способ снижения гидродинамического трения
Классы МПК: | F15D1/06 воздействием на пограничный слой |
Автор(ы): | Колосов Б.В. |
Патентообладатель(и): | Колосов Борис Владимирович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-11-24 публикация патента:
27.07.1999 |
Способ позволяет снизить гидродинамическое трение при течении жидкости или газа в каналах или внешнем обтекании тел путем воздействия на пограничный слой жидкости или газа переменным электромагнитным полем. Частоту поля устанавливают равной частоте собственных колебаний молекул жидкости или изменяют в диапазоне 109-1013 Гц до тех пор, пока гидродинамическое трение станет минимальным. Техническим результатом изоретения является снижение гидродинамического трения и энергозатрат. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
1. Способ снижения гидродинамического трения, включающий приложение внешней силы к пограничному слою жидкости или газа, омывающего поверхность твердого тела, отличающийся тем, что на пограничный слой воздействуют переменным электромагнитным полем. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частота поля равна частоте собственных колебаний молекул жидкости или газа. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на пограничный слой начинают воздействовать полем в диапазоне, соответствующем эффекту Керра (от 109 до 1013 Гц), изменяя частоту до тех пор пока не произойдет снижение трения.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к гидродинамике и предназначено для снижения гидродинамического трения при течении жидкости в каналах или при внешнем обтекании поверхности твердого тела. Известен способ снижения гидродинамического трения при добавлении в поток высокомолекулярных веществ (1. Пилипенко В.П. Влияние добавок на пристенные турбулентные течения. - в кн. Итоги науки и техники. Механика жидкости и газа. М., 1980, т.15, с. 156-234). Известный способ требует наличия специальных веществ и при этом уменьшает гидродинамическое трение в определенных пределах не более чем в 4 - 5 раз), что является недостаточным. Известен способ снижения гидродинамического зрения путем отсасывания пограничного слоя (2. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М., 1974. с. 52, 356). (Прототип). Известный способ, включающий приложение внешней силы к пограничному слою, позволяет за счет предупреждения перехода ламинарного течения в турбулентное, снизить гидродинамическое трение более значительно, однако недостатком его является необходимость производить отверстия в поверхности обтекаемого тела, осуществить отсасывание части жидкости или газа, что усложняет способ и увеличивает энергозатраты на осуществление процесса снижения трения. Известен способ управления пограничным слоем (3. Потемкин В.Ф., Дрейцер Г.А. А.С. N 909384), путем введения в слой ферромагнитных частиц, на которые воздействуют магнитным полем. Этот способ также отличается значительной сложностью, т. к. требует введения в поток специальных веществ. Этот способ также может считаться прототипом, т.к. он предусматривает воздействие на поток внешней силой, однако он, по существу, также использует эффект Томса как и [1] со всеми его ограничениями. Цель изобретения - повышение эффективности способа. Под этим будем понимать как большее снижение трения, так и снижение энергозатрат. Поставленная цель достигается тем, что на пограничный слой жидкости или газа, омывающего поверхность твердого тела, воздействуют переменным электромагнитным полем. При этом частоту поля устанавливают равной частоте собственных колебаний молекул жидкости или газа. Под частотой собственных колебаний надо понимать частоту колебаний относительно оси, определяющей ориентации молекул. При невозможности определить эту частоту точно, ее выбирают в диапазоне 109 - 1013 Гц. Такое воздействие на пограничный слой соответствует критерию "новизна", т.к. в прототипе на пограничный слой осуществляют воздействие постоянным магнитным полем (т.к. частота не указана), причем воздействие происходит опосредственно, через ферромагнитные частицы, вводимые в поток, а в данном способе переменное электромагнитное поле непосредственно действует на поток. Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают соответствие критерию "существенные отличия". Сущность изобретения состоит в следующем. При течении жидкости или газа, как известно, за счет перехода ламинарного движения в турбулентное, резко возрастает гидродинамическое трение. Проведенные автором теоретические исследования (см. 4. Колосов Б.В. О предельных законах гидравлического трения в гладких трубах. Деп. рукопись ВИНИТИ, N 473, 1987 г.: 5. Колосов Б.В. Некоторые вопросы динамики вязкой жидкости. Доп. рукопись ВИНИТИ N 4339 - 90, 1990 г.) позволяет объяснить снижение трения при осуществлении предлагаемого способа следующим образом. Граничный слой жидкости, прилегающий к поверхности твердого тела за счет молекулярного взаимодействия с этой поверхностью и за счет большого градиента скорости, приобретает наведенную анизотропию по отношению к механическому и энергетическому взаимодействию молекул жидкости [4, 5]. Анализируя поведение этого слоя на основе термодинамики необратимых процессов можно показать [5], что за счет анизотропии появляется новый перенос импульса, отличный от обычного, определяемого по закону Ньютона![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133891/2133891-2t.gif)
где
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133028/964.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133038/957.gif)
u - скорость, вдоль поверхности тела;
y - нормаль к поверхности тела;
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133023/961.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133038/957.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133891/2133891-3t.gif)
В общем случае, в анизотропной жидкости
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133028/964.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133028/964.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133891/2133891-4t.gif)
где
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133891/2133891-5t.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133038/957.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133012/955.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133891/2133891-6t.gif)
где
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133011/916.gif)
Uo - средняя скорость. можно показать [5], что для анизотропного потока, в предположении, что он занимает все сечение потока, коэффициент гидравлического трения
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133012/955.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133891/2133891-7t.gif)
где
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133891/2133891-8t.gif)
C3, C4 - постоянные. Следует еще раз подчеркнуть, что выражение (4) общепринято для изотропной жидкости. Для анизотропной жидкости под величиной
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133011/916.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133028/964.gif)
Для изотропной жидкости при течении в каналах
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133012/955.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133891/2133891-9t.gif)
где
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133891/2133891-10t.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133891/2133891-11t.gif)
где
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133891/2133891-12t.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133012/955.gif)
с - теплоемкость. Весьма важным для дальнейшего понимания является тот факт, что число Pr для анизотропной жидкости меньше, чем для изотропной жидкости того же химического состава. Это следует, например, из опытов (7. Мецик М.С. Тимошенко Г. Т. Новые данные о теплопроводности тонких пленок воды. - В сб. Исследования в области поверхностных сил. М.: Наука,1967), где показано что за счет анизотропии в тонких слоях жидкости значительно увеличивается теплопроводность. Так как для других свойств таких анамалий не обнаружено (см. сборник 7), то это свидетельствует о существовании некоторого минимального числа Prmin для анизотропной жидкости. На фиг. 1 показаны зависимости
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133012/955.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133038/957.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133012/955.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133012/955.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133038/957.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133012/955.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133891/2133891-13t.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133891/2133891-14t.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133891/2133891-15t.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133891/2133891-16t.gif)
Полученные результаты позволяют объяснить возникновение турбулентности и возможности ее прекращения следующим образом. В зоне чисел Pe между точками K1 и K2 (см. фиг. 1)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133012/955.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133012/955.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133038/957.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133012/955.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133012/955.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133038/957.gif)
![способ снижения гидродинамического трения, патент № 2133891](/images/patents/338/2133007/183.gif)
Класс F15D1/06 воздействием на пограничный слой