Felkavaró eszközök a levegő útjában

Az áramlástani berendezések, járművek tervezése során gyakran alkalmazunk örvénygenerátorokat. Ezek olyan apró, ismétlődő elemek a test felszínén, amik az áramlást megzavarják és a különböző sebességű zónákat összekavarják. Elsőre nagyon furcsának tűnhet, milyen haszna lehet ennek?

A cikk első szerzője 2018-ban a BME, a Pro Progressio Alapítvány, valamint az Élet és Tudomány közös ismeretterjesztő cikkpályázatán Oktatói kategóriában első helyezést ért el. Pályamunkája az Élet és Tudomány 2018/26 számában jelent meg Az áramlástani veszteségek állati trükkjei címmel.

Hőcserélőkben egy szilárd test felszíne, például egy forró lemez és a körülötte áramló gáz vagy folyadék közt szeretnénk minél jobb hőátadást megvalósítani, minél kisebb helyen történjen meg a hőcsere. Ilyen esetekben az örvénygenerátorok segítségével az áramlás „,felkavarható". A felület melletti forró gáz- és folyadékrészecskék nagyobb valószínűséggel kerülnek távol a felülettől, míg a hideg, távoli részecskék könnyedén a felület közelébe keveredhetnek. A kavarodás hatására pedig jelentősen növekszik a hőcsere. A hőmérséklethez hasonlóan viselkedik maga az áramló közeg sebességmezeje is. A falhoz közel megegyezik a test sebességével, majd attól távolodva folyamatosan változik egy közel állandó, távoltéri értékre. Azt a tartományt, ahol ez a hirtelen változás történik, határrétegnek hívjuk. Az egyszerűség kedvéért függetlenül attól, hogy csőben szállítunk valamilyen közeget vagy egy jármű áramlását vizsgáljuk, rögzítsük a megfigyelésünket a szilárd testhez, így az áll, a közeg pedig mindig ehhez képest mozog. Hasonlóan a hőcserélős példához, ha az áramlásban erős örvénylés, kavarodás van, akkor a falhoz közeli lassú részecskék könnyebben keverednek a távoli gyorsabb részecskékkel és fordítva, a gyors távoli részecskék könnyebben kerülnek közel a falhoz. Szintén a hőcserélős példánál maradva, itt a hőcsere helyett a mozgási impulzus cseréje növekszik jelentősen, ami megnöveli a test ellenállását is. Emiatt a haladáshoz vagy a közeg szállításához szükséges erő, és ezáltal a szükséges munka, energiafogyasztás is jelentősen nő. Felmerülhet a kérdés, hogy akkor ez miért hasznos? Nem inkább az ellenállás csökkentése és energiamegtakarítás ilyen esetekben a cél? De pontosan így van! Az áramlás fő irányában nem változó, görbülő, például sík vagy csőszerű testekre sosem helyezünk örvénygenerátorokat. A testek többsége azonban nem ilyen, és egy másik sokkal fontosabb hatást is figyelembe kell vennünk.

Gondoljunk egy golf labdára, egy autóra vagy akár egy repülőgép szárnyára. Ezekben a testekben közös, hogy erősen görbültek, egy pont után, ahogy haladunk az áramlással együtt, a testük keresztmetszete folyamatosan vagy hirtelen csökken. Ezzel egyidejűleg az áramlási tér keresztmetszete növekszik. Ha pedig nő a keresztmetszet, akkor az áramlási sebességnek csökkennie kell. Gondoljunk bele, ha a test legvastagabb pontjánál az arra merőlegesen definiált felületen másodpercenként n darab részecske halad keresztül, akkor mivel ezek nem tűnhetnek el, ugyanennyi részecske kell, hogy áthaladjon másodpercenként a test végénél definiált felületen keresztül is. Ha ez a felület nagyobb, ez csak úgy lehetséges, hogy vagy a részecskék kerülnek távolabb egymástól vagy a sebességük kell, hogy csökkenjen. Ha távolabb kerülnének egymástól a részecskék, az együtt járna a sűrűségük csökkenésével, amit alacsony sebességű áramlásoknál a termodinamika nem enged meg, tehát szükségszerűen a sebességüknek kell csökkennie. A csökkenő sebesség pedig Bernoulli törvénye alapján növekvő nyomást eredményez. Gondolhatnánk, hogy ez a nyomásnövekedés csak a faltól távolabb jön létre, ahol már számottevő sebessége van a közegnek. Sajnos azonban ez nem így van, a nyomás a falra merőlegesen alig változik. A nyomás a falhoz közel is folyamatosan növekszik az áramlás irányába, és ott tovább lassítja a közeget. Igen, de a falhoz közeli részecskéknek már amúgy is alacsony a sebességük. Előfordulhat, hogy a nyomásnövekedés miatt annyira visszalassulnak, hogy megállnak, és nem követik a test alakját, hanem arra közel merőlegesen haladnak tovább, kikerülve a nagy nyomású zónát. Ezt a jelenséget hívjuk az áramlás leválásának. Az áramlás tulajdonképpen nem képes „bevenni a túl éles kanyarokat" és nem követi tovább a test vonalát. Hasonlóan egy autóhoz, ami lesodródik az útkanyarulatban. A leválás miatt a testre ható erők jelentősen megváltoznak. Az ellenálláserő jelentősen nő, a felhajtó- vagy leszorítóerő pedig jelentősen lecsökken. Sajnos ez a jelenség a repülés hajnalán végzetes balesetekhez is vezetett. Előfordult, hogy nem vették elég komolyan a gépek súlykorlátozását. A túlsúlyos repülőknél a pilóta a felszállás során igyekezett minél meredekebben repülni, mivel a szárny annál nagyobb felhajtóerőt biztosít, minél meredekebben áll. Egy határon túl azonban az áramlás már nem tudja követni a túl nagy keresztmetszet-változást és a korábban leírt módon leválik, amit átesésnek nevezünk. Ilyenkor nemcsak jelentősen megnő az ellenállás, hanem sajnos a felhajtóerő is töredékére esik, és a gravitáció hatására a gép szinte úgy zuhan le, mint egy darab kő. Ma már ilyen balesetek nem fordulhatnak elő, szigorúan nézik a gépek felszállási súlyát és több szenzor figyeli, hogy az átesés se fordulhasson elő. Sajnos a közelmúltban pont az áteséstől való félelem vezetett a két Boeing 737 MAX gép lezuhanásához és több száz ember halálához. Itt vélhetőleg az egyik ilyen szenzor meghibásodása miatt a gép nem engedélyezett megfelelő állásszöget, áteséstől tartva. A gép tervezői nem kellő körültekintéssel tervezték meg a rendszert, és nem voltak redundáns érzékelők, amik egy ilyen berendezésnél elvárhatók lettek volna. az segíthetnek a leválás elkerülésében? Mint láttuk, a leválás fő oka a falhoz közeli lassú részecskék, amik a nyomás növekedésével szemben már nem tudnak haladni, nem követik a test görbületét. Az örvénygenerátor pont ezen tud segíteni, a kavaró hatása miatt a távoli gyors részecskék közel kerülnek a falhoz, és persze lelassulnak a növekvő nyomás miatt, de nem állnak meg. A nem, vagy sokkal később válik le. Bár a nagyobb impulzuscsere növeli az ellenállást, de késlelteti vagy megelőzi a leválást, ami összességében mégis biztonságosabb működéshez és kisebb ellenálláshoz vezet. A határrétegben azonban ennek az impulzuscserének a növekedése magától is megtörténhet. A határréteg a test elején vékony, azonban tovább haladva folyamatosan vastagszik. Ebben a vastag határrétegben maguktól is létrejönnek úgynevezett instabilitási hullámok, amiket felfedezőik után Tollmien-Schlichting hullámoknak nevezünk. Ezek amplitúdója folyamatosan növekszik, majd egy pont után a szabályosság megszűnik, a hullámok összetöredeznek, és kialakul egy teljesen kaotikus mozgás, a turbulencia. Nagyon erőteljes impulzuscsere jön létre, ami ugyan jelentősen növeli helyileg az ellenállást, de közben megakadályozza vagy késlelteti a leválást. Így görbült testek esetén összességében a testre ható teljes ellenálláserőt is jelentősen csökkentheti.

A felület érdesítésével a turbulencia létrejöttét lehet segíteni, illetve a turbulencia intenzitását növelni. Ennek köszönhetően repül messzebb a golflabda is. A labda érdes felülete miatt nő a turbulencia intenzitása, a leválás később történik, csökken a fékezőzóna mértéke, és emiatt az ellenálláserő is, a labda pedig messzebb száll. Ha a turbulencia önmagában mégsem elegendő a leválás megakadályozásához, akkor alkalmaznak további örvénygenerátorokat, hogy ezt a keveredést tovább növeljék. Persze bizonyos határ felett már ezek sem segítenek. Amennyiben az örvénygenerátorok méretét lecsökkentjük, teljesen más célra alkalmazhatjuk azokat. Hogy megkülönböztessük a másik használati módtól, ezeket miniatűr örvénygenerátoroknak hívjuk. Paradox módon ezeket pont a turbulencia létrejöttének megelőzésére használhatjuk, hogy az impulzuscserét gátoljuk, ezáltal enyhén görbült, áramvonalas testek esetén jelentősen, akár tizedére csökkenthetjük az ellenálláserőt. A BME Gépészmérnöki Karának Hidrodinamikai Rendszerek Tanszékén az Áramlások stabilitása kutatócsoportban is ilyen eljárásokat kutatunk. A miniatűr örvénygenerátorokat a határréteg azon szakaszába kell tenni, ahol az instabilitási hullámok kialakulnak. Az örvénygenerátor ezeket a hullámokat egyfelől felszaggatja, másfelől az erős örvénylés a távoli, gyors közeget bizonyos helyeken lefelé; máshol pedig a falhoz közeli, lassú részecskéket felfelé mozgatja. Így egy felülről nézve sávos sebességtér alakul ki, amiben gyors és lassú zónák váltják egymást.

Ebben a sebességtérben az instabilitási hullámok kevésbé tudnak növekedni, ezáltal nem, vagy csak sokkal később alakul ki a turbulencia. Bár az örvények a sávok kialakításával növelik az impulzuscserét és az ellenállást, ez mégis jóval kisebb, mintha turbulens lenne az áramlás. Az örvénygenerátorok geometriájának optimalizálásával összességében síklap feletti áramlás esetén nagyjából 40-50 százalékos veszteségcsökkentést tudtunk elérni, amit szeretnénk még tovább javítani. Emellett kutatásokat folytatunk valódi görbült felületek, szárnyak esetén is. Azt vizsgáljuk, hogy kisebb görbület esetén elegendőek lehetnek-e a generált örvények, nemcsak a turbulencia megelőzésére, de a leválás megelőzésére is.

A technológiát olyan áramvonalas testeken lehet majd alkalmazni, amik viszonylag gyorsan mozognak a közegben, így az ingadozó szél miatt mindig jelenlévő fluktuációk a jármű sebességéhez relatíve kicsik lesznek; de közben kellően lassan mozognak, hogy az áramlás összenyomhatósága ne okozzon gondot. Első körben az alacsony sebességű, kisebb hobbirepülők, vagy épp a nagy sebességű szárnyashajókon lehet ezeket alkalmazni. Jelenleg például svéd kutatók terveznek kísérleti repülőgéphez miniatűr örvénygenerátorokat.

Nagy Péter Tamás

Kulcsár Márton

Szabó András

Paál György A kutatás a Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Hivatal (OTKA K 142675) és a Bolyai János Kutatási ösztöndíj (BO/00364/24) támogatásával készült.

Forrás: Élet és Tudomány