RU2658489C2

RU2658489C2 - Fairing

Info

Publication number: RU2658489C2
Application number: RU2016139374A
Authority: RU
Inventors: Максим Юрьевич Григоров
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2018-06-21
Also published as: RU2016139374A

Abstract

FIELD: shipbuilding.

SUBSTANCE: invention relates to shipbuilding. Proposed is a fairing that contains a streamlined wing-like profile. Wherein the aft part of the profile is made in the form of periodically alternating elements along fairing (1) with cross-sections that are asymmetrical with respect to the longitudinal axis with one sharp edge (4). Cross-section of each following element (1) is formed by 180-degree turn of the cross-section of the previous element around the longitudinal axis.

EFFECT: invention reduces the intensity of the vortex vibration of the fairing.

1 cl, 3 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области судостроения и может быть использовано в протяженных конструкционных элементах, находящихся под действием интенсивного набегающего потока жидкости. Кроме того, изобретение может найти применение в находящихся в условиях существенных ветровых нагрузок наземных протяженных конструкциях, таких как антенны, трубы, тросы и пр.The present invention relates to the field of shipbuilding and can be used in long structural elements that are under the influence of an intense incoming fluid flow. In addition, the invention can find application in conditions of significant wind loads of ground extended structures, such as antennas, pipes, cables, etc.

Известно устройство для гашения вихревой вибрации, применяемое в буксируемых и привязных подводных системах (см. патент US 7380513 2006 г.). Такое устройство представляет собой удобообтекаемый крыловидный профиль достаточно большого удлинения, устанавливаемый на круглое основание (например, трубу) протяженной конструкции, тем самым уменьшая интенсивность образовывающихся при обтекании потоком вихрей, что приводит к снижению уровня вихревой вибрации этой конструкции.A device for damping vortex vibration, which is used in towed and tethered underwater systems (see patent US 7380513 2006). Such a device is a streamlined wing-shaped profile of a sufficiently large elongation, mounted on a round base (for example, a pipe) of an extended structure, thereby reducing the intensity of vortices formed during flow around a stream, which reduces the level of vortex vibration of this structure.

Недостатком данного изобретения является его существенный размер, а именно большое удлинение обтекателя, не позволяющее использовать его, например, на мачтовых устройствах, приведенных в патенте RU 2166458.The disadvantage of this invention is its substantial size, namely a large elongation of the fairing, which does not allow its use, for example, on mast devices described in patent RU 2166458.

Известны также обтекатели для снижения уровня вихревой вибрации мачтовых устройств, лишенные указанного выше недостатка (см. Григоров М.Ю., Зайцев В.Н., Тюшкевич В.В. «Экспериментальная оценка гидродинамических характеристик и виброподверженности укороченных обтекателей мачтовых устройств», Труды Крыловского государственного научного центра. 2015. Вып. 88 (372). С. 149-152.) Форма таких обтекателей представляет собой укороченный крыловидный профиль, приближенный к форме профилей ступеней современных мачтовых устройств. Такая форма обусловлена необходимостью размещения дополнительных механизмов (помимо несущей трубы) внутри корпуса обтекателя и невозможности использования длинных удобообтекаемых профилей в пределах шахты мачтового устройства. Недостатком подобных профилей является их подтвержденная экспериментальным методом существенная виброподверженность, хоть и меньшая по сравнению с круглой трубой. Указанный недостаток обусловлен тем, что интенсивный отрыв вихрей, образованных в результате обтекания такого профиля потоком жидкости, вызывает нестационарную поперечную составляющую гидродинамической силы, действующую на конструкцию.Also known are fairings to reduce the level of vortex vibration of mast devices, devoid of the above drawback (see Grigorov M.Yu., Zaitsev V.N., Tyushkevich V.V. “Experimental evaluation of the hydrodynamic characteristics and vibration support of shortened cowlings for mast devices”, Trudy Krylovsky State Scientific Center. 2015. Issue 88 (372). P. 149-152.) The shape of such fairings is a shortened pterygoid profile, close to the shape of the profiles of the steps of modern mast devices. This form is due to the need to place additional mechanisms (in addition to the supporting pipe) inside the fairing body and the inability to use long streamlined profiles within the mast of the mast device. The disadvantage of such profiles is their significant experimental vibration confirmation, although less than that of a round pipe. This drawback is due to the fact that the intense separation of the vortices formed as a result of the flow of a liquid around such a profile causes an unsteady transverse component of the hydrodynamic force acting on the structure.

Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща известному устройству Fairing for obtaining steady stabilization effects (Обтекатель, для получения устойчивого эффекта стабилизации, патент US 5449136, 1994 г.). Известное устройство содержит обтекатель, выполненный путем обрезания кормовой части удобообтекаемого крыловидного профиля с канавками в торце.The set of features closest to the set of essential features of the invention is inherent in the known Fairing for obtaining steady stabilization effects device (Fairing, for obtaining a stable stabilization effect, patent US 5449136, 1994). The known device contains a fairing made by cutting the stern of a streamlined wing-shaped profile with grooves in the end.

Недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются ограниченный диапазон скоростей эффективного использования данного устройства, а также то, что использование такого подхода не исключает образования вихрей, ось вращения которых проходит параллельно оси протяженной конструкции. Отрыв этих вихрей при выходе из зон фиксации (канавок в торце обтекателя) приведет к распределению давления по контуру тела, а следовательно, к образованию нестационарной боковой силы. Такая сила приводит к возникновению вихревой вибрации в определенных режимах обтекания конструкции.The disadvantages of the known device adopted for the prototype are the limited speed range for the effective use of this device, as well as the fact that the use of this approach does not exclude the formation of vortices, the axis of rotation of which runs parallel to the axis of the extended structure. The separation of these vortices when leaving the fixation zones (grooves in the end of the fairing) will lead to the distribution of pressure along the body contour, and, consequently, to the formation of unsteady lateral force. Such a force leads to the occurrence of vortex vibration in certain modes of flow around the structure.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является эффективная борьба с вихревой вибрацией протяженных конструкций, находящихся под действием набегающего потока жидкости.The problem to which the invention is directed is the effective fight against the vortex vibration of extended structures that are under the action of an incoming liquid flow.

Техническим результатом настоящего изобретения является отсутствие интенсивной вихревой вибрации обтекателя вследствие перераспределения турбулентной кинетической энергии жидкости, что приводит к значительному снижению величины нестационарных вихревых сил в поперечном потоку направлении.The technical result of the present invention is the absence of intense eddy vibration of the fairing due to the redistribution of the turbulent kinetic energy of the liquid, which leads to a significant decrease in the magnitude of unsteady eddy forces in the transverse flow direction.

Технический результат изобретения достигается следующим образом. Обтекатель, содержащий удобообтекаемый крыловидный профиль, по изобретению, кормовая часть которого выполнена в виде периодически чередующихся вдоль обтекателя элементов с несимметричными относительно продольной оси поперечными сечениями с одной острой кромкой, при этом поперечное сечение каждого следующего элемента образуется поворотом на 180 градусов сечения предыдущего элемента вокруг продольной оси.The technical result of the invention is achieved as follows. A fairing containing a streamlined wing-shaped profile according to the invention, the rear part of which is made in the form of elements periodically alternating along the fairing with asymmetrical cross sections with one sharp edge relative to the longitudinal axis, while the cross section of each next element is formed by turning through 180 degrees the section of the previous element around the longitudinal axis.

Такая форма кормовой части приводит к тому, что вихри, образованные при обтекании тела с подобной кормовой частью, разворачиваются в другую плоскость таким образом, что их влияние на поперечную составляющую гидродинамической силы становится очень малым.This shape of the stern leads to the fact that the vortices formed during the flow around the body with a similar stern part unfold in another plane so that their effect on the transverse component of the hydrodynamic force becomes very small.

Дополнительными техническими результатами являются снижение силы лобового сопротивления конструкции по сравнению с круглой трубой, а также осуществление возможности размещения механизмов в пределах корпуса обтекателя по сравнению с удобообтекаемым тонким крыловидным профилем с хордой аналогичного размера.Additional technical results are a decrease in the drag force of the structure compared to a round pipe, as well as the possibility of placing mechanisms within the fairing body in comparison with a streamlined thin wing-shaped profile with a chord of a similar size.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен профиль поперечного сечения элемента обтекателя.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a cross-sectional profile of a cowl member.

На фиг. 2 изображен общий вид секции обтекателя.In FIG. 2 shows a general view of the fairing section.

На фиг. 3 показаны сравнительные графики определенных по результатам эксперимента относительных амплитуд колебаний исходного укороченного и предложенного в изобретении обтекателей.In FIG. Figure 3 shows comparative graphs of the relative amplitudes of oscillations of the initial shortened and proposed in the invention fairings determined according to the results of the experiment.

Заявленное изобретение включает удобообтекаемый крыловидный профиль, кормовая часть которого выполнена в виде периодически чередующихся вдоль обтекателя элементов - 1 с несимметричными относительно продольной оси - 2 поперечными сечениями - 3 с одной острой кромкой - 4. При этом поперечное сечение каждого следующего элемента образуется поворотом на 180 градусов сечения 3 предыдущего элемента вокруг продольной оси 2.The claimed invention includes a streamlined wing-shaped profile, the aft of which is made in the form of elements periodically alternating along the fairing - 1 with asymmetric relative to the longitudinal axis - 2 cross sections - 3 with one sharp edge - 4. In this case, the cross section of each next element is formed by 180 degrees rotation section 3 of the previous element around the longitudinal axis 2.

Геометрические характеристики профиля поперечного сечения элементов обусловлены необходимым полезным объемом внутри обтекателя для размещения узлов и механизмов и ограничены допустимыми габаритами обтекателя. Путем набора чередующихся по ориентации поперечного сечения и равных по высоте элементов формируется обтекатель необходимого размаха. Высота элементов обуславливается режимом эксплуатации конструкции, снабженной обтекателем.The geometric characteristics of the cross-sectional profile of the elements are determined by the necessary useful volume inside the fairing to accommodate the nodes and mechanisms and are limited by the allowable dimensions of the fairing. By means of a set of elements alternating in orientation of the cross section and equal in height, a fairing of the required size is formed. The height of the elements is determined by the operating mode of the structure equipped with a fairing.

Устройство работает следующим образом. Известно, что при обтекании плохообтекаемых протяженных конструкций в следе преобладают течения с образованием вихрей в поперечной плоскости (ось вращения вихря параллельна оси конструкции), тогда как при использовании предложенного обтекателя значительная часть кинетической турбулентной энергии распределяется в том числе вдоль этой оси посредством поворота оси вращения вихря, снижая влияние вихревого отрыва в поперечном направлении, что положительно сказывается на уменьшении нестационарных поперечных компонент гидродинамических сил, а следовательно, приводит к снижению уровня вихревой вибрации. К тому же, острые кромки обеспечивают независимость условий эксплуатации от числа Рейнольдса, что достигается фиксированием точек вихревого отрыва.The device operates as follows. It is known that when flowing over streamlined extended structures in a wake, flows prevail with the formation of vortices in the transverse plane (the axis of rotation of the vortex is parallel to the axis of the structure), while when using the proposed fairing, a significant part of the kinetic turbulent energy is distributed, including along this axis, by rotating the axis of rotation of the vortex , reducing the effect of vortex separation in the transverse direction, which positively affects the reduction of non-stationary transverse components hydrodynamically forces, and hence reduces the vibration of the vortex. In addition, sharp edges provide independence of operating conditions from the Reynolds number, which is achieved by fixing the vortex separation points.

Положительный эффект от использования предложенного решения был подтвержден экспериментальным и расчетным методом. Сравнивались амплитуды вихревой вибрации и возникающие при этом поперечные силы на укороченном обтекателе с плоской кормовой частью и предложенном обтекателе. Результаты сравнения приведены на фиг. 3. Результаты исследования показали, что использование заявленного изобретения исключает возникновение интенсивной вихревой вибрации протяженной конструкции, при этом сила лобового сопротивления движению уменьшается.The positive effect of using the proposed solution was confirmed by experimental and computational methods. The vortex vibration amplitudes and the resulting transverse forces on a shortened cowl with a flat aft and the proposed cowl were compared. The comparison results are shown in FIG. 3. The results of the study showed that the use of the claimed invention eliminates the occurrence of intense vortex vibration of an extended structure, while the drag force decreases.

Claims

A fairing containing a streamlined wing-shaped profile, characterized in that the stern is made in the form of elements periodically alternating along the fairing with asymmetrical cross sections with one sharp edge relative to the longitudinal axis, while the cross section of each next element is formed by turning 180 degrees of the previous element around the longitudinal axis.