средство снижения сопротивления трения тел в жидкой среде и устройство его реализации

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 недостатков

выигрыш 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

=hv/,

где h высота шероховатости, в данном случае волосков;

V динамическая скорость потока;

кинематическая вязкость жидкости.

не должен сильно отличаться от такого же параметра гидравлически гладких поверхностей.

Технически осуществимым является устройство снижения сопротивления трения, когда на обтекаемую поверхность механическим путем наносится регуляция, направленная по потоку, микрошероховатость типа "риблет", в поперечном сечении напоминающая "рыбью чешую", см. сборник "Снижение вязкого трения" под редакцией Г. Р. Хью, издательство "Машиностроение", Москва, 1984 г.

Однако наносимая механическим путем регулярная шероховатость практически имеет значение h 8-12 (h=0,5 мм)и при испытаниях таких шероховатостей был показан незначительный эффект снижения сопротивления трения, не более 2 10% в ограниченном диапазоне скоростей течения. Кроме того, профиль риблетных поверхностей сильно влияет на величину эффекта, делая его отрицательным при выходе за рамки эффективного диапазона скоростей. Выполнение такой шероховатости практически невозможно в трубопроводах.

Поэтому уменьшение гидравлического сопротивления при течении жидкостей с помощью гибких лент с гибкими лепестками, заведомо больших, чем регулярная микрошероховатость, фактически недостижима.

Технической задачей изобретения является обеспечение в течение длительного времени высокой эффективности снижения сопротивления трения в широком диапазоне скоростей течения жидкости относительно различных поверхностей без дополнительных энергетических затрат по сравнению с прототипом.

Технический результат при осуществлении решения достигается предлагаемым средством снижения сопротивления трения тел в жидкой среде, устройством и способом его реализации.

Для этого в качестве средства снижения сопротивления трения в потоках жидкости применены поверхностно активные вещества дифильного молекулярного строения, например карбо- и гетероцепных фторполимеров в качестве гибкого покрытия твердых тел, обтекаемых турбулентным потоком.

В качестве устройства принята поверхность обтекания, содержащая нанесенное на нее искусственное гибкое покрытие из закрепленных одним концом свободноориентированных элементов, отличающаяся тем, что гибкое покрытие выполнено в виде дифильного строения, например перфторполиэфира или фторакрилата.

Поверхность, отличающаяся кроме того тем, что мономолекулярный слой образован за счет нанесения раствора вещества дифильного молекулярного строения, например, фторакрилата в ацетоне или перфторполиэфира в хладоне на предварительно активированную поверхность с последующим испарением растворителя.

В отличие от известных способов использования дифильного молекулярного строения в качестве средства снижения сопротивления в виде добавок, вводимых в поток, в данном техническом решении они применены в качестве гибкого покрытия поверхностей, обтекаемых потоком жидкости.

В отличие от известных устройств, имеющих гибкие покрытия, предлагаемое устройство выполнено в виде мономолекулярного слоя, а не в виде имеющих конечные размеры гибких лент с гибкими лепестками.

Таким образом, заявляемые технические решения отличаются от прототипа признаками отличительных частей формулы изобретения, что позволяет сделать вывод об новизне по отношению к известному техническому решению.

В основе предлагаемого технического решения лежит явление, состоящее в том, что молекулы дифильного строения обладают свойством закрепляться полярной частью на твердой поверхности, образуя другой своей частью так называемый "хвост". Наличие на этом "хвосте" определенных, например углеводородных групп, позволяет обеспечить при мономолекулярной толщине покрытия несмачиваемость поверхности, см. например, В. П. Исаченко "Теплообмен при конденсации", издательство "Энергия", Москва, 1977 г. стр. 139.

В предлагаемом средстве подобные вещества дифильного молекулярного строения применены по новому, ранее неизвестному, назначению для снижения сопротивления трения тел в жидкой среде. Их применение позволяет существенно уменьшить толщину слоя на обтекаемой поверхности до высоты h, соответствующей размеру молекулы, приближая упомянутый параметр h к его значению для гидравлически гладких поверхностей, и отвечает представлениям о свойствах идеально гладкой поверхности, описанной в книге Г. Шлихтинга.

Предложенный способ получения покрытия на предварительно активированной поверхности в виде молекулярного слоя из раствора веществ дифильного молекулярного строения обеспечивает получение такого слоя в силу того, что на поверхности удерживаются только молекулы, имеющие с ней непосредственный контакт.

На фиг. 1 изображен фрагмент тела 1, на поверхности 2 которого нанесено полимерное покрытие из вещества дифильного молекулярного строения, молекулы которого закреплены своей полярной частью 3 на поверхности тела 1 и образуют своими "хвостами" 4 мономолекулярный слой 5, обладающий свойствами упомянутой выше "гибкой стенки" и снижающей потери трения турбулентного потока, обтекающего тело 1.

По структуре мономолекулярный слой 5 представляет собой переплетение "хвостов" молекул дифильного строения, которое своей гибкостью и податливостью ламинаризирует пристеночный поток жидкости из газа за счет предупреждения образования и гашения микровихрей, с возникновением которых увеличивается препятствие течению среды и процесс роста вихрей до определенных размеров становится ливинообразным. Уменьшение вихреобразования в пристеночном потоке снижает потери энергии, то есть сопротивление трения при течении жидкостей около поверхностей.

Высокая эффективность предложенного средства снижения сопротивления трения тел в жидкой среде и устройства его реализации подтверждена опытным путем, что отражено в технической записке ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, вып. N 16971, Санкт-Петербург, 1992 г.

В проведенных исследованиях внутренняя поверхность титановых труб диаметром 16 х 13 мм была предварительно подготовлена и прокачена 1%-ным раствором в хладоне перфторполиэтилена, относящегося к классу дифильных соединений. После испарения остатков жидкой фазы труба была использована в качестве опытной в составе малого стенда, см. фиг. 2, где из напорного бака 7 вода перекачивалась в расходный бак 8 при помощи насоса с регулируемой частотой вращения 9. Расход воды измерялся при помощи расходомерного устройства 10. Между баками 7 и 8 расположен стабилизирующий участок 11 и рабочий участок опытной трубы 12 длиной 600 мм с системой измерения падения давления 13.

На фиг. 3 приведены результаты обработки на гидравлическом стенде при скорости воды в опытной трубе до 10 м/с в виде зависимости коэффициента трения от числа Рейнольдса, из рассмотрения которых видно, что:

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.