средство снижения сопротивления трения тел в жидкой среде и устройство его реализации
Классы МПК: | F15D1/06 воздействием на пограничный слой |
Автор(ы): | Денисов Э.П., Григорьев В.Ю., Дорощенко А.В., Михайлова Л.И., Чекалова Л.А., Губанов В.А., Тройчанская П.Е., Бретцке Е.Б. |
Патентообладатель(и): | Центральный научно-исследовательский институт им.акад.А.Н.Крылова |
Приоритеты: |
подача заявки:
1993-04-27 публикация патента:
10.02.1997 |
Использование: для снижения турбулентного трения при перемещении тел в жидкой среде. Сущность изобретения: применение поверхностно-активных веществ дифильного молекулярного строения, например, карбо- и гетероцепных фторполимеров в качестве гибкого покрытия твердых тел, обтекаемых турбулентным потоком, поверхность обтекания, содержащая нанесенное на нее искусственное гибкое покрытие из закрепленных одним концом свободноориентированных элементов, гибкое покрытие выполнено в виде мономолекулярного слоя вещества с закрепленными полярной частью молекулами дифильного строения, например, перфторполиэфира или фторакрилата. Причем мономолекулярный слой образован за счет нанесения раствора вещества дифильного молекулярного строения, например перфторполиэфира в хладоне или фторакрилата в ацетоне, на предварительно активированную поверхность с последующим испарением растворителя. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
1. Применение поверхностно-активных веществ дифильного молекулярного строения, например карбо-и гетероцепных фторполимеров, в качестве гибкого покрытия твердых тел, обтекаемых турбулентным потоком. 2. Поверхность обтекания, содержащая нанесенное на нее искусственное гибкое покрытие из закрепленных одним концом свободно ориентированных элементов, отличающаяся тем, что гибкое покрытие выполнено в виде мономолекулярного слоя вещества с закрепленными полярной частью молекулами дифильного строения, например перфторполиэфира или фторакрилата. 3. Поверхность по п. 2, отличающаяся тем, что мономолекулярный слой образован за счет нанесения раствора вещества дифильного молекулярного строения, например перфторполиэфира в хладоне или фторакрилата в ацетоне, на предварительно активированную поверхность с последующим испарением растворителя.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к гидродинамике и предназначено для снижения сопротивления турбулентного трения при перемещении тел в жидкой среде. Оно может быть применено как для снижения потерь на трение, связанных с течением жидкостей в трубопроводах, так и для уменьшения энергозатрат при движении тел в жидкости, что является одной из актуальных задач судостроения. Сопротивление движению судна определяется рядом факторов, в число которых входит сопротивление трения корпуса судна при его движении. Основной составляющей этого трения являются потери на развитие вихрей из-за градиента скорости вблизи обтекаемой поверхности тем больше, чем грубее шероховатость поверхности. Изменяются различные способы управления пограничным слоем с целью уменьшения сопротивления трения, а именно сглаживание поверхности, отсос пограничного слоя, вдув воды или воздуха в пограничный слой, ламинаризация пограничного слоя, в том числе путем применения полимерных растворов и выполнения регулярной микрошероховатости. Уменьшение отрицательной роли выступов в формировании пристеночных вихрей достигается уменьшением шероховатости, приданием большей гладкости поверхности, чему уделяют особенно большое внимание создатели спортивных судов. Но это возможно до определенных пределов и не исключает влияния пограничного слоя и его перехода из ламинарного режима течения в турбулентный. В книге Г. Шлихтинга "Теория пограничного слоя", издательство "Наука", Москва, 1969 г. на стр. 478 указано, что "отсасывание ламинарного пограничного слоя является весьма эффективным средством для уменьшения сопротивления". Однако этот эффект практически не используется из-за высокой стоимости реализации этой идеи. В практическом плане предложены несколько иные способы создания условий, препятствующих формированию и развитию вихрей, которые дают больший вклад в сопротивление трения, нежели вязкий подслой. Известен способ, связанный с введением в пристеночный поток относительно длинных и гибких образований, препятствующих развитию вихрей, в частности полимерных добавок. Явления, сопутствующие этому, рассмотрены, например, в работе Е. М. Хабахпашевой и Б. Т. Перепелицы "Об особбенностях пристенной турбулентности в потоке воды с высокомолекулярными добавками", опубликованной в ИФЖ, N6, том XVIII, стр. 1094 1097, 1970 г. Несмотря на высокую эффективность, этот способ снижения сопротивления трения при подаче полимера на поверхность тела, снабженного устройством для приготовления и подачи растворов полимеров, имеет ряд недостатковвыигрыш в сопротивлении трения не является чистым энергетическим выигрышем, так как необходимо учитывать затраты на приготовление растворов полимера в смесителе и его транспортировку к месту подачи в пограничный слой;
эффект существует лишь пока в поток подается полимер, запасы которого ограничены. Создание условий, препятствующих образованию и развитию пристеночных вихрей, связывается также со стабилизацией ламинарного пограничного слоя путем придания гибкости обтекаемой стенки. Как отмечено в упомянутой выше книге Г. Шлихтинга "Теория пограничного слоя" на стр. 477, "было обнаружено, что в области чисел Рейнольдса от 3*106 до 20*106 при гибкой поверхности сопротивление трения составляет всего 50% от сопротивления при жесткой поверхности". Известны устройства для управления потоком, в частности устройство по а. с. N 1514985 (прототип). " Устройство для управления кольцевым жидкостным потоком, включающее трубопровод с соосно размещенными в нем интенсификаторами тепло- и массообмена, отличающееся тем, что, с целью интенсификации тепло- и массообменных процессов на низкоскоростных режимах течения путем усиления волнообразования внутри трубопровода, каждый интенсификатор выполнен в виде гибкой ленты с гибкими лепестками и размещен в пристенном слое жидкости". Как следует из этого технического решения, размещение в пристенном слое жидкости гибкой ленты с гибкими лепестками представляет собой турбулизатор - волнообразователь увеличивающий, а не снижающий сопротивление трения при течении жидкости. Для снижения этого трения параметр, характеризующий с этой точки зрения эффективность обтекаемой жидкостью поверхности и определяемый как
![средство снижения сопротивления трения тел в жидкой среде и устройство его реализации, патент № 2073129](/images/patents/399/2073018/951.gif)
![средство снижения сопротивления трения тел в жидкой среде и устройство его реализации, патент № 2073129](/images/patents/399/2073004/183.gif)
![средство снижения сопротивления трения тел в жидкой среде и устройство его реализации, патент № 2073129](/images/patents/399/2073009/957.gif)
где h высота шероховатости, в данном случае волосков;
V динамическая скорость потока;
![средство снижения сопротивления трения тел в жидкой среде и устройство его реализации, патент № 2073129](/images/patents/399/2073009/957.gif)
![средство снижения сопротивления трения тел в жидкой среде и устройство его реализации, патент № 2073129](/images/patents/399/2073009/8805.gif)
в начале испытаний происходит смыв излишков перфторполиэфира и коэффициент трения близок к значениям, соответствующим гладкой трубе без покрытия, приведенный в виде черной сплошной линии (начало первой серии опытов);
в последующих опытах величина l оказалось меньше, чем для гладкой трубы в 2 2,5 раза (вторая четвертая серия опытов);
лишь при значении чисел Рейнольдса > 105, что соответствует скорости течения около 10 м/с, покрытие было смыто (пятая серия опытов). В реальных системах значения скоростей течения жидкостей принимаются существенно меньшими, что связано со значительными энергозатратами при больших скоростях течения и с возможным эррозионным разрешением материалов. Так, например, максимально допустимые значения скорости воды в трубах по условиям скорости материалов ограничены, в частности для труб из латуни не более 1,5 2,0 м/с. Поэтому можно ожидать, что при таких значениям скоростей изученные покрытия могут обеспечить требования к ресурсу. В принципе возможно создание более стойких и не менее эффективных веществ дифильного строения, обеспечивающих сохранение требуемых качеств поверхностей омываемых жидкими средами и при больших значениях скоростей рабочих сред. Относительная простота реализации изобретения позволяет на его применение в различных областях техники, в частности в развитых системах трубопроводов, для спортивных судов. Возможность снижения вихреобразования способствует также улучшению шумовых характеристик в системах, связанных с течением жидких сред.
Класс F15D1/06 воздействием на пограничный слой