ES2237626T3 - Procedimiento para la reduccion de vibraciones en una cavidad y estructura plana inundada por una corriente. - Google Patents
Procedimiento para la reduccion de vibraciones en una cavidad y estructura plana inundada por una corriente.Info
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Abstract
Procedimiento para reducir las vibraciones en una cavidad (2), siendo inundada la abertura (12) de la cavidad (2) por una corriente en una dirección del flujo (S), caracterizado por la generación de un flujo doble de torbellinos longitudinales con dos estructuras de torbellinos longitudinales (13a, 13b) en los bordes laterales de la cavidad (2) en la dirección del flujo (S), discurriendo el sentido de rotación de ambas estructuras de torbellinos longitudinales (13a, 13b) del flujo doble de torbellinos longitudinales en contraposición uno al otro y estando orientadas ambas estructuras de torbellinos longitudinales (13a, 13b) de tal manera que la estructura de torbellinos longitudinales (13a) que se encuentra a la derecha en el sentido del flujo (S) gira en el sentido de las agujas del reloj y la estructura de torbellinos longitudinales (13b) que se encuentra a la izquierda en el sentido del flujo (S) gira en el sentido contrario de las agujas del reloj.
Description
Procedimiento para la reducción de vibraciones en
una cavidad y estructura plana inundada por una corriente.
La invención se refiere a un procedimiento para
la reducción de vibraciones en una cavidad, estando inundada la
abertura de la cavidad por una corriente en el sentido del
flujo.
La invención se refiere además a una estructura
plana inundada por la corriente con una cavidad, pudiendo ser
inundada la abertura de la cavidad por una corriente en una
dirección del flujo.
Cuando son inundadas por una corriente de
estructuras planas con cavidades relativamente planas, especialmente
en aviones, se presentan vibraciones por presión autoexcitadas, cuya
frecuencia y por lo general elevada intensidad de oscilación depende
del número Mach de la corriente. Especialmente en velocidades de
flujo transónicas en la zona de la velocidad del sonido, poseen
estas oscilaciones unas amplitudes tan altas que, debido a las
cargas alternativas que se presentan, puede llegarse a una fatiga
del material y a la destrucción de la estructura de la estructura
del sistema plano y de la cavidad. Tales cavidades críticas son por
ejemplo huecos para armas en aviones de combate o instrumentos
ópticos retrotraídos alojados en el fuselaje de un avión.
Ensayos experimentales y teóricos de las
oscilaciones en cavidades, han mostrado que por encima del plano de
la cavidad se encuentra una capa cortante del flujo, que es
hidrodinámicamente inestable y en consecuencia tiende a movimientos
ondulatorios ruidosos en la dirección del flujo. Esto da lugar a una
continua inmersión y reaparición de la capa cortante del flujo en la
cavidad en la proximidad de la pared posterior de la cavidad. De
esta manera la pared posterior de la cavidad está sometida
transitoriamente una y otra vez al flujo exterior completo. El
estancamiento temporal del flujo que ello implica en la pared
posterior de la cavidad, da lugar a la generación de un impulso de
presión, cuya componente de presión sonora avanza dentro de la
cavidad hacia la pared anterior de la cavidad, y provoca en su borde
superior una nueva onda inestable en la capa cortante del flujo. Se
forma por lo tanto un mecanismo de realimentación que evita la
extinción de las vibraciones en la cavidad.
Para aminorar las vibraciones críticas en la
cavidad, se han desarrollado distintos métodos, que bien presentan
inconvenientes o bien no pueden realizarse razonablemente desde el
punto de vista técnico.
Es conocida la práctica de alojar alerones en la
capa límite delante de la cavidad, para así aumentar la intensidad
de los remolinos en la capa cortante de la cavidad contigua a la
capa límite y así estabilizar la primera. De esta manera pueden
reducirse las proporciones de sonido del espectro de presión. No
obstante, resulta un inconveniente la elevación de la intensidad de
las componentes de señal de banda ancha debido a la generación de
una turbulencia adicional.
Además, es conocida la práctica de configurar la
pared posterior de la cavidad oblicua, para reducir el
estancamiento. De esta manera pueden reducirse considerablemente las
vibraciones en la cavidad en todo el espectro de presiones. A menudo
no es posible constructivamente una variación de la geometría de la
cavidad, como por ejemplo en los huecos para armas de aviones de
combate.
Además es conocida la práctica de alojar cuerpos
aerodinámicos de empuje ascensional sobre la cavidad en la
proximidad de la pared posterior, para suprimir la inmersión y
surgimiento de la capa cortante en la cavidad. También de esta
manera pueden reducirse muy bien las vibraciones en la cavidad en
todo el espectro de presiones. No obstante, es un inconveniente que
la abertura de la cavidad quede parcialmente bloqueada por el cuerpo
de empuje ascensional, con lo que esta forma constructiva no puede
aplicarse en huecos para armas en aviones de com-
bate.
bate.
Además, se conoce la práctica de aspirar o
evacuar aire desde la cavidad mediante aberturas en la pared
anterior de la cavidad o en la capa límite corriente arriba. Debido
a la aspiración o evacuación de aire en la pared anterior de la
cavidad, se influye sobre el perfil de la capa cortante y con ello
sobre la inestabilidad de la capa cortante. La aspiración de aire o
evacuación de aire en la capa límite corriente arriba respecto a la
cavidad, actúa como un alerón. La medida da lugar en parte a una
reducción de las vibraciones en la cavidad. No obstante, para ello
es necesario un coste técnico relativamente grande. Además, se
influye sobre la idoneidad del vuelo.
Se conoce además la práctica de realizar un
control activo de las vibraciones o regulación de las vibraciones
mediante actuadores, para activar señales antiperturbadoras de
extinción. Esto puede realizarse mediante actuadores mecánicos
oscilantes de alta frecuencia en la capa límite de entrada del flujo
o bien mediante la evacuación pulsatoria del aire de alta frecuencia
a partir de la cavidad. Este procedimiento tiene el inconveniente de
exigir un coste técnico relativamente elevado y una técnica de
regulación relativamente complicada para los actuadores. Para su
utilización en aviones, el procedimiento es demasiado
complicado.
Por lo tanto, la tarea de la invención era
indicar un procedimiento mejorado para reducir vibraciones en una
cavidad que sea fiable, económico y sencillo y que pueda realizarse
con la mayor independencia posible de las condiciones técnicas
marginales y de la forma de la cavidad.
La tarea se resuelve generando un flujo doble de
remolinos longitudinales con dos estructuras de remolinos
longitudinales en los bordes laterales de la cavidad en la dirección
del flujo, siendo contrario el sentido de rotación de ambas
estructuras de remolinos longitudinales del flujo doble de remolinos
longitudinales y estando orientadas ambas estructuras de remolinos
longitudinales de tal manera que la estructura de remolinos
longitudinales que se encuentra a la derecha en el sentido del flujo
gira en el sentido de las agujas del reloj y la estructura de
remolinos longitudinales que se encuentra a la izquierda de la
dirección del flujo gira en sentido contrario a las agujas del
reloj.
Las estructuras de remolinos longitudinales
inducidas a lo largo de todo el borde lateral de la cavidad provocan
una destrucción de la casi bidimensionalidad de la capa cortante. De
esta manera se modifica la característica de estabilidad de la capa
cortante de la cavidad y ésta se estabiliza. Además, el par de
estructuras de remolinos longitudinales induce componentes de
velocidad normales respecto a la abertura de la cavidad en el flujo,
que levantan la capa cortante de la cavidad y de esta manera
reducen la tendencia de la capa cortante de la cavidad a interactuar
con la cara posterior de la cavidad.
Las estructuras de remolinos longitudinales son
además genéricamente estructuras de flujo estacionarias, a gran
escala, que no inducen o inducen pocas turbulencias adicionales y no
estacionariedad, con lo que no aumenta el espectro de banda ancha de
las señales de presión en la cavidad. Además de las componentes de
señales de sonido, se reducen así incluso también las componentes de
banda ancha.
El sentido de rotación de las estructuras de
remolinos longitudinales está orientado de tal manera que los flujos
de remolinos longitudinales provocan una resaca desde la cavidad.
Esto tiene por consecuencia casi una aspiración de aire.
Las estructuras de remolinos longitudinales se
generan preferentemente disponiendo un ala delta en la zona de
delante de la cavidad visto en la dirección del flujo. El ala delta
tiene dos bordes de rotura de flujo, que convergen con forma de
flecha en sentido contrario al del flujo. El ala delta se extiende
transversalmente respecto a la dirección del flujo paralelamente a
un plano del flujo que está definido por la superficie de la
abertura de la cavidad. Los bordes de rotura del flujo convergen así
de forma relativamente aguda en forma de flecha corriente arriba. En
los bordes de rotura del flujo se produce la deflexión del flujo de
tal manera que el mismo se arremolina en la dirección longitudinal y
se induce en cada caso una estructura de remolinos
longitudinales.
El ángulo de flecha \varphi del ala delta en
cada caso entre un borde de rotura del flujo y el borde posterior
del ala delta que discurre transversalmente respecto a la dirección
del flujo, debe ser de unos 70º.
El ángulo de ataque \alpha del ala delta entre
la superficie del ala delta y de la superficie del flujo es
ventajosamente variable y durante el vuelo con la cavidad abierta se
ajusta a aproximadamente 10º.
La envergadura del ala delta corriente abajo en
la zona de la abertura de la cavidad debe ser aproximadamente 1,5
veces la anchura de la cavidad. De esta manera se inducen
óptimamente las estructuras de remolinos longitudinales en los
bordes laterales de la cavidad.
La tarea de la invención era además indicar una
estructura plana inundada con una cavidad en la que se reduzcan
óptimamente las vibraciones en la cavidad.
La tarea se resuelve mediante un dispositivo en
la zona de delante de la cavidad vista en la dirección del flujo,
para generar un flujo doble de torbellinos longitudinales con dos
estructuras de torbellinos longitudinales en la zona de los bordes
laterales de la cavidad en la dirección del flujo, teniendo ambas
estructuras de remolinos longitudinales un sentido de rotación que
discurre en sentido contrario una respecto a la otra y girando la
estructura de remolinos longitudinales que se encuentra a la derecha
en la dirección del flujo en el sentido de las agujas del reloj y
girando la estructura de remolinos longitudinales que se encuentra a
la izquierda en la dirección del flujo en sentido contrario a las
agujas del reloj.
Ventajosamente, el ala delta lleva acoplado un
dispositivo para el ajuste del ángulo de ataque \alpha del ala
delta. En una determinada forma constructiva puede estar prevista en
la zona anterior del ala delta un eje de basculación, pudiendo girar
el ala delta alrededor del eje de basculación.
La invención se describe más en detalle a
continuación en base a los esquemas adjuntos. Se muestra en:
Figura 1a - vista esquemática en semicorte
sobre la parte inferior de un avión con una cavidad;
Figura 1b - vista esquemática en sección del
avión con una cavidad en su parte inferior;
Figura 1c - vista en sección de la cavidad
con ondas sonoras;
Figura 1d - vista en sección de la cavidad
con oscilaciones estructurales;
Figura 2 - representación esquemática de
una sección de la cavidad con una capa cortante del flujo;
Figura 3 - vista en perspectiva de un ala
delta en la zona de delante de una cavidad para generar estructuras
de remolinos longitudinales en los bordes laterales de la
cavidad;
Figura 4 - vista en sección de una cavidad
con estructuras de remolinos longitudinales que giran en sentidos
contrapuestos;
Figura 5 - vista del ala delta en contra de
la dirección del flujo de salida;
Figura 6 - vista en sección longitudinal de
un ala delta ajustable;
Figura 7 - vista en planta sobre el ala
delta dispuesta en la zona de delante de la cavidad.
En las figuras 1a y 1b se observa un avión 1 con
una cavidad 2 en la parte inferior del fuselaje como semisección en
vista en planta (a) y en sección (b). La cavidad 2, por ejemplo un
hueco para armas de un avión de combate, tiene una longitud L en la
dirección del flujo S, una profundidad D y una anchura W. En el
vuelo, el flujo es esencialmente transónico cuando el avión 1 se
mueve con una velocidad aprox. de 0,8 a 1,3 Mach.
En la representación en sección (1c) de la
cavidad 2 queda claro que se forma una capa cortante de flujo
hidrodinámicamente inestable, que tiende a movimientos ondulatorios
y que se estanca en la pared posterior de la cavidad y que genera
vibraciones en la cavidad, que son emitidas como señales acústicas
3.
En la representación en sección (1d) de la
cavidad 2 queda claro que la capa cortante del flujo da lugar a
oscilaciones 4 en el fondo de la cavidad y de la pared anterior de
la cavidad y en la pared posterior de la cavidad. Esto puede dar
lugar a fatiga del material y a la destrucción de la estructura.
La figura 2 muestra una cavidad 2 en sección. La
cavidad 2 está alojada en una estructura plana 5 que es inundada por
la corriente en la dirección del flujo S.
Se forma una capa cortante en la cavidad 6 que es
hidrodinámicamente inestable y en consecuencia tiende a movimientos
espaciales ondulatorios con sonido. De esta manera, se introduce y
sale de nuevo continuamente la capa cortante 6 de la cavidad en la
cavidad 2 una y otra vez, lo cual se indica mediante la flecha 7. De
esta manera la pared posterior de la cavidad 8 está sometida
temporalmente al flujo completo en la estructura plana 5, el cual se
estanca en la pared posterior de la cavidad 8 y genera un impulso de
presión, cuya componente de presión sonora 9 avanza dentro de la
cavidad 2 hacia la pared anterior de la cavidad 10. En el borde
superior de la pared anterior de la cavidad se induce entonces una
nueva onda inestable en la capa cortante de la cavidad 6, con lo que
se provoca una realimentación y amplificación del efecto de
vibración.
En la figura 3 se ve una vista en perspectiva de
una cavidad 2 con un ala delta 11, que está dispuesta en la zona de
delante de la cavidad 2 vista en la dirección del flujo S.
La llamada ala delta 11 tiene un par de bordes de
rotura de flujo, que discurren convergentes con forma de flecha en
sentido contrario al del flujo S. En la vista en planta el ala delta
11 tiene así forma de delta o de triángulo. Vista transversalmente a
la dirección del flujo S, se extiende el ala delta 11 en paralelo al
plano del flujo, que queda definido por la abertura 12 de la cavidad
2.
Cuando ahora pasa el flujo de aire por delante
del ala delta 11, se provocan en ésta remolinos debido a los bordes
de rotura de flujo, tal que se genera un flujo doble de torbellinos
longitudinales con dos estructuras de torbellinos longitudinales 13a
y 13b en la zona de los bordes laterales de la cavidad 2.
Las estructuras de torbellinos longitudinales 13a
y 13b tienen un sentido de rotación que discurre en contraposición
uno a otro, tal como se dibuja en la figura 4, de manera que generan
una resaca desde la cavidad 2.
En la figura 4 puede verse la cavidad 2 en
sección en la dirección del flujo S. Queda claro que las estructuras
de remolinos longitudinales 13a y 13b están configuradas con su eje
de remolinos en cada caso en la zona de los bordes laterales de la
cavidad 2. La estructura de remolinos longitudinales 13a que se
encuentra a la derecha en la dirección del flujo S gira en el
sentido de las agujas del reloj y la estructura de remolinos
longitudinales 13b que se encuentra a la izquierda en la dirección
del flujo S gira en sentido contrario de las agujas del reloj.
En la figura 5 puede verse el ala delta 11 en una
vista en sentido contrario al del flujo S. Puede verse por lo tanto
el borde posterior del ala delta 11. El ala delta 11 está compuesta
esencialmente por una placa con forma triangular lo más delgada
posible pero estable, que en el eje central del ala delta 11 está
unida integralmente a un travesero 14 que se extiende en la
configuración longitudinal y que está unida con la estructura plana
mediante el travesero 14.
En la figura 6 puede verse el ala delta 11 en
sección, dispuesta en la zona de delante de la cavidad 2.
Puede observarse que el travesero 14 está
articulado a un eje de basculación 15 en l zona anterior del ala
delta 11 con la estructura plana y puede girar alrededor del eje de
basculación 15 en un ángulo de ataque \alpha. El ángulo de ataque
\alpha está determinado como ángulo entre la superficie del ala
delta 11 y el plano del flujo, que queda definido por la superficie
de la abertura de la cavidad 2. Durante el vuelo se ajusta el ángulo
de ataque \alpha preferentemente a unos 10º. Cuando la cavidad 2
está cerrada, se introduce por completo el ala delta 11.
En las figuras 5 y 6 puede observarse que los
bordes de rotura del flujo presentan un chaflán con cantos
relativamente vivos. Esto da lugar a que se suelten mejor los
remolinos.
En la figura 7 se observa el ala delta 11, que
está dispuesta en la zona de delante de la cavidad 2 y directamente
a su lado, en vista en planta. Queda claro que el travesero 14 se
extiende a lo largo del eje central del ala delta 11 y está unido
perpendicularmente a la superficie del ala delta 11 de forma
integral con el ala delta 11. Los bordes de rotura del flujo
discurren convergentemente en contra de la dirección del flujo S con
forma de flecha, siendo la envergadura del ala delta de
aproximadamente 1,5 veces el tamaño de la anchura W de la cavidad
2.
El ángulo de la flecha \varphi en cada caso
entre un borde de rotura de flujo y el borde posterior que discurre
transversalmente respecto a la dirección del flujo S del ala delta
11, es de unos 70º.
Claims (14)
1. Procedimiento para reducir las vibraciones en
una cavidad (2), siendo inundada la abertura (12) de la cavidad (2)
por una corriente en una dirección del flujo (S),
caracterizado por la generación de un flujo doble de
torbellinos longitudinales con dos estructuras de torbellinos
longitudinales (13a, 13b) en los bordes laterales de la cavidad (2)
en la dirección del flujo (S), discurriendo el sentido de rotación
de ambas estructuras de torbellinos longitudinales (13a, 13b) del
flujo doble de torbellinos longitudinales en contraposición uno al
otro y estando orientadas ambas estructuras de torbellinos
longitudinales (13a, 13b) de tal manera que la estructura de
torbellinos longitudinales (13a) que se encuentra a la derecha en el
sentido del flujo (S) gira en el sentido de las agujas del reloj y
la estructura de torbellinos longitudinales (13b) que se encuentra
a la izquierda en el sentido del flujo (S) gira en el sentido
contrario de las agujas del reloj.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado por la disposición de un ala delta (11) en la
zona de delante de la cavidad (2), teniendo el ala delta (11) dos
bordes de rotura de corriente que convergen con forma de flecha en
contra del sentido del flujo (S), y extendiéndose el ala delta (11)
transversalmente respecto al sentido del flujo (S) en paralelo a un
plano de flujo que queda definido por la superficie de la abertura
de la cavidad (2).
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque el ángulo de la flecha \varphi entre
en cada caso un borde de rotura de flujo y el borde posterior del
ala delta que discurre transversalmente respecto a la dirección del
flujo (S) es de unos 70º.
4. Procedimiento según la reivindicación 2 ó 3,
caracterizado porque el ángulo de ataque \alpha del ala
delta entre la superficie del ala delta (11) y la superficie del
flujo se ajusta a unos 10º.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque el ángulo de ataque \alpha es
variable.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque la envergadura
del ala delta (11) es aproximadamente 1,5 veces el tamaño de la
anchura (W) de la cavidad (2).
7. Estructura plana inundada por la corriente con
una cavidad (2), pudiendo ser inundada la abertura (12) de la
cavidad (2) por una corriente en la dirección del flujo (S),
caracterizada por un dispositivo situado en la zona de
delante de la cavidad (2) vista en la dirección del flujo (S),
para la generación de flujos dobles de torbellinos longitudinales
con dos estructuras de torbellinos longitudinales (13a, 13b) en la
zona de los bordes laterales de la cavidad (2) en la dirección del
flujo (S), teniendo ambas estructuras de remolinos longitudinales
(13a, 13b) un sentido de rotación que discurre en contraposición
uno al otro, girando la estructura de remolinos longitudinales
(13a) que se encuentra a la derecha en la dirección del flujo (S)
en el sentido de las agujas del reloj y la estructura de remolinos
longitudinales (13b) que se encuentra a la izquierda en la
dirección del flujo (S) en la dirección contraria al sentido de las
agujas del reloj.
8. Estructura plana según la reivindicación 7,
caracterizada porque el dispositivo es un ala delta (11),
que tiene dos bordes de rotura de flujo que convergen en forma de
flecha en contra del sentido del flujo (S), y extendiéndose el ala
delta (11) transversalmente respecto a la dirección del flujo (S)
en paralelo a un plano del flujo que está definido por la
superficie de la abertura de la cavidad (2).
9. Estructura plana según la reivindicación 8,
caracterizada porque el ángulo de la flecha \varphi, en
cada caso entre un borde de rotura de flujo y el borde posterior del
ala delta (11) que discurre transversalmente respecto a la
dirección del flujo (S) es de unos 70º.
10. Estructura plana según una de las
reivindicaciones 8 ó 9, caracterizada porque el ángulo de
ataque \alpha del ala delta (11) entre la superficie del ala delta
(11) y la superficie del flujo es de unos 10º.
11. Estructura plana según una de las
reivindicaciones 7 a 10, caracterizada por un dispositivo
para el ajuste del ángulo \alpha del ala delta (11).
12. Estructura plana según la reivindicación 11,
caracterizada por un eje de basculación (15) en la zona
anterior del ala delta (11), pudiendo girar el ala delta (11)
alrededor del eje de basculación (15).
13. Estructura plana según una de las
reivindicaciones 7 a 12, caracterizada porque la envergadura
del ala delta (11) es aproximadamente 1,5 veces el tamaño de la
anchura (W) de la cavidad (2).
14. Estructura plana según una de las
reivindicaciones 7 a 12, caracterizada porque los bordes de
rotura del flujo del ala delta (11) presentan chaflanes de cantos
vivos.
Applications Claiming Priority (2)
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