способ снижения сопротивления трения тела посредством формирования вязкоупругого покрытия

Формула изобретения

1. Способ снижения сопротивления трения тела посредством формирования вязкоупругого покрытия, включающий следующие этапы:

а) определение характеристик турбулентного пограничного слоя при заданной скорости свободного потока, используя граничные условия для жесткой поверхности, имеющей такой же размер и форму, как и поверхность с покрытием, при этом указанные характеристики включают толщину пограничного слоя, фазовую скорость и частоту, соответствующие максимальным энергонесущим возмущениям, профили средней скорости, распределение напряжений Рейнольдса, распределение напряжений сдвига на стенке и сопротивление трения,

б) выбор свойств материала вязкоупругого покрытия, включая плотность, комплексный модуль сдвига и толщину покрытия, при которых покрытие, подвергаемое действию вынуждающей функции, идентичной нагрузке, порождаемой турбулентным пограничным слоем и определенной на этапе а), будет обеспечивать максимальный поток энергии в вязкоупругое покрытие, не вызывая возмущения поверхности, которые превышают по амплитуде толщину вязкого подслоя,

в) определение характеристик турбулентного пограничного слоя на вязкоупругом покрытии при заданной скорости свободного потока, используя амплитуды колебаний и поток энергии, соответствующие свойствам материала вязкоупругого покрытия, выбранным на этапе б), включая профили средней скорости, распределение напряжений Рейнольдса, распределение напряжений сдвига на стенке и сопротивление трения,

г) определение снижения сопротивления трения в процентах как отношение разницы между значениями сопротивления трения с покрытием и без него, определенными на этапе а) и в), к сопротивлению трения, определенному на этапе а), для определения количественных значений состава и конфигурации покрытия,

д) формирование вязкоупругого покрытия из материала или комбинации материалов, выбранных на этапах а)-г).

2. Способ по п.1, в котором покрытие сформировано из нескольких слоев изотропных вязкоупругих материалов с различными свойствами материала, где

а) модуль сдвига () является постоянным внутри каждого из слоев,

б) границы между слоями фиксированы,

в) статический сдвиговый модуль материала постепенно снижается в каждом слое в направлении от верхнего к нижнему слою покрытия.

3. Способ по п.1, в котором покрытие формируется из анизотропного материала, в котором свойства материала в нормальном направлении (у) отличаются от свойств в трансверсальной плоскости (x-z).

4. Способ по п.1, в котором вязкоупругое покрытие структурировано более жестким посредством клина, размещенного под покрытием, или профиля другой формы для уменьшения толщины покрытия и таким образом минимизируя колебания возле пересечения покрытия с жесткой поверхностью.

5. Способ по п.1, в котором указанное вязкоупругое покрытие компонуется со множеством поверхностных или внутренних структур, которые, по существу, соответствуют естественным продольным и трансверсальным масштабам турбулентного потока у стенки.

6. Способ по п.1, в котором этап а) включает следующие подэтапы, не обязательно выполняемые в обозначенном порядке:

а) для жесткой поверхности заданной геометрии и для данной скорости свободного потока U, решаются уравнение неразрывности и уравнения движения для стационарного потока несжимаемой жидкости с постоянной кинематической вязкостью , постоянной плотностью , градиентом давления Р и пренебрежимо малыми массовыми силами;

б) по полю скорости U_i, определенному из решения общих уравнений неразрывности и движения на этапе 6а), определяется толщина пограничного слоя как функция геометрии тела, где край пограничного слоя определяется как местоположение, где отношение средней скорости к скорости свободного потока является константой в пределах 0,95 ÷ 1,0;

в) из решения общих уравнений неразрывности и движения на этапе а) определяются напряжения сдвига _w вдоль тела, локальный коэффициент сопротивления трения и интегральное сопротивление;

г) оцениваются частота _е и фазовая скорость С, соответствующие максимальным энергонесущим возмущениям в пограничном слое.

7. Способ по п.1, в котором этап б) включает следующие подэтапы, не обязательно выполняемые в обозначенном порядке:

а) выбирается плотность _s для покрытия, величина которой составляет порядка 10% плотности воды,

б) выбирается начальное значение статического модуля сдвига материала ₀, позволяющее избежать условий резонанса, основываясь на критерии, что скорость волны сдвига в материале приблизительно равна фазовой скорости С энергонесущих возмущений,

в) выбирается начальное значение толщины покрытия Н,

г) определяется тензор напряжений _ij, используя модель вязкоупругого материала Кельвина-Фойгта, где () - зависящая от частоты константа Ламе, определенная в терминах объемного модуля упругости К() и комплексного модуля сдвига (), который является константой во всех направлениях для изотропного материала, но будет иметь разные значения в разных направлениях для анизотропного материала;

д) решаются уравнения сохранения импульса для вязкоупругого материала для того, чтобы найти продольное ₁ и нормальное ₂ смещения по толщине покрытия при заданной гармонической нагрузке единичной амплитуды, фазовой скорости С и переменном волновом числе для покрытия, которое прикреплено к жесткому основанию;

е) решаются уравнения сохранения импульса для набора материалов, модули сдвига которых можно аппроксимировать моделью с одним временем релаксации (SRT) или моделью Хаврилиака-Негами (HN);

ж) выбираются конечные свойства материала покрытия, исходя из условий, что амплитуды колебаний не должны превышать толщину вязкого подслоя и поток энергии в покрытие максимален в диапазоне частот от приблизительно одного разряда ниже до одного разряда выше энергонесущей частоты _е, а также условий возможности практического изготовления материала.

8. Способ по п.1, в котором этап в) включает следующие подэтапы, не обязательно выполняемые в обозначенном порядке:

а) решение уравнений движения и неразрывности для тела с вязкоупругим покрытием при тех же, что и на этапе (б), условиях потока и местоположении, используя численный метод, который учитывает граничные условия ненулевого потока энергии и колебаний поверхности, а также перераспределение энергии между пульсационными компонентами в области стены;

б) сравнение сопротивления трения, вычисленного для вязкоупругой пластины, с сопротивлением, вычисленным для жесткой пластины.

9. Способ по п.6, в котором на этапе 6(б) толщина пограничного слоя аппроксимируется как место, где отношение средней скорости к скорости свободного потока имеет постоянное значение, равное 0,9975.

10. Способ по п.6, в котором на подэтапе 6(г) максимальная энергонесущая частота для возмущений в пограничном слое оценивается как отношение скорости свободного потока к толщине пограничного слоя, и фазовая скорость, соответствующая энергонесущим возмущениям, предполагается равной приблизительно 80% скорости свободного потока.

11. Способ по п.6, в котором при условии двухмерного течения на плоской пластине уравнения неразрывности и движения сводятся к системе уравнений, где применяется метод переноса напряжений Рейнольдса для замыкания модели турбулентности.

12. Способ по п.11, в котором граничные условия для напряжений Рейнольдса выводятся из значений амплитуд поверхности, которые являются продольным и нормальным смещениями ₁ и ₂ по толщине покрытия, вычисленными из решения уравнения сохранения импульса для вязкоупругого материала.

13. Способ по п.12, в котором граничные условия для энергии выражены в терминах решения уравнения сохранения импульса для вязкоупругого материала, где

а) поток энергии в покрытие определяется из корреляции давление-скорость поверхности, которая при данной периодической возмущающей функции может быть выражена в терминах нормальной амплитуды колебания поверхности;

б) амплитуда колебания поверхности ₂ определяется при данной поверхностной нагрузке, соответствующей пограничному слою;

в) поток энергии в покрытие может быть аппроксимирован членом эффективной турбулентной диффузии.

14. Способ по п.13, в котором решение задачи турбулентного пограничного слоя на изотропной вязкоупругой поверхности основано на итеративной методике, и где начальные значения для динамической скорости u* и градиента турбулентной кинетической энергии выбираются, исходя из решения задачи турбулентного пограничного слоя на жесткой плоской поверхности, где значения динамической скорости и градиента турбулентной кинетической энергии, полученные из этого решения, используются для определения граничных условий в следующей итерации и где эта процедура продолжается до сходимости решения.

15. Способ по п.14, в котором при условии двухмерного течения на плоской пластине, покрытой изотропным вязкоупругим материалом, а) значение модуля сдвига () постоянно во всех направлениях, б) сдвиг фазы между нормальным и продольным смещениями стенки равен /2, так что сдвиговые напряжения Рейнольдса на поверхности вязкоупругого покрытия равны нулю, в) граничные условия для напряжений Рейнольдса выражены в безразмерной форме и где константы, моделирующие процесс взаимодействия, могут приравниваться нулю, если амплитуда колебания поверхности меньше толщины вязкого подслоя.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу разработки вязкоупругого покрытия для снижения сопротивления трения в турбулентном потоке жидкости.

Предшествующий уровень техники

Вязкоупругое покрытие поглощает энергию из турбулентного потока и модифицирует механизм обмена энергии между стенкой и потоком, в результате чего изменяется локальный профиль скорости и развитие пограничного слоя. С изменением профиля скорости вблизи стенки также снижается частота турбулентных выбросов и уменьшается диссипация энергии турбулентности с удалением от стенки, что дает снижение сопротивления трения порядка 30%.

Если колебания поверхности вязкоупругого покрытия малы, меньше, чем толщина вязкого подслоя турбулентного пограничного слоя (ТПС), то возмущения, генерированные в жидкости колеблющейся поверхностью, будут оставаться возле стенки внутри вязкого подслоя. Методика определения подходящих параметров вязкоупругого покрытия для снижения его сопротивления рассматривает и развитие ТПС при заданных граничных условиях для скорости, и обмена энергии на поверхности, и деформацию поверхности, и поглощение энергии вязкоупругим слоем при заданном поверхностном поле давления, моделирующем ТПС.

С тех пор как M.O.Крамер заявил об успешных результатах экспериментов в 1957 году, был предпринят ряд попыток снизить сопротивление трения в жидком турбулентном потоке на поверхности, применяя пассивные податливые покрытия. Экспериментальные данные в этой области были разнородными. Большинство исследователей получили повышение сопротивления, и только несколько заявили о снижении сопротивления в турбулентном потоке. Множество теоретических исследований характеризовали устойчивость ламинарного пограничного слоя на деформируемой поверхности, другие характеризовали реакцию покрытия на пульсационную нагрузку.

Однако до сих пор не было предложено способа разработки вязкоупругих покрытий для снижения упругого сопротивления трения, успешно снижающего сопротивление в турбулентном потоке.

В прошлом пассивные покрытия тестировались без задания полной системы критических физических параметров, таких как модуль сдвига, зависящий от частоты, плотность и толщина. Для того чтобы достичь достоверного снижения сопротивления с помощью вязкоупругого покрытия, нужна методика подбора подходящих свойств материала и оценки ожидаемого снижения сопротивления как функции геометрии и скорости.

Соответствующая информация по связанным техническим вопросам имеется и может быть полезна. Классическое обсуждение теории пограничного слоя, включая формулировку уравнений Навье-Стокса и уравнений турбулентного пограничного слоя, представлено в Boundary-Layer Theory, Dr. Hermann Schlichting, опубликованное McGraw Hill, New York, seventh edition, 1979. Описание структуры и масштабов в турбулентных потоках приведено в Turbulence, 1975, McGraw Hill, автор J.O.Hinze, и в “Coherent Motions in the Turbulent Boundary Layer”, в Annual Review of Fluid Mechanics, 1991, том 23, стр.601-39, автор Steven K.Robinson. Обоснование моделей турбулентности типа напряжений Рейнольдса раскрыто в главе “Turbulent Flows: Model Equations and Solution Methodology”, автор Tom Gatski, включенной в Handbook of Computational Fluid Mechanics, опубликованное Academic Press в 1996. Уравнения в механике жидкости и твердого тела часто выражены в индексной или тензорной форме, для краткости. Глава 2 в тексте A First Course in Continuum Mechanics, Y.C.Fung, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ, 1977, дает краткое введение в тензорные обозначения и уравнения механики. Введение в конечно-разностные методы, которые используются для решения системы уравнений импульсов и неразрывности, представлено в Computational Fluid Dynamics for Engineers, Klaus Hoffman, и опубликованном the Engineering Education System in Austin, Texas в 1989.

Описание измеренных и математически моделированных физических свойств полимеров дано в Viscoelastic Properties of Polymers, J.D.Ferry, Wiley, New York, 1980, третье издание. В статье “Loss Factor Height and Width Limits for Polymer Relaxation”, Bruce Hartmann, Gilbert Lee, and John Lee, Journal of the Acoustical Society of America, Vol.95, No.1, January 1994, обсуждается математическое описание модулей сдвига для реальных вязкоупругих полимерных материалов, включая моделированные в соответствии с подходом Havriliak-Negami.

Недавно в публикации K.S.Choi, X.Yang, B.R.Clayton, E.J.Glover, M.Atlar, B.N.Semonev, and V.M.Kulik, “Turbulent Drag Reduction Using Compliant Surfaces”, Proceedings of the Royal Society of London, 1997, 453, pp.2229-2240 сообщалось об экспериментальных измерениях снижения турбулентного сопротивления трения до 7% на осесимметричном теле, покрытом вязкоупругим материалом.

Эти эксперименты были выполнены в Великобритании и использовали покрытия, разработанные и изготовленные в Новосибирском Институте теплофизики Российской Академии Наук группой, возглавляемой Б.Н. Семеновым. Подход к разработке является полуэмпирическим и не учитывает характеристики комплексного модуля сдвига вязкоупругого материала, в частности время релаксации материала. Этот подход не учитывает зависимости свойств материала от частоты колебаний. Более того, концепция Семенова справедлива только для мембранных покрытий, таких как пленка, состоящая из вспененной резины, пропитанной водой или глицерином, где рассматриваются только нормальные к поверхности колебания.

Структура покрытия, предназначенного для снижения сопротивления, рассматривалась в литературе, начиная с патента Германии 1938 г., No.669-897, “An Apparatus for the Reduction of Friction Drag”, на имя Крамера. Позднее Kрамером получены патенты 3161385 и 3585953, для покрытий, продлевающих ламинарный пограничный слой. В советских авторских свидетельствах: USSR 1413286 “A Damping Covering”, 1974; USSR 1597866 “An Adjustable Damping Covering”, 1978, и USSR 1802672 “A Damping Covering for Solid Bodies”, 1981 также описаны структуры снижающих сопротивление покрытий, содержащих вязкоупругие материалы. Эти авторские свидетельства идентифицируют трехмерную структуру в снижающих сопротивление покрытиях, но не рассматривают способ для определения подходящих параметров вязкоупругого материала, который можно было бы использовать при изготовлении таких покрытий. Структурные свойства включают многослойные материалы, продольные включения типа ребер из упругих, вязкоупругих или жидких материалов, подогреваемые элементы. Вязкоупругие покрытия могут быть скомбинированы с другими формами структуры, такими как продольные ребра, сформованные на или внутри поверхности покрытия. Как описано в публикациях, таких как “Secondary Flow Induced by Riblets”, автор D.B.Goldstein и T.C.Tuan, опубликованной в Journal of Fluid Mechanics, volume 363, 25 May 1998, стр.115-152, двухмерные жесткие ребра сами по себе показали в эксперименте снижение сопротивления трения до 10%.

Краткое изложение существа изобретения

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа разработки вязкоупругих покрытий для снижения турбулентного сопротивления трения, который позволяет разрабатывать вязкоупругие покрытия, обеспечивающие снижение турбулентного сопротивления трения.

Покрытия со свойствами материала, разработанного согласно способу, раскрытому в этом изобретении, снижают сопротивление трения более чем на 10%. Способ позволяет определять зависящий от частоты комплексный модуль сдвига, плотность и толщину изотропного вязкоупругого материала, который будет снижать турбулентное сопротивление трения относительно конкретных условий потока на жесткой поверхности.

Изобретение позволяет оценить количественно уровень снижения сопротивления. Приведены примеры для турбулентного течения на жесткой гладкой пластине, а также на гладкой вязкоупругой пластине, где учитываются и нормальное и продольное колебания поверхности.

Согласно изобретению раскрыты свойства покрытия, составленного из нескольких слоев изотропных вязкоупругих материалов или из анизотропных материалов, а также минимизированы эффекты кромки для покрытий конечной длины. Изобретение позволяет стабилизировать продольные вихри посредством комбинации конструкции вязкоупругого покрытия с дополнительными элементами, такими как ребра.

При взаимодействии турбулентного пограничного слоя (ТПС) с вязкоупругим (ВУ) слоем осуществляется:

1) определение параметров турбулентного пограничного слоя при данных граничных условиях для жесткой, упругой или вязкоупругой поверхности, и

2) определение реакции вязкоупругой или упругой поверхности на периодическую возмущающую функцию, которая аппроксимирует нагрузку турбулентного пограничного слоя.

Согласно изобретению осуществляют определение амплитуд и скоростей колебания поверхности и потока энергии для вязкоупругого покрытия.

Эти две задачи связаны друг с другом коэффициентами, относящимися к граничным условиям на поверхности для поглощения энергии и амплитуд колебания поверхности (далее называемые динамическими и кинематическими граничными условиями соответственно). Определение ТПС решается сначала для жесткой поверхности, давая необходимые исходные данные для описания возмущающей функции на поверхности, а также исходные значения сопротивления трения для сравнения. Далее решается ВУ проблема при заданной периодической возмущающей функции, которая аппроксимирует пульсации сдвига и давления в пограничном слое. Начальный выбор параметров материала основан на теоретических и эмпирических соображениях. Оптимальные параметры материала выбираются в результате последовательных приближений так, что удовлетворяются следующие критерии:

1) поток энергии в вязкоупругое покрытие максимальный, и

2) амплитуды колебаний поверхности меньше, чем толщина вязкого подслоя турбулентного пограничного слоя на покрытии.

Если амплитуды колебания превышают толщину вязкого подслоя турбулентного потока, то колебания существенно усиливают шероховатость поверхности, приводя к увеличению сопротивления трения. Более того, поскольку фазовая скорость возмущений в пограничном слое превосходит скорость сдвиговой волны в материале, возникает резонансное взаимодействие с большими амплитудами волны. Такие условия нужно избегать.

Однако умеренный поток энергии в материал, когда энергия трансформируется во внутренние сдвиговые волны и в конечном итоге рассеивается как тепло, приводит к качественным и количественным изменениям в балансе энергии с соответствующим снижением сопротивления трения. Оптимальные физические свойства вязкоупругого материала будут изменяться со скоростью набегающего потока, положением вдоль тела, градиентом давления и другими факторами, которые влияют на развитие пограничного слоя и характеристики локальных турбулентных пульсаций.

При решении ТПС уравнений можно количественно оценить турбулентное сопротивление трения на вязкоупругой, упругой или жесткой поверхности. В случае вязкоупругой поверхности, где энергия поглощается и поверхностные колебания ненулевые, задаются динамические и кинематические граничные условия. Эти граничные условия выводятся из решения ВУ уравнений для потока энергии и амплитуд колебания поверхности, и затем переносятся в граничные условия для диссипации и напряжений Рейнольдса для решения ТПС уравнений.

Вертикальные колебания влияют на эффективную шероховатость поверхности, и среднеквадратичное значение вертикального колебания классифицируется как динамическая шероховатость. Если амплитуды колебания меньше, чем толщина вязкого подслоя, то можно оценивать напряжения Рейнольдса как нулевые. Уравнения турбулентного пограничного слоя описывают турбулентную диффузию как градиентное приближение, которое вмещает динамическое граничное условие. Вводятся функции для описания перераспределения энергии турбулентности в пристенном районе для различных поверхностей.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1А изображает схему взаимодействия пассивного вязкоупругого покрытия с турбулентным пограничным слоем, где низкоамплитудная бегущая волна развивается на поверхности, согласно изобретению;

фиг.1В изображает участок внутри круга (масштаб увеличен), показанного на фиг.1А, и амплитуды смещения, согласно изобретению;

фиг.2 изображает блок-схему алгоритма способа для а) выбора вязкоупругого материала, который снижает турбулентное сопротивление трения при данных условиях потока, и б) количественной оценки снижения сопротивления относительно жесткой поверхности, согласно изобретению;

фиг.3 изображает элемент конструкции, введенный в область между вязкоупругим покрытием и жесткой поверхностью для уменьшения локальной амплитуды колебания и эффектов кромки, согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Согласно изобретению определяют физические и геометрические параметры вязкоупругого покрытия, которое снижает сопротивление трения для данных условий потока. Изобретение позволяет оценить ожидаемую эффективность снижения сопротивления данного материала с известными физическими свойствами для тела данной конфигурации и определенных условий потока. Способ использовался для определения покрытий для турбулентного потока на плоских пластинах и осесимметричных телах и может быть также применен для тел более сложной геометрии с кривизной и градиентами давления.

Жидкий пограничный слой – это очень тонкий слой жидкости, прилегающий к поверхности, над которой течет жидкость. Это область, где силы трения играют главную роль и где поток перестраивается от условий на поверхности к условиям в свободном потоке. Внешний край пограничного слоя традиционно определяется как место, где отношение средней скорости U к скорости свободного потока U является константой, приблизительно равной 1:

Значение выбранной константы зависит от конфигурации и соображений численной устойчивости. Для плоской пластины значение этой константы принимают равным 0,9975.

Турбулентный пограничный слой характеризуется спектром пульсаций давления и напряжения сдвига. Их частота, фазовая скорость и амплитудные характеристики являются функциями таких факторов, как скорость свободного потока, конфигурация тела, условия на поверхности и градиент давления. В случае жесткой поверхности движения на поверхности нет. Для упругой или вязкоупругой поверхности, пульсации давления и сдвига на стенке действуют как возмущающая функция, которая деформирует поверхность, создавая поверхностные волны. Для вязкоупругой поверхности энергия из турбулентного пограничного слоя может быть поглощена и диссипирована покрытием, что требует правильного задания граничных условий на стенке для напряжения Рейнольдса и для поглощения энергии (т.е. кинематических и динамических граничных условий).

На фиг.1 представлена схема пассивного вязкоупругого покрытия, которое взаимодействует с турбулентным пограничным слоем толщины . Для простоты рассматривается поток со скоростью U на покрытой пластине, где координаты x, y, и z соответствуют направлениям вдоль осей. Предполагается, что жидкость вязкая и несжимаемая и что материал покрытия вязкоупругий, т.е. обладает комбинацией упругих и вязких физических свойств.

Если поверхность жесткая, не будет колебаний и поглощения энергии. Если поверхность упругая или вязкоупругая, будут колебания поверхности и, если она вязкоупругая, будет также обмен энергией. Компоненты продольного и вертикального смещения поверхности вязкоупругого материала заданы как ₁ и ₂, и динамическая скорость определяется как:

где _w - это напряжение сдвига на стенке и - плотность жидкости. Взаимодействие турбулентного пограничного слоя с вязкоупругим покрытием приводит к образованию квазипериодической поверхностной волны. Движение покрытия и поглощение им энергии (кинематические и динамические граничные условия), в свою очередь, влияют на баланс энергии в турбулентном пограничном слое и величину сопротивления трения, последняя из которых есть поверхностный интеграл напряжения сдвига на стенке.

Алгоритм операций заявленного способа представлен на фиг.2.

При взаимодействии турбулентного пограничного слоя (ТПС) с вязкоупругим (ВУ) слоем осуществляется определение:

1) параметров турбулентного пограничного слоя (ТПС), включая сопротивление трения на жесткой, упругой или вязкоупругой пластинах; и

2) поглощения энергии и амплитуд колебания вязкоупругой (ВУ) пластины, возбуждаемых периодической нагрузкой, которая аппроксимирует нагрузку турбулентного пограничного слоя.

Эти две части решения связаны друг с другом граничными условиями для энергии, поглощенной поверхностью, и для амплитуд движения поверхности и являются частью общего подхода выбора снижающих сопротивление покрытий и количественного определения снижения сопротивления при данных условиях потока. Ниже описываются эти две части решения.

Определение параметров турбулентного пограничного слоя на жесткой, упругой или вязкоупругой поверхностях (ТПС задача)

На фиг.2 ТПС параметры вначале определяются для жесткой поверхности – шаг S1, и затем определяются физические свойства вязкоупругого материала - шаг S3. На шаге S3 применяется тот же подход, что и на шаге S1, за исключением того, что динамические и кинематические граничные условия определяются по-другому. На жесткой поверхности нет движения и поглощения энергии. На упругой поверхности есть движение, но нет поглощения энергии. На вязкоупругой поверхности есть движение поверхности и поглощение энергии.

Общая система уравнений неразрывности, движения и энергии

Параметры турбулентного пограничного слоя определяются посредством решения системы уравнений неразрывности, движения и энергии с соответствующими граничными условиями. Эти уравнения выводятся из законов сохранения массы, сохранения количества движения (второй закон Ньютона) и баланса энергии (основанного на первом начале термодинамики).

В декартовых координатах общее уравнение неразрывности для сжимаемой жидкости с плотностью и компонентами скорости U, V, и W в продольном, нормальном и трансверсальном направлениях:

Иначе уравнение 3 может быть записано в индексной форме (как в уравнении 4), где x, y, и z представлены как x₁ , x₂, и x₃ соответственно, и U, V, и W представлены как U₁, U₂ и U₃ соответственно. Индекс i может иметь значения 1,2 или 3, и повторяющийся индекс i обозначает суммирование:

Уравнение 3 упрощается для несжимаемой жидкости, т.е. если плотность жидкости постоянна:

Обобщенные уравнения движения, называемые уравнениями Навье-Стокса, в случае несжимаемой жидкости с постоянной вязкостью выражаются в декартовых координатах:

где P - среднее давление;

g_i - вектор объемной силы вследствие внешних полей, таких как гравитация, которые действуют на элемент;

- кинематическая вязкость (константа).

Выражение 6а,b,c, записанное в индексной форме, представляет три уравнения для трех компонентов скорости в направлениях x, y, и z.

Компоненты турбулентной скорости могут быть описаны как сумма средней и пульсационной компоненты U_i и u' соответственно, где U₁, U₂, и U₃ эквивалентны U, V и W, а u'₁, u'₂, и u' ₃ эквивалентны u', v', и w':

Черта сверху обозначает суммирование по времени:

Подставляя выражения 7а-7с в 6а-6с и осредняя по времени, получим следующую систему трех комплексных нелинейных уравнений движения турбулентного потока в частных производных второго порядка:

В уравнениях 9a-9c компоненты и называются нормальными напряжениями Рейнольдса, и компоненты в форме , , и называются сдвиговыми напряжениями Рейнольдса. Кинетическая энергия турбулентности k определятся как:

Замыкание обобщенной системы уравнений, включая уравнение 5 неразрывности и уравнения 9а–9с движения для турбулентного потока, требует семи дополнительных уравнений для определения шести напряжений Рейнольдса и скорости изменения турбулентной энергии k. Это изобретение определяет изотропную скорость диссипации , которая связана с переносом энергии в жидкости и через границу жидкость - поверхность. Уравнение переноса энергии основано на первом законе термодинамики, согласно которому изменение тепла dQ в объеме за время dt служит для изменения внутренней энергии dE и выполнения работы dWK:

В литературе существует множество подходов для вывода дополнительных уравнений для членов напряжений Рейнольдса. В заявленном изобретении используют перенос напряжений Рейнольдса, которые принимают следующую общую форму:

где P_ij - порождение, П_ij - тензор корреляций давление-напряжение, J_ijk - диффузионный поток напряжений Рейнольдса и _ij - тензор диссипации.

В общем случае должны рассматриваться уравнения для всех шести компонент тензора напряжений Рейнольдса и для скорости диссипации. Уравнение для изотропной скорости диссипации схоже по структуре с уравнениями переноса напряжений Рейнольдса. Полные математические выражения для напряжений Рейнольдса и изотропной скорости диссипации будут представлены для отдельного случая двухмерного пограничного слоя.

Из вышесказанного следует, что уравнения, которые решаются для определения параметров турбулентного пограничного слоя, включают:

уравнение непрерывности 5,

три уравнения движения 9a,9b,9c,

шесть уравнений для сдвиговых и нормальных напряжений Рейнольдса 12a-12f, и

уравнение для изотропной скорости диссипации (16 ниже).

Для определения параметров турбулентного пограничного слоя осуществляют конечно-разностную аппроксимацию системы уравнений движения и неразрывности с соответствующими граничными условиями.

Уравнения турбулентного пограничного слоя

Полная математическая формулировка дана для частного случая несжимаемого турбулентного пограничного слоя в стационарном двухмерном осредненном потоке со скоростью U . Уравнения двухмерного турбулентного пограничного слоя выводятся из общего уравнения неразрывности 5 и уравнений движения 9а-9с, в предположении, что:

Средняя трансверсальная скорость W равна нулю.

Гравитацией можно пренебречь.

Градиент давления в направлении y приблизительно равен нулю.

Средняя скорость U в продольном направлении намного больше, чем средняя скорость V в нормальном направлении.

Скорость изменения параметров в направлении x намного меньше, чем скорость изменения параметров в направлении y.

Вышеперечисленные предположения позволяют сделать упрощение для системы уравнений, нужных для нахождения параметров турбулентного пограничного слоя, которое будет включать модифицированное уравнение неразрывности (13):

и уравнение движения для компоненты скорости U 14:

В общем случае, когда нужны уравнения переноса для шести компонент тензора напряжений Рейнольдса, сдвиговые напряжения Рейнольдса и предполагаются пренебрежимо малыми, так что только уравнения для , и формулируются в формате уравнения (12) (повторяемого ниже как уравнения 15а-15d):

где P_ij – член порождения, П_ij - тензор корреляций давление-напряжение, J_ijk - диффузионный поток напряжений Рейнольдса, и _ij - тензор диссипации. Пятое уравнение для такое:

где выражение для вязкой диффузии может также моделироваться как:

если это нужно для численной устойчивости решения для вязкоупругих неколеблющихся поверхностей в пристенной области.

В уравнениях 15a-15d член P_ij можно выразить как:

В уравнении 16 член P можно выразить как:

Тензор П_ij корреляций давление-напряжение, который перераспределяет энергию между различными компонентами напряжений Рейнольдса, можно выразить как:

где представляет пристенное перераспределение турбулентной энергии от продольной компоненты к нормальной и трансверсальной, представляет пристенное изменение компонентов тензора порождения напряжений Рейнольдса, и представляет пристенное перераспределение турбулентной энергии пропорционально локальной завихренности:

Здесь - это однозначная демпфирующая функция в пристенной области:

где

и

Здесь D_ij – тензор диффузии:

- градиент турбулентного и вязкого потока напряжений Рейнольдса в пограничном слое, где только один компонент остается в погранслойном представлении:

где A равно 6 в уравнениях для А равно 2 для и и А равно 4 для (т.е. эффективные градиенты диффузии различны для разных компонентов напряжений Рейнольдса), и коэффициент турбулентной диффузии, _t равен:

за исключением уравнения 16, где

Тензор диссипации, , записывается как:

где характеризует поток в пристенной области:

и

Уравнение 16 включает две функции и которые также вносят поправки в пристенный поток:

Значения констант для потока на плоской пластине

приведены в таблице 1.

Таблица 1
С1	C2	C 1	C 2	C t	C	C1'	C2'	C 3'
1,34	0,8	1,45	1,9	0,12	0,15	0,36	0,45	0,036

Для случая двумерного пограничного слоя параметры турбулентного пограничного слоя при различных координатах x и y определяются из решения уравнения 13 неразрывности, уравнений 14 движения в направлении x, уравнений 15а–15d переноса для напряжений Рейнольдса и , и уравнения 16 скорости изотропной диссипации энергии, при заданных граничных условиях. Задача решается численно с использованием конечно-разностной аппроксимации. Все уравнения приводятся к стандартному виду параболического уравнения с заданной функцией, и решение получается в точках расчетной сетки в системе координат (x,y).

Граничные условия – это значения параметров на границах пограничного слоя, т.е. на поверхности и в свободном потоке. Скорость свободного потока равна U . Граничные условия на поверхности задаются для нормальных и сдвиговых напряжений Рейнольдса (кинематические граничные условия), а также для изотропной скорости диссипации (динамические граничные условия). Для произвольной геометрии должны быть заданы координаты поверхности x и y. Если поверхность плоская, граничные условия задаются на линии y=0.

Поскольку амплитуды колебания на поверхности малы, можно применять линеаризованные кинематические граничные условия, при которых средние скорости на поверхности полагаются нулевыми. Граничные условия для пульсационных компонентов скорости на поверхности плоской пластины выражаются как:

где и - это продольное и вертикальное смещения поверхности соответственно, - динамическая скорость (определенная выше) и - угол наклона среднего потока к продольной оси в плоскости x ₁-x₃. При линеаризованных граничных условиях средние скорости на поверхности полагаются нулевыми. Смещения поверхности аппроксимируются первыми модами ряда Фурье:

где _e – это волновое число, соответствующее максимуму энергии в пограничном слое, оно равно:

где энергонесущая частота _e:

и фазовая скорость, соответствующая энергонесущим возмущениям в пограничном слое, предполагается такой:

Поскольку существует диапазон частот, на которых существует перенос энергии, как отражено в научной литературе, полезно также выполнить вычисления для случая, когда:

В отсутствии резонанса целесообразно осреднять по времени компоненты напряжений Рейнольдса на стенке:

где - это среднеквадратичная амплитуда смещения.

Для пассивного изотропного вязкоупругого покрытия, возбуждаемого вынужденной нагрузкой, реакция приобретает форму бегущей волны, так что сдвиг фаз между нормальным и продольным смещением будет около , и сдвиговое напряжение Рейнольдса на поверхности будет нулевым. Для анизотропных материалов сдвиг фаз может быть другим, так что на стенке могут генерироваться отрицательные сдвиговые напряжения Рейнольдса. Для жесткой стенки движения на стенке не будет, так что нормальные и сдвиговые напряжения Рейнольдса будут равны нулю.

Граничное условие для изотропной скорости диссипации:

где первый член отражает вязкую диссипацию и второй – поглощение энергии вязкоупругим материалом. Для жесткой поверхности на стенке нет поглощения энергии и второй член равен нулю. Поглощение турбулентной энергии покрытием эквивалентно и может быть аппроксимировано выражением которое является диффузионным потоком энергии через границу и характеризуется с помощью градиентного механизма для турбулентной диффузии. Это выражение динамического граничного условия совместимо с методологией переноса напряжений Рейнольдса для замыкания модели турбулентности.

Уравнения 13,14, 15a-15d и 16 решаются для компонент средней скорости, нормальных и сдвиговых напряжений Рейнольдса и диссипации энергии при заданных динамических и кинематических граничных условиях (уравнения 44-48), основанных на решении вязкоупругой задачи (описано в следующем разделе). Эта задача решается численно, используя конечно-разностные аппроксимации параболических уравнений. Сопротивление трения тела с вязкоупругим покрытием вычисляется как интеграл напряжения сдвига на стенке _w по всей поверхности тела:

для двумерного тела, и - динамическая вязкость. Сравнение результатов с вычисленными для жесткого тела такой же геометрии при таких же граничных условиях дает оценку ожидаемого снижения сопротивления трения.

Чтобы снизить сопротивление трения, необходимо минимизировать амплитуды колебания поверхности и обеспечить максимальный поток турбулентной энергии из потока в покрытие . Если амплитуды колебания поверхности ⁺₂ не превышают толщину вязкого подслоя:

то нормальные напряжения Рейнольдса на границе (уравнения 44-46) могут считаться нулевыми. Для покрытия, которое поглощает энергию с низким уровнем колебания, напряжения сдвига в пристенной области уменьшаются, и также уменьшается порождение турбулентности в пограничном слое. Для покрытия, которое колеблется с амплитудой, большей вязкого подслоя, поверхность может действовать как элемент динамической шероховатости и тем самым увеличивать уровень турбулентности, генерируемой в пограничном слое.

Реакция вязкоупругого материала на турбулентный пограничный слой (ВУ задача)

Способ позволяет также определить реакцию вязкоупругого материала на турбулентный пограничный слой (шаг S2). Для жесткой поверхности напряжения Рейнольдса (уравнения 44-47) на поверхности равны нулю и изотропная скорость диссипации содержит только вязкий член. Однако для вязкоупругого материала кинематические и динамические граничные условия определяются из решения двумерного уравнения сохранения количества движения для вязкоупругого материала:

где _s – плотность материала; и - продольное и нормальное смещения по толщине покрытия; - амплитуда тензора напряжений. Тензор напряжений для вязкоупругого материала типа Фойгта-Кельвина записывается как:

где - тензор деформации:

и

- зависящая от частоты константа Ламе, которая определена в терминах объемного модуля сжатия , который можно с достаточной достоверностью аппроксимировать статическим объемным модулем K₀ и комплексным модулем сдвига :

Смещения аппроксимируются как периодические, в форме Уравнения 39, и могут выражаться как функции потенциалов продольной и трансверсальной (сдвиговой) волн:

где - градиент и - вихрь вектора . Уравнение 54 можно переписать как два разделенных уравнения для двух волновых потенциалов:

Уравнения 57 и 58 можно решать для потенциалов и , и, следовательно, для смещений, скоростей и напряжений в покрытии, если заданы граничные условия. Покрытие неподвижно в основании, так что продольное и нормальное смещения равны нулю, и напряжение сдвига и нагрузка давления на поверхности известны. Пульсации давления и сдвига на покрытии аппроксимируются как периодические функции в форме сходной со смещениями в уравнении 39, но со следующими величинами соответственно:

где K_p – параметр Крайчнана, значение которого приблизительно равно 2,5.

Если учитываются пульсации сдвига, должен также вводиться сдвиг фазы между пульсациями сдвига и давления.

Если вычисления выполняются с единичной нагрузкой, смещения поверхности под действием реальной нагрузки равны:

Кинематические граничные условия в уравнениях 44-47 для турбулентного пограничного слоя переписываются в терминах результатов материальной задачи:

Динамические граничные условия переписываются в виде:

где

C_k3=C_k2K_p ( ),

и где ( ) – это диссипативная функция материала.

Поток турбулентной энергии в покрытие может быть найден как:

но безразмерный поток можно также аппроксимировать как член диффузионного потока, используя градиентное приближение диффузии:

где

Уравнение 68 обеспечивает базис для определения значения кинематического коэффициента турбулентной диффузии _q на поглощающей поверхности. Подставляя уравнение 68 в уравнение 67, получим следующее выражение для , определенного как :

где k⁺_max – это максимум кинетической энергии турбулентности и k⁺_q – кинетическая энергия колеблющейся поверхности, обе величины обезразмерены по [u²_*]U². Выражение y[ ]⁺_max определяется как расстояние по нормали от поверхности до максимума турбулентной энергии, обезразмеренное следующим образом:

где

Таким образом, мы можем определить скорость диссипации, основанную на уравнении 48.

Методология выбора свойств вязкоупругого материала, снижающего сопротивление

Методология выбора свойств вязкоупругого покрытия, которое снижает турбулентное сопротивление трения, требует обоих решений, описанных выше, для параметров турбулентного пограничного слоя и реакции вязкоупругого материала.

Для случая двумерного течения на плоской пластине ТПС задача решается для жесткой пластины для определения толщины пограничного слоя для данных скорости свободного потока U и координаты вдоль поверхности.

Толщина пограничного слоя определяется из конечно-разностного решения семи уравнений неразрывности, движения в направлении x, уравнений переноса нормальных и сдвиговых напряжений Рейнольдса и уравнения скорости диссипации в предположении отсутствия движения на стенке. Внешняя граница пограничного слоя определяется как место, где отношение средней скорости к скорости свободного потока является константой , находящейся в пределах от 0,95 до 1,0.

Зависящий от частоты модуль сдвига материала ( ) можно выражать в различных математических формах, некоторые из которых аппроксимируют экспериментально измеренные значения модуля более точно, чем другие. Материал с одним временем релаксации (SRT) - это материал, модуль релаксации которого записывается с использованием одного времени релаксации _s и одного значения динамического модуля сдвига _s. Уравнение 76 описывает SRT материал в случае, когда N=1. Материал с множеством времен релаксации (MRT) – это материал, для которого N>1 в записи комплексного модуля сдвига в уравнении 76:

Представление Havriliak-Negami (HN) для комплексного модуля сдвига дано в уравнении 77. Это более сложное уравнение, часто более подходящее для описания реальных материалов:

Для материала типа HN, модуль сдвига которого выражается в форме уравнения 77, - это предельный высокочастотный модуль, а и - константы. Для полимерных материалов, используемых для снижающих сопротивление покрытий, K() практически константа со значением приблизительно 1× 10 ⁸Па.

Рекомендуется сначала определять оптимальный материал типа SRT, а затем выбирать материал на основании HN модели со свойствами, которые могут быть получены существующими методами химии полимеров.

SRT материал можно адекватно характеризовать толщиной материала H, плотностью , статическим модулем сдвига ₀, динамическим модулем сдвига и временем релаксации .

Подходящей плотностью для вязкоупругого материала является плотность в пределах 10% плотности воды. Для SRT материала начальным приближением для статического модуля сдвига материала ₀ является:

при условии, что скорость сдвиговой волны в материале приблизительно равна фазовой скорости энергонесущих возмущений C. Эта фазовая скорость C предполагается равной 0,8 значения скорости в свободном потоке U (уравнение 42). Если конвективная скорость превышает скорость сдвиговой волны, возникает неустойчивость, и на поверхности материала возникают большие волны, приводя к повышению сопротивления покрытия.

Начальный выбор толщины H для изотропных материалов, для которых , это:

и для изотропных материалов с низкой вязкостью, когда :

Желаемая оптимальная толщина покрытия может быть больше, чем практически осуществимая для конкретного случая применения. Хотя изотропные покрытия, рекомендованные из уравнений 79-80, могут все еще быть эффективными, анизотропные покрытия, которые более жесткие в нормальном направлении, чем в продольном, могут давать такую же эффективность при значительно меньшей толщине.

При данных значениях H, ₀ и ВУ задача, выраженная в уравнениях 57 и 58, решается численно для матрицы значений _s и _s (т.е. для различных значений комплексного модуля сдвига) и диапазона волновых чисел. Волновое число, соответствующее максимуму турбулентной энергии в пограничном слое, равно:

где частота _e для максимальных энергонесущих возмущений оценивается уравнением 41. Расчеты дают амплитуды смещения и поток турбулентной пульсационной энергии в покрытие. Наилучшая комбинация свойств для SRT материала достигается тогда, когда смещение поверхности под действием реальной нагрузки (уравнение 61) меньше, чем толщина вязкого подслоя, и когда поток энергии в покрытие (уравнение 57) максимальный. Более того, желательно соблюдать этот критерий для диапазона частот от приблизительно одного разряда ниже до одного разряда выше энергонесущей частоты _e.

После того, как найдены оптимальные значения _s и _s для заданного набора значений H, ₀ и , вычисления повторяются для немного отличающихся значений толщины H и статического модуля ₀. Из этих расчетов выбирают оптимальный для заданных конфигураций и условий потока набор параметров SRT материала (H, ₀, , _s и _s).

Комплексные модули сдвига реальных полимерных материалов, таких как полиуретаны и силиконы, и которые являются кандидатами для вязкоупругих покрытий, не могут быть адекватно описаны SRT представлением. Более сложные MRT и HN описания сдвигового модуля требуют множества констант и меньше подходят для численной параметрической оценки. Поэтому результаты для SRT материалов используются для выбора материалов-кандидатов, таких как описываемые HN-фомулировкой (уравнение 79), которые легче изготовить практически. Как направление поиска желательно добиваться совпадения кривых модуля сдвига искомого SRT материала и HN материала (значения и наклона) на диапазоне частот на один разряд ниже и выше _e, причем наиболее важно совпадение непосредственно в районе _e.

Для того чтобы сконструировать многослойное изотропное покрытие, задаются свойства комплексного модуля сдвига, плотность и толщина каждого слоя, и налагаются условия непроскальзывания между слоями. Свойства верхнего слоя выбираются для одного слоя, а модули сдвига нижних слоев будут последовательно уменьшаться, что оптимально для более низких скоростей свободного потока. Таким образом, хорошо сконструированные многослойные покрытия могут снижать сопротивление на диапазоне скоростей свободного потока.

При разработке анизотропного покрытия комплексный модуль сдвига имеет в нормальном направлении значения, отличные от продольного и трансверсального направления (в дальнейшем называется трансверсально изотропный). Если вязкоупругий материал может быть описан моделью с одним временем релаксации, то статический модуль сдвига ₀, динамический модуль сдвига _s и время релаксации _s будут меняться с направлением, как записано в уравнениях 82 и 83. Статический модуль сдвига в нормальном направлении ₀₁ будет больше, чем модуль в продольно-трансверсальной плоскости ₀₂. Комплексный модуль сдвига в нормальном направлении выражается как:

а модуль сдвига в продольном и трансверсальном направлениях:

Для вязкоупругого, трансверсально изотропного материала амплитуды колебания поверхности могут снижаться по сравнению с изотропным материалом, в то время как уровень потока энергии в материал возрастает. Таким образом, хорошо сконструированное анизотропное покрытие будет значительно тоньше, чем изотропное покрытие с тем же уровнем снижения сопротивления.

Выбор структуры снижающего сопротивление вязкоупругого покрытия

Другим аспектом разработки покрытия является выбор внутренней структуры в вязкоупругом материале. В практических применениях вязкоупругих покрытий покрытие будет конечно по длине, с передней, задней и боковыми кромками. Конечные кромки влияют на эффективность покрытия. Хорошо выполненные кромки могут упорядочивать и стабилизировать продольные и трансверсальные вихревые структуры в пристенной области потока и тем самым замедлить деформацию этих вихревых структур и поддержать устойчивость потока. Однако неструктурированные кромки могут усиливать амплитуду колебания вязкоупругого материала в этой области. Локальная неустойчивость может понизить эффективность покрытия так, что даже при хорошо сконструированном материале влияние кромок может приводить к повышению сопротивления. Значит, покрытие должно быть структурировано вблизи кромок. Толщина покрытия снижается для минимизации таких колебаний, используя такие способы как жесткий клин под покрытием или другие локализованные структуры возле кромки (фиг.3). Для больших тел непрерывное покрытие может быть непрактично или сложно в изготовлении. Альтернативная разработка – это кусочно-непрерывное покрытие, составленное из конечных сегментов покрытия, когда и продольные и трансверсальные кромки этой системы организованы так, чтобы стабилизировать структуру потока и минимизировать обратные эффекты на кромках каждого сегмента.

Кроме хорошо примененных кромок вязкоупругие покрытия могут комбинироваться с поверхностной структурой для усиления стабилизации продольных вихрей вдоль длины покрытия, таким образом увеличивая уровень снижения сопротивления с помощью нескольких физических механизмов. Структура может включать размещение ребер наверху вязкоупругого покрытия или создание так называемых обратных ребер. В последнем случае вязкоупругое покрытие может быть запрессовано над ребрами или гребнями жесткого материала так, что когда жидкость обтекает вязкоупругое покрытие, формируются структуры продольных ребер.

Размеры сегментов и размеры структур внутри покрытия выбираются кратными трансверсального и продольного масштабов в

турбулентном потоке возле стенки. Эти масштабы изменяются со скоростью тела, координатой вдоль тела и в присутствии неньютоновских добавок, таких как водные растворы полимеров с высоким молекулярным весом.

Промышленная применимость

Вязкоупругое покрытие согласно изобретению не ограничено проиллюстрированным конструктивным выполнением. Вязкоупругие покрытия могут быть установлены на телах различных размеров и форм, включая осесимметричные тела, а также плоские пластины. Параметры покрытия будут выбираться, основываясь на методологии этого изобретения, и могут включать анизотропные материалы, где свойства материала (такие как модуль сдвига) в нормальном направлении отличаются от свойств в трансверсальной плоскости. Структура покрытия может быть модифицирована возле передней и задней кромок как функция конкретной конфигурации. Различные модификации могут быть придуманы теми, кто получил достаточную квалификацию в этом предмете в результате чтения вышеизложенного, и все такие модификации, как очевидно для всякого, имеющего обычную квалификацию в предмете, будут в духе заявленного изобретения.