége van annak, hogy energia üzemanyag vagy akár építési költség is csökkenthető legyen, egyre több olyan jellegű kísérlettel és műszaki megoldással találkozhatunk, amelyeknek célja az áramlási ellenállás valamilyen formában való csökkentése. A vonatkozó szakirodalom szerinti, megállapítható, hogy az elsősorban funkcionális és nem áramlástani szempontok alapján kialakított járműveknél, például autóbuszoknál, teherautóknál, kamionoknál valamint olyan szerkezeteknél és építményeknél, amelyeknek a megfúvás irányával szemben lévő felületeik körül kis lekerekítési sugárú élek vannak kiképezve, az áramlási ellenállás által képzett erő jelentős része, adott esetben túlnyomó többsége, az áramlással szembe néző homlokfelületen ébredő túlnyomás következménye. Erről ír például Hucho: Az autók aerodinamikája c. művében. Azoknak a vizsgálatoknak és kísérleteknek a jelentős része is, amely célul tűzte ki az áramlási ellenállás csökkentését, a homlokfalon ébredő, nyomásból származó erő, azaz a homlokfali ellenállás, csökkentésének kérdésével foglalkozott. Ennek az erőnek a csökkentése a homlokfalon lévő nyomás csökkentésével érhető el. A homlokfalon keletkező nyomás csökkentésére szolgáló módszerek alapvetően két nagy csoportra oszthatók. Az egyik ilyen módszer szerint a homlokfalai, valamint a homlokfalat körülvevő éleket és sarkokat lekerekítik, illetőleg legömbölyítik, a másik módszer szerint pedig a homlokfal elé, azzal párhuzamosan vagy közel párhuzamosan egy lemezt helyeznek el. Az első módszer alkalmazása esetén, ahogyan ezt a mellékelt 1. ábrán is bemutatjuk, a lekerekítés, illetőleg legömbölyítés helyén az áramlás felgyorsul, és a nyomás lecsökken. Minél nagyobb mértékű a lekerekítés a 2 homlokfalnak annál kisebb részén keletkezik a külső nyomásnál nagyobb túlnyomás, és annál nagyobb lesz a homlokfelületnek az a része, ahol a külső nyomásnál kisebb nyomás, azazdepreszszió jön létre. A depresszió, egy az áramlással szemben ható előremutató erőt hoz létre, tehát lecsökkenti az ellenállási erőt. A másik ismert módszer a 2. ábrán mutatjuk be. Eszerint az áramlásban elhelyezett berendezés 2 homloklapja előtt azzal párhuzamosan, vagy közel párhuzamosan 4 lemez van elhelyezve, amely 4 lemeznek a keresztmetszete kisebb, mint a homloklap keresztmetszete. A homloklapon a lemez mögötti térben depresszió alakul ki, amely előremutató erőt hoz létre, azaz lecsökkenti az áramlási ellenállás által létrehozott erőt, Ez az erő így esetenként ellensúlyozhatja a 2 homlokfal előtt elhelyezett 4 lemez előlapján keletkező áramlásirányú erőt. Ennek eredménye lehet az, hogy a 4 lemez és szerkezet, ami elé a 4 lemezt elhelyezték együttes homlokoldali ellenállása adott esetben igen kis értékűre csökkenthető le. Ez a módszer előnyösen ott alkalmazható, ahol egyáltalában lehetőség van a homlokfal előtt egy terelőlemez elhelyezésére. Ilyen például a kamionok vezetőfülkéjére szerelt terelőlemez, amely csökkenti a raktér burkolatára ható ellenálláserőt. Elvileg mindkét ismert módszer alkalmazható a homlckfali ellenállás csökkentésére, a gyakorlatban azonban sok nehézség adódhat, amely az alkalmazás lehetőségét csökkenti, illetőleg csak korlátozott alkalmazását teszi lehetővé.

Autóbuszok, vagy kamionok homlokfalának lekerekitése például a hasznos térfogatot csökkenti, és nehézségeket okoz a technológiában, növeli a költségeket.

A homlokfal előtt azzal párhuzamosan lemez alkalmazása ugyancsak korlátozott, bevezetésére mind gazdasági, mind esztétikai szempontból nem minden esetben kerülhet sor.

A találmány azon a felismerésen alapult, hogy ha a homlokfal egy részén megfelelő szerkezeti elemek segítségével a korábbi módszerektől eltérő módon depressziót hozunk létre, akkor az áramlási ellenállás ugyanúgy lecsökken, ugyanakkor azonban az egyéb hátrányok nagyrészt kiküszöbölhetők lesznek.

A találmány alapgondolata az, hogy a homlokfal melletti áramlásba olyan eszközöket és szerkezeteket helyezünk el, s melyek a homlokfalon depressziót hoznak létre, csökkentik tehát a homlokfalon a nyomást, azaz csökkentik az áramlási ellenállást. Ahhoz, hogy a találmány alapgondolata érthetővé váljon, érdemes megvizsgálni az áramlásnak a jellemzőit a homlokfalon. Ezt a 3. ábrán mutatjuk be. A 2 homlokfalnak van egy olyan pontja, az úgynevezett T torlópont, ahol — a nyomás eléri a maximális értékét, sebessége pedig zérus. A 2 homlokfalon a T torlóponttól távolodva az áramlási sebesség fokozatosan nő, a nyomás pedig ennek megfelelően fokozatosan csökken. A 2 homlokfal közelében a homlokfallal közel párhuzamos áramlás alakul ki, amelynek iránya a T torlóponttól kifelé mutat.

A találmány alapgondolata az volt, hogy a homlokfal melletti áramlásba kell olyan elemeket elhelyezni, amelyek a 2 homlokfalon depressziót idéznek elő, és ejúltal csökkentik a 2 homlokfalon a nyomást, azaz csökkentik a homlokfal ellenállását. Ismeretes az, hogy az áramlásba helyezett tompa — nem áramvonalas — testek felületén kialakuló határréteg a lassuló áramlási szakaszon leválik, és a test mögött kis 3 sebességgel jellemzett nyom, az úgynevezett leválási buborék keletkezik, amelyben a nyomás a külső nyomásnál kisebb. A leválási buborékban lévő depresszió a zavartalan áramlás sebességétől, amelyet az ábrán V-vel jelöltünk, és a leálási buborékot határoló áramvonal iránya, és a zavartalan áramlás iránya közötti szög nagyságától, valamint a szilárd test geometriai kialakításától függ.

A fenti felismerés alapján olyan szerkezetet dolgoztunk ki áramlásba helyezett testek áramlási ellenállásának csökkentésére a homloklapon elhelyezett legalább egy terelőelemmel, amelynek lényege abban van, hogy az áramlásba helyezett testnek az áramlásra merőleges, vagy közel merőleges homlokfelületén annak egy ezen felület kerületénél kisebb kerülete, vagy részkerülete mentén legalább egy depressziót létrehozó részben nyitott üreget képező elemet alakítunk ki. A találmány szerinti szerkezet az áramlásba elhelyezett test homlokfelületére van adott esetben azzal egy egységet képezően kiképezve, és a találmány szerint a depressziót létrehozó legalább egy elem közvetlenül a homlokfelületre van elhelyezve, és a depressziót létrehozó elem homlokfal széle felé eső határoló felülete meridián metszetben a zavartalan áramlás irányával a<60°-os szövet bezáróan van kiképezve, és a legkülső élének a homlokfal szélétől a távolsága a 0,04 <b/'H< 0,3 összefüggés alapján van kialakítva, ahol H a homlokfal kisebb mérete.

A találmány szerinti szerkezet egy előnyös kiviteli alakjában a depressziós üreget létrehozó elem és a homlokfal között egy h< 0,05 H légrés van kiképezve. Célszerűen a depressziót létrehozó elem a homlokfal külső szélei felé le van kerekítve, és a lekerekítési sugár R<0,15 H. Ugyancsak előnyös, ha a depressziót létrehozó elem magassága a homlokfal kisebb mértékű oldalának 0,4-szeresére van kiképezve, azaz 2<0,4 H.

A találmány szerinti szerkezet egy további előnyös kiviteli alakjában a depressziós üreget létrehozó elem több koncentrikus peremként van kiképezve. Ugyancsak előnyös, ha a depressziót létrehozó elemet egy a homlokfal egyik oldalával párhuzamos perem képezi. Célszerűen a depressziót létrehozó elem több, peremszerű elemből áll.

A találmány szerint kialakított depressziót létrehozó elemet a továbbiakban példakénti kiviteli alakjai segítségével a mellékelt ábrákon ismertetjük részletesebben. Az ábrákon az

1. ábrán az áramlási ellenállás csökkentésére alkalmazott ismert megoldások egyike látható, ahol lekerekítések és legömbölyítések segítségével csökkentik az áramlási ellenállást, a

2. ábrán a másik ismert megoldás látható, ahol az áramlásba elhelyezett test homlokfala előtt azzal közel párhuzamosan egy további lemez van az áramlási ellenállás csökkentésére elhelyezve, a

3. ábrán látható az áramlásba helyezett test 4 áramvonalainak a képe a bejelölt T torióponttal, a

4. ábrán a találmány szerinti depressziós üreget létrehozó elem egy példakénti elhelyezése látható, amikor is az elem közvetlenül fekszik fel a homloklapra, az

5. ábrán a találmány szerinti, depressziós üreget létrehozó elem egy olyan példakénti kiviteli alakja látható, ahol a depressziót létrehozó elem és a homlokfal közötti rés van kiképezve, a

6—12. ábrákon a találmány szerinti depressziós üreget létrehozó elem egyegy további előnyös példakénti kiviteli alakja és elrendezése látható.

A találmány szerinti depressziós üreget létrehozó elem egy példakénti kiviteli alakja és elrendezése látható a 4. ábrán, ahol a depressziós üreget létrehozó 3 elem közvetlenül van elhelyezve az áramlásba helyezett test 2 homloklapjára, mégpedig úgy, hogy a 3 elem kerülete kisebb, mint a 2 homloklap kisebb H. mérete. Ezzel a kialakítással az egyébként éles peremű 2 homloklapon egy lépcsőt képeztünk ki. A 3 elem ezen példakénti kiviteli alakjával elvégzett kísérlete azt támasztották alá, hogy az ily módon kiképezett előlap áramlási ellenállása kisebb volt, mint ha a lépcső jellemző méreteivel, tehát magassága és hosszúsága átlagával arányos lekerekítéseket végeztünk volna el a 2 homloklapon. A 2 homloklapra erősített 3 elemnek az áramlással szembenéző felülete tetszőlegesen alakítható ki, lehet sík, kúpos vagy akár homorú is, amelyre egy további példát mutat be az 5. ábra, ahol is a 2 homlokfalra merőlegesen egy lemezcsíkot helyeztünk el depressziós üreget létrehozó 3 elemként.

Ahhoz, hogy a találmány szerinti depressziót létrehozó 3 elemmel megfelelő depressziót tudjunk létrehozni a depressziós üreget létrehozó 3 elemmel szemben, a méretezéssel kapcsolatosan a következőket kell figyelembevenni. Mindenképpen kell egy minimális távolságot biztosítani a 3 elem és a 2 homloklap széle között, hiszen az a térrész az (A) ahol a depresszió az áramlás következtében létrejöhet. Ezt a 2 homlokfal szélétől mért távolságot b-vel jelölve, és az áramlásra merőleges 2 homloklap kisebb méretét H-val jelölve, a b/H értékét az alábbiak szer nt célszerű megválasztani: 0,3 < b/H > 0,01. Ez tehát azt jelenti, hogy ha b/H = 0,3 akkor lényegében már az áramlási ellenállás nem csökken tovább, illetőleg ha 0,01-nél kisebb, az már elhanyagolható mértékben befolyásolja csak az áramlási ellenállás változását.

Egy további jellemzője a találmány szerinti depressziós üreget létrehozó 3 elemnek, hogy nem kell a legnagyobb magasságát nagyobbra választani, mint 0,4 H és felülete kis értékű, akár egy perem is lehet. Ennek abban van a jelentősége, hogy nem kell különleges nagy lemezeket elhelyezni a 2 homloklap előtt, így a technológiával szemben sem kell különleges követelményeket támasztani, ugyanakkor akár utólag is fel-37 szerelhető a már meglévő testekre, szerkezetre vagy berendezésekre.

Még egy további szempontot kell figyelembe venni a 3 elem kialakításánál, nevezetesen azt, hogy a külső síkja, amely a 2 homloklaphoz csatlakozik meridián metszetben, milyen α szöget zárjon be a zavartalan áramlás irányával. Amennyiben ugyanis ez az α szög túl nagy, akkor gyakorlatilag azokat az áramvonalakat követi, amelyek nem lekerekített előlapon (1. 3. ábra) egyébként is kialakulnak, és így nem eredményezhetik az áramlási ellenállás csökkenését. Az α szög tehát, amelyet a 3 elem külső síkja meridián metszetben a zavartalan áramlás irányával bezár 60°-nál kisebb legyen.

A találmány szerinti depressziós üreget létrehozó 3 elem előnye abban van, hogy a depressziós üreget már meglévő szerkezeteken is, utólag létre lehet hozni, ezáltal javítva a korábban kedvezőtlen áramlási ellenállás értékét, továbbá a berendezések tervezésénél figyelembe lehet venni, ugyanakkor különleges technológiák, mint például domborítás alkalmazását nem igényli, nem balesetveszélyes.

A találmány szerinti depressziós üreget létrehozó elem méretezésénél és elhelyezésénél a 2 homloklapon az alábbi összefüggéseket kell figyelembe venni:

Legyen a homloklap kisebb mérete: H, a depressziós üreget létrehozó elem és a homloklap közötti légrés h, az elem szélének a homloklap szélétől való távolsága b, a depressziós üreget létrehozó elem külső síkjának meridián metszetben a zavartalan áramlás irányával bezárt szöge a, és az elem lekerekítési sugara R, a depressziós üreget létrehozó elem magassága Z.

0,3 >b/H> 0,04;

Z<0,4 H;

R<0,15 H.

Ezeknek a figyelembevételével kiképezett depressziós üreget létrehozó 3 elemekkel szélcsatornában végeztünk kísérleteket, és azt tapasztaltuk, hogy az eddigi megoldásokkal megegyező, vagy annál nagyobb ellenálláserő csökkenés érhető el a találmány szerinti megoldással, ugyanakkor azonban a megoldás lényegesen egyszerűbb, olcsóbb, funkcionálisan jobban illeszthető a meglévő berendezések, például járművek szerkezeti elemeihez.

A 6—12. ábrákon a találmány egy néhány kiviteli alakja példaként látható. A találmány szerinti megoldás azzal különíthető el a már ismert, a homlokfelület éleinek lekerekítésén, illetve lekerekített elemek homlokfalra helyezésén alapuló módszerektől, hogy a homlokfali ellenállást a változatlanul hagyott homlokfalon elhelyezett elemek felhasználásával az elemek környezetében a homlokfalon létrejövő nyomás csökkentésével, és nem az utólag elhelyezett elemeken létrehozott depreszszió segítségével éri el. A homlokfal előtt elhelyezett lemezzel, terelővei történő ellenállás csökkentési módszertől az különbözteti meg, hogy amíg annál az ellenállás csökkentés funkcióját egy, a zavartalan áramlás irányára merőleges, vagy közel merőleges, a homlokfaltól viszonylag távol elhelyezett lemez látja el, és a lemezt a homlokfallal összekötő elemek csak szilárdsági feladatot töltenek be, addig az általunk javasolt megoldásnál az ellenállás csökkentése szempontjából lényeges felületek párhuzamosak, vagy közel párhuzamosak a zavartalan áramlással, ahhoz funkcionálisan (és nem szilárdsági okok miatt) kapcsolódnak közvetlenül, vagy viszonylag kisméretű rés közbeiktatásával. Emiatt amíg a homlokfal előtt elhelyezett lemez az egész homlokfalon levált áramlást, és ezzel járó depressziót idéz elő, addig az általunk javasolt szerkezetek csak a homlokfal szélem okoznak nyomáscsökkenést. A homlokfal előtt elhelyezett lemeznél a lemez és a homlokfal közötti térben áramlás van, aminek hatására a lemez hátoldalán a depresszió kissé nagyobb, mint a homlokfalon. Ezt a kedvezőtlen, az ellenállástényezőt növelő jelenséget is megszünteti a javaslatunkban szereplő, homlokfalra merőleges, vagy közel merőleges lemez.

Claims (7)

1. Szerkezet áramlásba elhelyezett testek áramlási ellenállásának csökkentésére, amely az áramlásba elhelyezett test homlokfelületére van, adott esetben, azzal egy egységet képezően kialakítva, azzal jellemezve, hogy a depressziót létrehozó legalább egy elem (3) közvetlenül a homlokfelületre, homlokfalra (2) van elhelyezve és a depressziót létrehozó elem (3) homlokfal (2) széle felé eső határoló felülete meridián metszetben a zavartalan áramlás irányával a<60°-os szöget bezáróan van kiképezve, és legkülső élének a homlokfal (2) szélétől a távolsága (b) a 0,04 <b/H< 0,3 összefüggés alapján van kialakítva, ahol H a homlokfal kisebb mérete.

2. Az 1. igénypont szerinti szerkezet, azzal jellemezve, hogy depressziós üreget létrehozó elem (3) és a homlokfal (2) között egy h<0,05 H légrés van kiképezve.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti szerkezet, azzal jellemezve, hogy a depressziót létrehozó elem (3) a homlokfal (2) külső szélei felé le van kerekítve és a lekerekítési sugár R<0,15 H.

4. Az 1—3. igénypontok bármelyike szerinti szerkezet, azzal jellemezve, hogy a depressziót létrehozó elem (3) magassága a homlokfal kisebb méretű oldalának 0,4-szeresére van kiképezve, azaz Z<0,4 El.

5. Az 1—4. igénypontok bármelyike szerinti szerkezet, azzal jellemezve, hogy a depressziós üreget létrehozó elem (3) több koncentrikus peremként van kiképezve.

6. Az 1—5. igénypontok bármelyike szerinti szerkezet, azzal jellemezve, hogy a dep-49 ressziót létrehozó elemet (3) egy a homlokfal (2) egyik oldalával párhuzamos perem képezi.

7. Az 1—6. igénypontok bármelyike szerinti szerkezet, azzal jellemezve, hogy a depressziót létrehozó elem (3) több peremszerű elemből áll.