Skype Skype Me™!, tel. (044) 228-18-35, e-mail: kimo.biz at gmail.com
English  Русский 

CHOOSE YOUR LANGUAGE

Каталог

Блог / Новости

22.10.2012 20:43:55
23.08.2011
03.11.2009
Подписаться на новости:
или RSS 2.0

Голосование

В 1920 году австрийский ученый Франц Вельс, проводивший исследования механизма движения хвоста рыб, сделал заключение, что локальное движение рыбы произведено искривлениями позвоночника, вызванного дополнительными сокращениями смежных мышечных волокон, которые вызывают изгибы тела рыбы, всегда начинаясь с головы, переходя к хвосту в форме волнообразных колебаний и снова начинаясь с головы. Причем эти волнообразные колебания происходят в плоскости, перпендикулярной (или близкой к перпендикулярной) направлению движения рыбы. Подобным образом происходит движение у птиц и у земноводных. На основании этих исследований Франц Вельс сконструировал и в 1921 году запатентовал устройство [1], призванное не только воспроизводить движение рыб, но и осуществлять полезную работу в виде перемещения потока воды. В своем патенте он высказал предположение, что это устройство может не только преобразовывать механическую энергию мускульной силы или химическую энергию сгорания топлива двигателя в полезную работу перемещения жидкости, но и совершать обратное преобразование кинетической энергии водного потока в механическую энергию вращения вала двигателя. Правда, идея о преобразовании энергии потока жидкости в полезную работу не получила подтверждение, а эффективность от работы устройства в виде насоса для перекачивания жидкости оказалась настолько малой, что дальнейшего развития она не получила. Автор идеи попытался механически воспроизвести кинематику движения рыб при помощи обычных кривошипно-шатунных и кривошипно-ползунных механизмов, не разобравшись в физической сути этих движений.
Автор надеялся передать усилие воздействия потока на размещенный в потоке рабочий элемент, имеющий возможность имитировать движение рыб, и далее через ползун на поршень силового двигателя.  Но при этом силы механического демпфирования предлагаемого устройства, изначально имеющие место, были настолько велики, что ни о каком движении самого поршня не могло быть и речи.
 
В 1936 году английский зоолог профессор Джеймс Грей сделал расчет мощности, развиваемой мускулатурой дельфина при скорости V=10 м/с (36 км/час) и обнаружил фантастический парадокс: дельфин не мог плыть с такой скоростью, так как развивал недостаточную мощность – в 7 раз меньшую, чем было нужно [2]. Этот нонсенс получил в науке название «парадокс Грея». Правда, автор расчета исходил из того, что пограничный слой жидкости, обтекая тело плывущего дельфина, принимает турбулентный (винтовой) характер, а это увеличивает трение между телом и водой. Такое допущение было бы вполне правомерно, если бы речь шла об обтекании жесткого тела, по форме и размерам напоминающего дельфина. Но в данном случае тело было живое, гибкое, и сам Дж. Грей предположил, что объяснение парадокса возможно, если обтекание имеет характер ламинарный, то есть струйный, спокойный, - в этом случае трение существенно снижается. Иными словами, у плывущего дельфина есть какой-то механизм ламиниризации пограничного слоя жидкости.
Попытки ученых найти этот механизм или опровергнуть расчеты Дж. Грея составили целое направление в гидробионике. Особое внимание плаванию дельфинов стали уделять с начала 60-х годов в связи с бурным ростом интереса к бионике. Судя по публикациям, работы в этой области велись преимущественно в Великобритании, США и СССР [3].
Поиски секрета скорости дельфинов долгие годы велись, главным образом, в области изучения структуры и различных свойств их кожного покрова: имелось в виду создание искусственного покрытия для морских судов, которое обладало бы, как думали, способностью кожного покрова демпфировать (гасить) колебания пограничного слоя. Однако до сих пор убедительных, подтвержденных экспериментально доказательств того, что дело только в кожном покрове, нет. Здесь уместно заметить, что у самых быстроходных рыб мирового океана, таких как тунцы, парусники, марлины, меч-рыбы тело покрыто большей частью крупной, жесткой чешуей, и говорить о каких-то демпфирующих свойствах такого покрытия не приходится, а скорость их под водой достигает 100 км/час.
Между тем еще Дж. Грей в той же работе предположил, что механизм ламиниризации пограничного слоя может быть связан с наличием так называемого отрицательного градиента динамического давления жидкости вдоль тела животного, возникающего вследствие активного движения тела как у дельфинов, так и у рыб. Проще говоря, характер движений плывущего тела снижает давление жидкости от головы к хвосту, и это уменьшает степень ее турбулентности.
Однако до сих пор ни описать теоретически механизм движения дельфинов, ни, тем более, экспериментально получить эффекты, связанные с воспроизведением кинематики движения дельфинов, никто не смог.

Схема волнообразного движения тела рыбы, представленная в работе [1], похоже на схему движения одиночного цилиндра в продольном потоке жидкости при достаточно высоких скоростях потока, приводящих к потере  устойчивости цилиндра и возникновению изгибно-крутильного флаттера. Динамика одиночного цилиндра в продольном потоке жидкости изучена достаточно подробно [4-10]. Четко установлено [6,10], что при малых скоростях потока цилиндры совершают небольшие случайные колебания, возбуждаемые случайными возмущениями осредненного потока; влияние осредненного потока сказывается в появлении гидродинамического демпфирования и снижении собственных частот цилиндра. Однако при достаточно высоких скоростях потока система вначале теряет устойчивость в результате статического выпучивания (явление «дивергенции»), а затем в ней возникает «флаттер» [4,5,10]. Вместе с тем в обзоре [9, 10] было показано, что у большинства промышленных систем цилиндры не являются достаточно гибкими, а скорости потока достаточно высокими для того, чтобы эти явления неустойчивости и возникновение флаттера могли реализоваться на практике.

Термин «автоколебания» обычно применяют к колеблющимся объектам, которые могут черпать энергию из потока текучей среды (воздух, вода), поддерживая при этом незатухающие колебания. Если энергия черпается из равномерного потока, этот процесс автоколебаний носит название «флаттер». Понятие «флаттер» обычно применяют к крыльям самолетов и лопаткам турбомашин. Позднее это название стали применять при исследовании трубных массивов теплообменных аппаратов.
В авиации флаттер среди колебаний и вообще среди многочисленных видов вибраций, которым подвержены летательные аппараты, представляет особую опасность, заключающуюся в том, что возникающие при этих интенсивных колебаниях динамические напряжения в конструкции летательных аппаратов могут быстро (иногда в течение нескольких секунд) достигнуть разрушающих, результатом чего является разрушение летательных аппаратов в полете [11]. Поэтому возникновение флаттера в любой форме недопустимо.

Всегда, при исследовании взаимодействия колеблющихся объектов с потоком текучей среды, явление флаттер рассматривалось как вредное (катастрофическое) явление, которое может возникать только в технике, которое приводит к разрушению объекта и которого нельзя допускать. Поэтому все исследования, испытания и расчеты явления флаттер сводились к определению граничных условий возникновения флаттера и рекомендациям по недопущению этих условий [11, 12].

  Информация об использовании явления флаттер в устройстве для преобразования кинетической энергии потока текучей среды в полезную работу имеется в патенте [13], которая является усовершенствованием тех же самых патентов [14, 15, 16]. В данных работах автор путает явление флаттер с явлением резонанса  (обычных вынужденных колебаний) колеблющегося в потоке текучей среды массива цилиндрических объектов, когда законы колебаний цилиндрических объектов являются непредсказуемыми, а колебания самих объектов являются затухающими и их постоянно необходимо поддерживать внешними возмущениями.

Основными видами флаттера колеблющихся объектов в потоке текучей среды при дозвуковом обтекании являются срывной флаттер, решеточный флаттер и изгибно-крутильный флаттер [12].
Теоретически условия возникновения и анализ изгибно-крутильного флаттера одиночного крыла (профиля) описаны в работе [17].  Если бы возникали только чисто изгибные или чисто крутильные колебания, то они затухали бы за счет аэродемпфирования (а также механического демпфирования). Появление совместных изгибно-крутильных колебаний коренным образом меняет картину. Дело в том, что как изгибные, так и крутильные колебания профиля будут вызывать появление нестационарных аэродинамических сил и моментов (нестационарных аэродинамических воздействий – НАВ), работа которых может быть как положительной, так и отрицательной в зависимости от угла сдвига фаз между изгибными и крутильными колебаниями. Если подведенная и отведенная энергии балансируются, возникают незатухающие гармонические колебания. Так как аэродинамические силы и моменты зависят от скорости основного потока, то баланс энергий наступит при определенной скорости, которая называется критической. Если скорость превысит критическую, то должны наблюдаться колебания с увеличивающейся амплитудой.
Наиболее известным и распространенным в технике является решеточный флаттер лопаток турбомашин, когда массив лопаток совершает флаттерные колебания в составе вибрирующей решетки. Во всех странах, которые занимаются самолетостроением или турбиностроением, существуют научно-исследовательские центры и институты по изучению устойчивости и надежности  колебаний лопаток турбомашин при взаимодействии с потоком текучей среды, а также по предотвращению условий возникновения флаттера при работе этих механизмов.

В работе [12] сказано, что из всех факторов, влияющих на характер и интенсивность колебаний лопаток турбомашин, самыми важными, сложными и многообразными являются нестационарные аэродинамические воздействия (НАВ), возникающие при колебании лопаток в потоке. НАВ на лопатку вибрирующей решетки турбомашины определяется суммарным аэродинамическим воздействием на эту лопатку при ее колебаних в потоке и дополнительными воздействиями, вызванными колебаниями других лопаток решетки, и передаваемыми через поток. Появление этого воздействия объясняется тем, что при колебании лопатки в потоке происходит периодическое изменение мгновенных значений углов атаки и скоростей обтекания относительно показателей невозмущенного обтеканиями потока, а также аэродинамическим взаимодействием вибрирующих лопаток решетки, вносящих дополнительные возмущения в поток и изменяющих режим обтекания. Таким образом, НАВ на ту или иную лопатку решетки определяется не только ее собственными колебаниями, но и колебаниями других лопаток, которые совершаются с различным сдвигом фаз. Другими словами, к переменному воздействию, вызванному вынужденными колебаниями самой рассматриваемой лопатки и находящуюся в противофазе с ее скоростью, добавляются изменяющиеся во времени воздействия, генерируемые колебаниями других лопаток решетки, вследствие их переменной скорости и изменения их положения в пространстве. При определенных условиях (которые зависят не только от сдвига фаз колебаний лопаток) может оказаться, что добавочные воздействия изменят свое направление по тем или иным причинам, свойственным турбомашинам, нестационарная аэродинамическая сила (момент), вызванная колебаниями самой лопатки, изменит свой знак, то есть будет действовать в фазе со скоростью движения лопатки. В зависимости от параметров, определяющих колебательный процесс, возможны случаи, когда направление рассматриваемого НАВ совпадает с направлением колебаний лопатки. Тогда эти воздействия совершают положительную работу. Если при этом положительная работа НАВ по абсолютной величине превысит всегда отрицательную работу сил механического демпфирования, то возникнут автоколебания лопатки типа флаттер. Фактически при флаттере аэродинамическое демпфирование изменяет свой знак, а суммарное демпфирование принимает отрицательные значения. Появление флаттера лопаток характеризуется потерей динамической устойчивости их вынужденных колебаний.

Обычно начинать исследования любого явления целесообразно от простого, переходя к более сложному. Однако на практике нет информации о получении флаттера одиночного профиля (крыла или лопатки), колеблющегося в потоке текучей среды независимо от скорости потока.
Поэтому для получения практических результатов при исследовании механизма получения дополнительной энергии при движении дельфина было принято решение начать исследование изгибно-крутильного флаттера одиночного рабочего элемента, имеющего возможность совершать изгибно-крутильные колебания в составе массива подобных рабочих элементов, когда нестационарные аэродинамические воздействия (силы и моменты - НАВ) возникают не только от взаимодействия колеблющегося исследуемого рабочего элемента с потоком текучей среды, но и вследствие влияния одного рабочего элемента на соседний рабочий элемент в составе одного исследуемого массива рабочих элементов. При этом каждый исследуемый рабочий элемент, входящий в состав исследуемого массива, должен иметь возможность совершать изгибно-крутильные колебания, которыми характеризуется флаттер одиночного профиля.

© Альтернативная энергия. Нововый способо преобразования. .