Генератор вихревого кольца

005545 Область техники Настоящее изобретение относится к области аэрогидродинамики, а в частности, посвящено явлениям, связанным с движением текучей среды относительно тела. Более конкретно, данное изобретение направлено на понижение сопротивления движению тела или фюзеляжа в текучей среде. Ниже изобретение описано применительно к его использованию для любых подвижных тел или фюзеляжей, в том числе (но не ограничиваясь ими) таких, как снаряды, ракеты, торпеды, подводные лодки и самолеты. Однако изобретение не ограничивается подвижными фюзеляжами, его можно применить также для уменьшения сопротивления среды, действующего на стационарные тела типа строений, мостовых свай и пр., а также на неподвижные препятствия в водотоках, на воздушных трассах или в иных полях потока текучей среды. Хотя эти частные случаи применения здесь не рассматриваются, их следует считать охватываемыми объемом изобретения. Известный уровень техники Наибольшим препятствием для получения оптимальной эффективности при придании телу обтекаемой формы является поверхностное трение. Хотя оно может иметь различные формы, чаще всего оно является следствием сопротивления пограничных слоев, трения поверхности, вязкости, поверхностного натяжения, кавитации и турбулентности или комбинации указанных параметров. Существующие на сегодняшний день технологии направлены на понижение сопротивления движению тела и оптимизацию расхода энергии при перемещении тела или фюзеляжа путем создания как можно более гладкой поверхности этого тела с минимальным количеством выступов, или наоборот за счет придания шероховатости ровной поверхности, или же волнистости как на чешуе акул, кожном покрове дельфинов или мячах для игры в гольф. Целью являлась минимизация сопротивления движению текущей среды. Другая попытка понижения сопротивления движению заключалась в установке на крыльях и других частях фюзеляжа небольших генераторов вихрей. Другие попытки заключались в установке остроконечного выступа, направленного по направлению движения тела в потоке текучей среды. Целью всех этих попыток являлось, главным образом, поддержание прямого ламинарного потока по корпусу фюзеляжа и как можно более эффективное подавление отрыва или турбулентности. Другая цель состояла в том, чтобы благодаря использованию ребристых или шероховатых поверхностей и генераторов вихрей сформировать бесчисленное множество завихрений в непосредственной близости от поверхности фюзеляжа с целью разрушения пограничного слоя. По существу, все указанные технологии разрабатываются с расчетом на то, чтобы обеспечить скольжение текучих сред по поверхности тела с возможно меньшим трением. Сущность изобретения Одной из целей изобретения является уменьшение сопротивления текучей среды, перемещающейся относительно некоторого тела. Другая цель состоит в том, чтобы тело получило максимальную пользу от чрезвычайно высокой эффективности вихревого кольца. Для достижения этих целей на тело, например торпеду или ракету, в его носовой части и/или вокруг этого тела устанавливают генератор вихревого кольца согласно изобретению. Задачей изобретения также является создать в носовой части тела вихревое кольцо, которое будет направлять поток текучей среды вдоль тела с одновременным формированием области низкого давления непосредственно перед носовой частью. Такая область низкого давления будет, по сути дела, представлять собой сердцевину вихревого кольца. Создаваемое таким образом вихревое кольцо движется относительно текучей среды, из которой оно состоит, при этом оно вращается или катится подобно колесу, а не скользит. Как сказал однажды, рассуждая о подобных вихревых кольцах, известный специалист по гидродинамике Рейнолдс, "скольжению природа предпочитает качение". Именно указанная характеристика в значительной степени способствует достижению высокой эффективности вихревого кольца. Используемые в настоящее время генераторы вихрей образованы небольшими прямыми или криволинейными пластинками, которые могут находиться, например, над передними кромками крыльев самолета. Они генерируют турбулентные поля, или завихрения, протекающие по поверхности крыла. Конструкция согласно изобретению специально рассчитана таким образом, чтобы генерировались вихревые кольца, которые окружают тело, давая возможность текучей среде, обтекающей тело, перемещаться в пределах созданного вихревого кольца. Предпочтительнее специально конструировать такие генераторы в соответствии с принципом Золотого Сечения или Фи-геометрией. Было обнаружено, что Фи-геометрия в природе определяет траекторию с наименьшими сопротивлением, трением или силой торможения и, кроме того, определяет форму вихрей, возникающих в природе. Сущность изобретения состоит в создании генератора вихревого кольца, выполненного с возможностью его связи с телом, подверженным действию текучей среды, имеющего конструкцию, создающую поток текучей среды в форме вихревого кольца, которое движется по телу от генератора вихревого кольца.-1 005545 В соответствии с одним из предпочтительных признаков изобретения, генератор вихревого кольца характеризуется тем, что имеет конструкцию, соответствующую принципу Золотого Сечения или Фигеометрии. В соответствии с другим предпочтительным признаком изобретения, генератор вихревого кольца является генератором центростремительного действия. В соответствии с еще одним предпочтительным признаком изобретения, генератор вихревого кольца содержит элемент, выполненный с возможностью связи с телом таким образом, чтобы оказывать воздействие на поток текучей среды, обтекающей тело, причем этот элемент имеет активную поверхность,которая выполнена с возможностью воздействия на поток текучей среды и имеет конфигурацию, соответствующую, по меньшей мере, одной логарифмической кривой Золотого Сечения. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления, генератор вихревого кольца связан с телом и содержит, по меньшей мере, одну или более направляющих, имеющих активную поверхность, расположенных по спирали вокруг и вдоль тела. В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, генератор вихревого кольца имеет удлиненную форму, вытянутую вперед от тела. В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления, направляющие генератора имеют форму витка. В соответствии с одним из предпочтительных признаков изобретения, активные поверхности направляющих выполнены с соблюдением Золотого Сечения. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления, конфигурация направляющих соответствует характеристикам Золотого Отношения. В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, генератор вихревого кольца имеет одну или более канавок, выполненных на поверхности тела по спирали вокруг и вдоль тела. В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления, конфигурация канавок соответствует характеристикам Золотого Отношения. В соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления, генерация вихревого кольца осуществляется в результате перемещения тела и генератора вихревого кольца через текучую среду. В соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления, генерация вихревого кольца осуществляется в результате перемещения текучей среды относительно генератора вихревого кольца, связанного с телом. В соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления, генератор вихревого кольца неподвижен относительно тела. В соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления, генератор вихревого кольца выполнен с возможностью перемещения относительно тела. В соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления, генерация вихревого кольца осуществляется в результате перемещения генератора вихревого кольца. В соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления, генерация вихревого кольца и поступательное движение осуществляются в результате принудительного вращения генератора. Более полное понимание сущности изобретения явствует из нижеследующего описания нескольких конкретных примеров выполнения. Краткое описание чертежей Описание ведется со ссылками на приложенные чертежи, на которых фиг. 1 иллюстрирует форму Золотого Сечения; фиг. 2 представляет собой вид сбоку генератора вихревого кольца в соответствии с первым вариантом изобретения; фиг. 3 - вид спереди генератора вихревого кольца в соответствии с первым вариантом изобретения; фиг. 4 - вид сзади генератора вихревого кольца в соответствии с первым вариантом изобретения; фиг. 5 - вид сбоку генератора вихревого кольца, установленного на теле, в соответствии с первым вариантом изобретения; фиг. 6 - вид сбоку генератора вихревого кольца, связанного с телом, в соответствии со вторым вариантом изобретения; фиг. 7 - вид спереди генератора вихревого кольца, связанного с телом, в соответствии со вторым вариантом изобретения; фиг. 8 - вид сбоку генератора вихревого кольца, связанного с телом, в соответствии с третьим вариантом изобретения; фиг. 9 - вид спереди генератора вихревого кольца, связанного с телом, в соответствии с третьим вариантом изобретения; фиг. 10 - схематическое изображение потока вихревых колец вокруг тела, снабженного генератором вихревого кольца согласно первому и третьему вариантам изобретения; фиг. 11 - схематическое изображение потока вихревых колец вокруг тела, снабженного генератором вихревого кольца согласно второму варианту изобретения;-2 005545 фиг. 12 - схематическое изображение генерации вихревого кольца вокруг тела генератором вихревого кольца согласно первому варианту изобретения. Подробное описание отдельных вариантов осуществления Каждый из вариантов изобретения предполагает использование генератора вихревого кольца, связанного с телом и выполненного с возможностью генерации вихревого кольца в текучей среде, перемещающейся относительно тела. В соответствии с каждым из этих вариантов, генератор вихревого кольца содержит направляющие для текучей среды, имеющие активную поверхность, которая выполнена с возможностью воздействия на поток текучей среды с формированием вихревых колец, обтекающих тело. Известно, что все текучие среды при движении под воздействием природных сил стремятся перемещаться в виде спиралей или вихрей. Эти спирали или вихри соответствуют обычно математической зависимости, известной под названием "Золотого Сечения" или "последовательности Фибоначчи". Большинство активных поверхностей каждой из описанных здесь конструкций согласно различным вариантам изобретения выполнены по большей части в соответствии с принципом Золотого Сечения или Отношения, поэтому каждый из этих вариантов характеризуется тем, что активные поверхности имеют спиралевидную конфигурацию и соответствуют, по меньшей мере, в своей большей части характеристикам Золотого Сечения или Отношения. Характеристики Золотого Сечения представлены на фиг. 1, где показана развертка спиралевидной кривой по правилам Золотого Сечения. По мере развертывания спирали, прирост радиуса кривой, который измеряется в равноугольных радиусах (например, Е, F, G, Н, I иJ), остается неизменным. Это можно показать в виде треугольного изображения каждого радиуса между каждым последовательным рядом, который отвечает формуле a:b = b:a+b, что соответствует отношению 1:0,618 и это относится ко всей длине кривой. Одна из характеристик рассматриваемых вариантов изобретения заключается в том, что геометрии Золотого Сечения соответствуют не только оси X и Y, но и ось Z, или глубина, то есть направляющие генератора вихревого кольца соответствуют характеристикам Золотого Сечения в трех измерениях. Одной из целей представленных здесь вариантов является воспроизведение вихревых линий,имеющихся в вихревом кольце. Для этого активные поверхности должны логарифмически расширяться или сжиматься в любом направлении равноугольной спирали Золотого Сечения. Если взять любые две точки на этих активных поверхностях, они будут находиться в отношении друг к другу, равном приблизительно 1:0,618. Активные поверхности могут иметь любую длину или количество оборотов. Они специально рассчитываются таким образом, чтобы соответствовать внутренним вихревым линиям потока. В соответствии с первым вариантом изобретения, показанным на фиг. 2-5, генератор вихревого кольца 11 имеет направляющие, установленные в носовой части 13 тела 12. В данном описании термин"носовая часть" используется для обозначения того участка тела, который обращен в сторону потока текучей среды, направляющегося к телу. Генератор вихревого кольца 11 рассчитан на генерацию вихревого кольца в результате взаимодействия с потоком текучей среды, обтекающей тело. Направляющие, образующие генератор вихревого кольца, направлены вперед от носовой части тела и имеют конфигурацию витка. Каждая из направляющих имеет вогнутую внутреннюю активную поверхность 14, характеризующуюся трехмерной кривизной, которая в каждом направлении соответствует логарифмической кривой согласно Золотому Сечению. В результате направляющие 11 в совокупности образуют в целом вогнутую внутреннюю поверхность генератора вихревого кольца. Кроме этого, каждая направляющая имеет наружную вогнутую активную поверхность 15, также характеризующуюся трехмерной кривизной, которая в каждом направлении соответствует логарифмической кривой согласно Золотому Сечению и имеет в каждом направлении ту же форму, что и кривизна внутренней активной поверхности 14. В результате активные поверхности 15 в совокупности образуют в целом вогнутую поверхность направляющих. В соответствии с другим конструктивным выполнением первого варианта, вместо неподвижного закрепления генератора вихревого кольца на носовой части тела предусмотрена возможность его коаксиального вращения относительно оси тела. Кроме того, генератор может быть механически приведен во вращение, благодаря чему тело приводится в движение с одновременной генерацией вихревых колец. В соответствии со вторым вариантом изобретения, показанным на фиг. 6 и 7, генератор вихревого кольца содержит одну или более выполненных на поверхности тела канавок или желобков 21, которые начинаются в носовой части 23 тела 22 или поблизости от нее и заканчиваются в хвостовой части 24 тела или поблизости от нее. Канавки или желобки выполнены по спирали вокруг тела таким образом, чтобы их конфигурация соответствовала характеристикам Золотого Отношения. В соответствии с третьим вариантом изобретения, показанным на фиг. 8 и 9, генератор вихревого кольца содержит одну или более направляющих 31, выступающих от поверхности тела, которые начинаются в носовой части 33 тела 22 или поблизости от нее и заканчиваются в хвостовой части 34 тела или поблизости от нее. Эти направляющие выполнены по спирали вокруг тела таким образом, чтобы их конфигурация соответствовала характеристикам Золотого Отношения. В каждом из рассмотренных выше вариантов изобретения форма тела выполнена в соответствии с логарифмической равноугольной Фи-спиралью. Эта форма оптимально совместима с вихревой Фи-3 005545 геометрией, которая является общей для всех видов вихрей. Иначе говоря, тело занимает то пространство, которое можно видеть в кавитационной трубе видимого вихря. Как показано на фиг. 11, тело 13 находится в сердцевине вихря 16. Носовая часть тела при использовании рассмотренных выше первого, второго или третьего варианта точно совпадает с геометрией вихревого кольца. Тело может иметь коническую форму с полым центром, благодаря чему для поступающей в вихревое кольцо текучей среды создается возможность перемещаться через его сердцевину. На фиг. 10 и 11 демонстрируется формирование вихревых колец 16, которые перемещаются/катятся вдоль тела. В процессе работы, когда имеет место перемещение текучей среды и тела относительно друг друга,текучая среда захватывается активными поверхностями 11, 21 или 31 и начинает вращаться в соответствии с логарифмической зависимостью, характеризующей вращение вихря. При вхождении текучей среды в контакт с активными поверхностями вращательное движение формирует зону низкого давления у основания генератора вихря (на границе раздела между генератором и носовой частью тела). Вследствие этого уменьшается сопротивление в пограничном слое. Возникает кольцо и/или вихрь. Как видно на фиг. 10, вихревое кольцо обкатывает пограничный слой вдоль стенок тела наподобие шарикоподшипников. Во многих случаях конкретного применения вихревые кольца будут сбрасываться, в результате чего образуется поток сброшенных вихревых колец. Струя, оставляемая телом, будет как раз иметь форму вихревых колец. На фиг. 12 показан генератор 11 вихревого кольца по первому варианту изобретения, создающий вихревое кольцо 16. Для создания вихревого кольца должно иметь место относительное перемещение генератора и текучей среды. Это перемещение можно получить посредством приведения генератора вихревого кольца во вращение, посредством перемещения текучей среды относительно стационарного генератора или посредством приведения тела и генератора в движение через текучую среду. Следует иметь в виду, что объем настоящего изобретения не ограничивается рассмотренными выше конкретными примерами. По всему тексту описания, если только контекст не подразумевает иного, слово "содержать" и его различные грамматические формы типа "содержит" или "содержащий" следует понимать как относящиеся к включению некоторого определенного элемента или группы элементов, а не к исключению какого бы то ни было определенного элемента или группы элементов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Генератор вихревого кольца, выполненный с возможностью его связи с телом, подверженным действию текучей среды, имеющий конструкцию, создающую поток текучей среды в форме вихревого кольца, которое движется по телу от генератора вихревого кольца. 2. Генератор вихревого кольца по п.1, характеризующийся тем, что имеет конструкцию, соответствующую принципу Золотого Сечения или Фи-геометрии. 3. Генератор вихревого кольца по п.1 или 2, характеризующийся тем, что является генератором центростремительного действия. 4. Генератор вихревого кольца по любому из пп.1-3, характеризующийся тем, что связан с телом и содержит по меньшей мере одну или более направляющих, имеющих активную поверхность. 5. Генератор вихревого кольца по п.4, характеризующийся тем, что имеет удлиненную форму, вытянутую вперед от тела. 6. Генератор вихревого кольца по п.4 или 5, характеризующийся тем, что направляющие имеют форму витка. 7. Генератор вихревого кольца по любому из пп.4-6, характеризующийся тем, что активные поверхности направляющих выполнены с соблюдением Золотого Сечения. 8. Генератор вихревого кольца по любому из пп.1-5, характеризующийся тем, что содержит одну или более направляющих, связанных с поверхностью тела, расположенных по спирали вокруг и вдоль тела. 9. Генератор вихревого кольца по п.8, характеризующийся тем, что конфигурация направляющих соответствует характеристикам Золотого Отношения. 10. Генератор вихревого кольца по любому из пп.1-5, характеризующийся тем, что имеет одну или более канавок, выполненных на поверхности тела по спирали вокруг и вдоль тела. 11. Генератор вихревого кольца по п.10, характеризующийся тем, что конфигурация канавок соответствует характеристикам Золотого Отношения. 12. Генератор вихревого кольца, содержащий элемент, выполненный с возможностью связи с телом таким образом, чтобы оказывать воздействие на поток текучей среды, обтекающей тело, причем этот элемент имеет активную поверхность, которая выполнена с возможностью воздействия на поток текучей среды и имеет конфигурацию, соответствующую по меньшей мере одной логарифмической кривой Золотого Сечения.-4 005545 13. Генератор вихревого кольца по п.12, характеризующийся тем, что кривизна активной поверхности соответствует Золотому Сечению. 14. Генератор вихревого кольца по любому из пп.1-13, генерирующий вихревое кольцо в результате перемещения текучей среды относительно стационарного генератора вихревого кольца. 15. Генератор вихревого кольца по любому из пп.1-13, генерирующий вихревое кольцо в результате перемещения тела и генератора вихревого кольца через текучую среду. 16. Генератор вихревого кольца по любому из пп.1-13, генерирующий вихревое кольцо в результате перемещения генератора вихревого кольца. 17. Генератор вихревого кольца, выполненный с возможностью принудительного вращения для генерации вихревого кольца и осуществления поступательного движения. 18. Генератор вихревого кольца, имеющий конструкцию, как описано выше. 19. Генератор вихревого кольца, имеющий конструкцию, как описано выше со ссылками на приложенные чертежи.