способ и устройство для повышения эффективности и экономичности комбинированных методов управления пограничным слоем

Формула изобретения

1. Способ эжекции снижающего сопротивление вещества в первую жидкость, позволяющий избежать разрушения и "сдува" первой жидкости и снизить скорость диффузии снижающего сопротивление вещества в первой жидкости, чтобы таким образом увеличить эффективность снижающего сопротивление вещества для снижения сопротивления первой жидкости при ее движении относительно стенки, включает в себя следующие этапы, выполняемые в обозначенном порядке

а) предварительная подготовка снижающего сопротивление вещества путем обеспечения прохождения второй жидкостью, которая содержит снижающее сопротивление вещество типа диспергированных твердых частиц, жидких или газовых микропузырьков или смеси веществ, через сопло, которое генерирует градиент осевой скорости внутри второй жидкости, содержащей добавку как смесь или в растворе, чтобы таким образом развернуть, выровнять вдоль потока и удлинить молекулы снижающего сопротивление вещества;

б) прохождение второй жидкости через вихревую камеру для создания вихря внутри вихревой камеры, уменьшая таким образом завихренность второй жидкости;

в) эжекция второй жидкости через первый эжектор, имеющий щель в стенке, в первую жидкость, в то время как упомянутая первая жидкость обтекает упомянутую стенку, а упомянутая щель сформирована таким образом, чтобы включить первую поверхность Коанда как свою часть.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первая поверхность Коанда установлена ниже по потоку от щели относительно потока первой жидкости около упомянутой стенки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая вихревая камера размещена так, чтобы по крайней мере часть ее была напротив первой поверхности Коанда.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что вихревая камера имеет острую кромку в том месте, где вторая жидкость из сопла попадает в вихревую камеру.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность вихревой камеры образует острую кромку в месте соприкосновения вихревой камеры со стенкой.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что участок между стенкой и вихревой камерой содержит вторую криволинейную поверхность.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют эжектирование третьей жидкости через второй эжектор, имеющий щель ниже по потоку от указанного первого эжектора, при этом второй эжектор имеет поверхность Коанда на нижней по потоку стороне и вихревую камеру, установленную так, чтобы хотя бы ее часть находилась напротив поверхности Коанда.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что второй эжектор имеет другой размер, но во всем остальном подобен по конструкции упомянутому первому эжектору.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что третья жидкость имеет более низкую вязкость, чем упомянутая вторая жидкость.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что третья жидкость подогревается, чтобы тем самым обеспечить для указанной жидкости более низкую вязкость по сравнению с вязкостью не нагретой жидкости.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют эжектирование четвертой жидкости через третью щель, расположенную выше по потоку от упомянутой первой щели, при этом третья щель имеет поверхность Коанда на нижней по течению стороне и вихревую камеру, установленную так, чтобы хотя бы часть ее располагалась напротив поверхности Коанда.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что третья щель имеет другой размер, но во всем остальном подобна по конструкции упомянутой первой щели.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что выше по потоку от упомянутой третьей щели расположено углубление с целью удаления завихренности из первой жидкости при обтекании ею упомянутого углубления.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что выше по потоку от указанной первой щели размещено углубление с целью удаления завихренности из первой жидкости при обтекании ею указанного углубления.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что упомянутое углубление сообщается с источником пятой жидкости, которая поступает в углубление посредством поверхности Коанда в донной нижней по потоку части углубления.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что упомянутое углубление сообщается с источником пятой жидкости, которая поступает в углубление через сопло в верхнем расположенном выше по потоку крае углубления.

17. Способ подачи одного или более снижающих сопротивление веществ в предварительно выбранные множественные слои пограничного слоя первой жидкости, текущей относительно стенки, при этом упомянутый метод включает следующие этапы:

эжектирование по крайней мере одного снижающего сопротивление вещества через множественные щели, которые расположены последовательно вдоль направления течения первой жидкости, при этом по крайней мере одна из упомянутых щелей взаимодействует посредством жидкости с соплом, вихревой камерой, расположенной так, чтобы активироваться жидкостью, проходящей через сопло, с тем чтобы создать один или более вихрей в жидкости в вихревой камере, и поверхностью Коанда, расположенной напротив вихревой камеры.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что по крайней мере одно снижающее сопротивление вещество эжектируется через множественные щели с различными концентрациями.

19. Способ по п.17, отличающийся тем, что расходы жидкостей, эжектируемых через множественные щели, изменяются в зависимости от параметров потока первой жидкости, желательного уровня снижения сопротивления и длины упомянутой стенки.

20. Способ эжектирования снижающего сопротивление вещества в первую жидкость, позволяющий уменьшить скорость диффузии снижающего сопротивление вещества в первой жидкости, чтобы тем самым увеличить эффективность снижающего сопротивление вещества в снижении сопротивления первой жидкости при ее движении относительно стенки, включает в себя следующие этапы, выполняемые в указанном порядке:

а) создание потока жидкости, содержащей диспергированный газ, через сопло, сконфигурированное как генератор микропузырьков;

б) прохождение жидкости, содержащей диспергированный газ, через вихревую камеру для образования вихря в вихревой камере, тем самым уменьшая завихренность жидкости, содержащей диспергированный газ, и

в) эжектирование жидкости, содержащей диспергированный газ, через щель в первую жидкость при обтекании ею упомянутой щели, при этом упомянутая щель включает первую поверхность Коанда как свою часть.

21. Устройство для эжектирования снижающего сопротивление вещества в первую жидкость, позволяющее снизить скорость диффузии снижающего сопротивление вещества в первой жидкости, чтобы тем самым увеличить эффективность снижающего сопротивление вещества в снижении сопротивления первой жидкости при ее движении относительно стенки, включает в себя

а) сопло, которое генерирует осевой градиент скорости во второй жидкости, проходящей через упомянутое сопло;

б) вихревую камеру, которая расположена так, чтобы быть активированной второй жидкостью, проходящей через упомянутое сопло, с тем чтобы создать вихрь или систему вихрей во второй жидкости в вихревой камере;

в) первый эжектор с щелью для эжектирования второй жидкости в поток первой жидкости, проходящей около упомянутой щели, при этом упомянутая щель сформирована так, чтобы включить поверхность Коанда как свою часть.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что поверхность Коанда прилегает к нижней по потоку стенке указанной щели относительно потока первой жидкости около указанной щели.

23. Устройство по п.21, отличающееся тем, что вихревая камера расположена так, чтобы по крайней мере часть ее находилась напротив поверхности Коанда.

24. Устройство по п.21, отличающееся тем, что в него включены следующие элементы, расположенные вниз по потоку от упомянутой щели для эжекции второй жидкости:

а) сопло, которое генерирует осевой градиент скорости в третьей жидкости, проходящей через упомянутое сопло;

б) вихревая камера, которая расположена так, чтобы быть активированной третьей жидкостью, проходящей через упомянутое сопло, с тем чтобы создать вихрь или систему вихрей в третьей жидкости в вихревой камере, и

в) второй эжектор, который имеет щель для эжектирования третьей жидкости под поток первой и второй жидкостей около упомянутого второго эжектора, при этом упомянутая щель сформирована так, чтобы включить поверхность Коанда как свою часть.

25. Устройство по п.21, отличающееся тем, что в него включены следующие элементы, расположенные выше по потоку от упомянутой щели для эжекции второй жидкости:

а) сопло, которое генерирует осевой градиент скорости в четвертой жидкости при прохождении четвертой жидкости через упомянутое сопло;

б) вихревая камера, которая расположена так, чтобы быть активированной четвертой жидкостью, проходящей через упомянутое сопло, с тем чтобы создать вихрь или систему вихрей в четвертой жидкости в вихревой камере;

в) щель для эжектирования четвертой жидкости в поток первой жидкости около упомянутой щели и над потоком второй жидкости ниже по потоку от упомянутой щели, при этом упомянутая щель сформирована так, чтобы включить поверхность Коанда как свою часть.

26. Устройство по п.21, отличающееся тем, что выше по потоку от упомянутой щели расположено углубление.

27. Устройство по п.26, отличающееся тем, что углубление, расположенное выше по потоку от упомянутой щели, включает канал и сопло для подачи и предварительной подготовки пятой жидкости, которая содержит снижающее сопротивление вещество.

28. Устройство по п.27, отличающееся тем, что упомянутый канал включает поверхность Коанда.

29. Устройство по п.26, отличающееся тем, что упомянутое углубление имеет эллиптическое поперечное сечение.

30. Устройство по п.21, отличающееся тем, что в него включены следующие элементы, расположенные выше по потоку от упомянутого первого эжектора:

а) сопло, которое генерирует осевой градиент скорости в расходной пятой жидкости при ее прохождении через упомянутое сопло;

б) вихревая камера, расположенная так, чтобы быть активированной пятой жидкостью, которая проходит через упомянутое сопло, с тем чтобы создать вихрь или систему вихрей в пятой жидкости в вихревой камере;

в) щель для эжектирования пятой жидкости в поток первой жидкости около упомянутой щели, при этом упомянутая щель сформирована так, чтобы включить поверхность Коанда как свою часть.

31. Устройство по п.25, отличающееся тем, что в него включены следующие элементы, расположенные выше по потоку от упомянутого первого эжектора:

а) сопло, которое генерирует осевой градиент скорости в расходной пятой жидкости, когда она проходит через упомянутое сопло;

б) вихревая камера, расположенная так, чтобы быть активированной пятой жидкостью, которая проходит через упомянутое сопло, с тем чтобы создать вихрь или систему вихрей в пятой жидкости в вихревой камере;

в) щель для эжектирования пятой жидкости в поток первой жидкости около упомянутой щели, при этом упомянутая щель сформирована так, чтобы включить поверхность Коанда как свою часть.

32. Способ эжекции снижающей сопротивление субстанции в первую жидкость, не вызывающий разрушение или «сдув» первой жидкости и снижающий скорость диффузии снижающего сопротивление вещества в первой жидкости, чтобы тем самым увеличить эффективность снижающего сопротивление вещества в снижении сопротивления первой жидкости при ее движении относительно стенки, включает в себя следующие этапы, выполняемые в указанном порядке:

а) предварительная подготовка снижающего сопротивление вещества путем обеспечения прохождения второй жидкостью, которая содержит снижающее сопротивление вещество типа диспергированных твердых частиц, жидких или газовых микропузырьков или смеси веществ, через сопло, которое генерирует градиент осевой скорости внутри второй жидкости, содержащей добавку как смесь или в растворе, чтобы таким образом развернуть, выровнять вдоль потока и удлинить молекулы снижающего сопротивление вещества;

б) прохождение второй жидкости через вихревую камеру для создания вихря внутри вихревой камеры, уменьшая таким образом завихренность второй жидкости;

в) эжекция второй жидкости через первый эжектор, имеющий щель в упомянутой поверхности, в первую жидкость, в то время как упомянутая первая жидкость обтекает упомянутую поверхность, при этом упомянутая щель сформирована таким образом, чтобы включить первую поверхность Коанда как свою часть.

Описание изобретения к патенту

Область техники изобретения

Настоящее изобретение относится к более экономичным способам и устройствам для снижения сопротивления пластин или аппаратов, движущихся относительно жидкости, и внутренних течений типа жидкости, проходящей через морские водометные движители. Настоящее изобретение может быть использовано для эжекции добавок в определенные области пограничного слоя с целью изменения реологических свойств жидкости без нежелательного разрушения пограничного слоя и без быстрой диффузии добавки в пограничном слое, свойственных традиционным методикам эжекции.

Предпосылки создания изобретения

В последнее время эффективность и экономичность снижения сопротивления путем впрыскивания неньютоновских добавок во "внешние" турбулентные погранслойные течения были ограничены по сравнению с эффективностью и экономичностью, наблюдаемыми во "внутренних" или течениях в трубопроводах. В турбулентных течениях в трубопроводах с высоким числом Рейнольдса наблюдается снижение сопротивления трения на 70-80%, в то время как при эжекции в турбулентные течения с высоким числом Рейнольдса на плоской пластине максимальное снижение сопротивления трения составляло только 40-60%. Кроме того, высокий уровень расхода примеси, потребовавшийся во внешних течениях, ограничил экономическую выгоду применения систем введения примеси на морских транспортных судах. Методики эжекции для ввода примеси во внешние течения также вносят неустойчивость и, в некоторых случаях, неблагоприятные градиенты вязкости в пограничный слой, поэтому потери, связанные с процессом эжекции, приводят к значительному уменьшению суммарного эффекта. Необходим более эффективный метод для ввода добавок в пристенную область пограничного слоя для снижения сопротивления.

В прототипных системах усовершенствования были направлены на перемешивание примеси и генерацию пузырьков, и мало внимания уделялось самому эжектору. Патент США №4186679 (авторы Фабула и др., опубликованном 5 февраля 1980 г.) является типичным в смысле ограниченного внимания, уделяемого системе эжекции. В этом случае эжектор определяется как "множество обратно скошенных отверстий для эжекции". Подобным же образом в патенте США №4987844 (автор Надолинк, опубликованном 29 января 1991 г.) фокус сделан на способах и устройствах, используемых для пассивного закачивания сольвента, перемешивания различных добавок или суспензий и подачи смеси для эжекции в месте минимального коэффициента давления. Эжектирующее устройство определяется как любое из множества возможных, а именно "любая сетка, решетка, пористая среда, перфорированный материал, просверленные отверстия определенной геометрии, окружная щель, и т.д.", так что " для достижения результатов настоящего изобретения могут быть использованы другие формы эжектирующих приспособлений". В патенте США №5445095 (авторы Рид и др., опубликованном 29 августа 1995 г.), продольные риблеты комбинируются с эжекцией полимера для предсказуемого управления скоростью диффузии полимера. Однако максимальное расстояние вниз по потоку, на котором материал полностью диффундировал от риблетов, было около 400 ширин риблета, что составляет порядка сантиметров для морских транспортных средств, в то время как для настоящего изобретения расстояние диффузии составляет порядка десятков метров. Как и в других изобретениях, не определяется какая-либо методика эжекции; только приводится ряд возможных методов. В японских открытых заявках на патент №09151913 и №09151914 авторов Мицутаке Хидео и Йошида Юки, соответственно (оба опубликованы 29.11.95 г.), для снижения сопротивления вдоль погруженной поверхности судна распределяются пузырьки воздуха. В первой заявке эжекторы - это просто прямые трубки, одна для воздушных пузырьков и вторая вверх по течению для жидкости. Подразумевается, что целью эжектора "с высокой кинетической энергией" вверх по потоку является унести воздушные пузырьки от эжектора вниз по потоку внутри пограничного слоя на погруженной поверхности. Второй патент озаглавлен "Генератор микропузырьков", но ключевым компонентом является обратно скошенный (вверх по потоку) гибкий генератор пузырьков с синусоидальной траекторией. Место эжекции - это выход генератора пузырьков, который обращен вверх против потока. Эффекты эжекции добавок против потока или разрушения установившегося пограничного слоя под действием высокоэнергетичной пристенной струи не рассматриваются.

Классическое обсуждение теории пограничного слоя, включая формулировку уравнений Навье-Стокса и уравнений турбулентного пограничного слоя, дано в седьмом издании книги доктора Германа Шлихтинга «Теория пограничного слоя», опубликованном издательством МакГро Хилл, Нью-Йорк, в 1979 г. Описание структур и масштабов в турбулентных потоках можно найти в книге Дж.О.Хинце "Турбулентность", изданной издательством МакГро Хилл в 1975, и в статье Стивена К.Робинсона «Когерентные движения в турбулентном пограничном слое» в Ежегодном обзоре по механике жидкости, 1991, т.23, стр.601-39. Потенциальная способность длинноцепочечных молекул водных растворов полимеров снижать сопротивление трения, известная сейчас как эффект Томса, была предложена Б.А.Томсом на Первом Международном Конгрессе по Реологии в Амстердаме в 1948 году, и опубликована в материалах этой конференции. П.С.Вирк и др. ввели концепцию предельного снижения сопротивления посредством растворов полимеров в статье, озаглавленной «Предельная асимптота и структуры осредненного течения в феномене Томса» и опубликованной в Журнале по прикладной механике Американского общества инженеров-механиков, №37, стр.488-493, в 1970 г. Вирк и др. связывали уровень снижения сопротивления с ростом толщины буферной зоны, которая, в свою очередь, ограничена диаметром трубы. На внешние течения такие физические ограничения не накладываются. Однако Д.Т.Волкер, его профессор В.Г.Тиедерман и коллега Т.С.Лучик в статье «Оптимизация процесса эжекции для снижающих сопротивление добавок», опубликованной в журнале «Эксперименты в жидкостях», №4, с.114-120 в 1986 г., привели пределы снижения сопротивления для щелевой эжекции в течении в канале, которые были на 20-40% меньше, чем максимальное снижение сопротивления, наблюдаемое в течениях в трубопроводах. Эти наблюдения были подтверждены другими исследователями, например Ю.Ф.Иванютой и А.А.Хомяковым в их статье «Исследование эффективности снижения сопротивления при эжекции растворов вязкоупругих полимеров», опубликованной в Трудах международной конференции по судостроению, ЦНИИ им. Крылова, октябрь 1994 г., Санкт-Петербург, Россия, стр.163-170.

Хотя жидкие растворы полимеров ведут себя в ламинарных потоках как ньютоновские жидкости, А.Гир и Х.В.Беверсдорф в их работе «Снижение сопротивления турбулентных течений с помощью добавок», опубликованной в издательстве Клувер Академик Пресс в 1995 г., подчеркивают, что в некоторых ламинарных течениях, таких как суживающиеся потоки, растворы полимеров проявляют неньютоновское поведение. Гипотеза состоит в том, что в таких течениях, как и в турбулентном потоке, длинные молекулы полимера растягиваются (разворачиваются и удлиняются) и выстраиваются вдоль потока, что является необходимым условием для того, чтобы раствор проявлял неньютоновское поведение. В.Г.Погребняк, Ю.Ф.Иванюта и С.Ю.Френбель в статье «Структура гидродинамического поля и направления наклона гибких полимеров в условиях свободно суживающихся потоков», опубликованной на русском языке в Науке полимеров СССР, т.34, №3, 1992, определяют условия, при которых молекулы полимера могут разворачиваться, выравниваться вдоль потока и вытягиваться достаточно для того, чтобы стать эффективными для снижения сопротивления.

Эксперименты К.С.Веллса и Дж.Г.Спанглера, описанные в их статье «Инжекция снижающей сопротивление жидкости в турбулентное течение в трубе ньютоновской жидкости», напечатанной в журнале «Физика жидкостей», т.10, №9, стр.1890-1894, М.М.Райсшмана и В.Г.Тиедермана, описанные в статье "Измерения в течениях в каналах со сниженным сопротивлением с помощью лазерно-допплеровского анемометра", опубликованной в Журнале механики жидкости, т.70, ч.2, стр.360-392 в 1975 г., и В.Д.МакКомбом и Л.Х.Раби в «Снижение местного сопротивления посредством инжекции растворов полимеров в турбулентном течении в трубе», ч.I и II, опубликованной в Журнале AlChE, т.28, №4, стр.547-565, июль 1982 г., ясно показали, что добавки полимера могут снижать сопротивление, если они находятся в пристенной области турбулентного пограничного слоя, известной как буферная зона. В вязких пристенных единицах, далее обозначенных у ⁺, которые являются значениями длины, обезразмеренной по динамической скорости и кинематической вязкости, эта область находилась на расстоянии между приблизительно от 20 до 100 вязких единиц от стенки. Было отмечено, что при высоком уровне снижения сопротивления буферная зона утолщается и простирается до нескольких сотен вязких длин. Не было замечено никакого снижения сопротивления или связанных с ним эффектов в случае, когда полимер был ограничен областью, где вязкие напряжения сдвига преобладают над напряжениями Рейнольдса, то есть внутри около 12 вязких длин. Общепринятое в литературе значение у⁺ равно 11.6. Как показано многими исследователями, включая А.А.Фонтейна, Х.Л.Петри, Т.А.Брунгарта в статье «Статистика профиля скорости в турбулентном пограничном слое с мягко эжектированным полимером», опубликованной в Журнале механики жидкости, т.238, стр.435-466, 1992 г., расход через эту область на единице размаха Q_e равен кинематической вязкости жидкости, умноженной на 67.3. Для данной жидкости при данной температуре этот расход не зависит от скорости свободного потока и расстояния от начала пограничного слоя.

В то время как чувствительность снижения сопротивления к размещению добавки внутри пограничного слоя признается с 1967 года, элегантная работа М.Пореха и Дж.И.Цермака «Изучение диффузии от линейного источника в турбулентном пограничном слое», опубликованная в Международном журнале по тепло- и массообмену, №7 в 1964 году, убедила большинство исследователей, что диффузия эжектированной жидкости неизбежна и происходит быстро. Поэтому, как изложено в работах Дж.В.Хойта, А.Г.Фабулы «Сопротивление трения в опытовом бассейне», опубликованной в Трудах 10-й конференции по промышленным опытовым бассейнам, Теддингтон, Англия, 1963 г., Т.Ковальского «Влияние добавок полимера на пограничный слой модели фрегата», опубликованной в Трудах 11-й международной конференции по опытовым бассейнам, Токио, 1966 г., Х.Л.Дава и Х.Дж.Кэнхема «Скоростные испытания с инжекцией полиокса в пограничный слой», опубликованной в AEW Report №11/69, В.Ксилианга, Д.Йонгзуана, К.Чангшена, В.Гуилина «Снижение сопротивления при инжекции полимера», опубликованной в «Кораблестроение Китая», №66, стр.45-57, июль 1980, и советских исследователей, описанных в Б.Ф.Дроновым и Б.А.Барбанелем в работе «Предварительный опыт использования методики управления пограничным слоем в подводном судостроении» в Трудах «Военный корабль 99, подлодка ВМФ 6», Королевский институт морских архитекторов, Лондон, июнь 1999 г., исследователи использовали широкую матрицу наклонных щелей или круговых отверстий, чтобы эжектировать достаточное количество материала для наполнения всего пограничного слоя. Вследствие предположения о быстрой диффузии не только в пограничном слое, но даже вне его, количество эжектируемого материала было часто в несколько раз больше, чем рассчитанное для наполнения всего пограничного слоя при его наибольшем протяжении. Скорости эжекции были обычно одного порядка со скоростью свободного потока, и массовый расход эжектированного потока часто превышал 100 Q _e.

В статье Дж.Ву «Подавленная диффузия снижающего сопротивление полимера в турбулентном пограничном слое», опубликованной в Журнале гидронавтики №6, 1976 г., а затем и в диссертации Д.Коллинза «Турбулентный пограничный слой при щелевой инжекции снижающего сопротивление полимера» в Технологическом институте Джорджии в июле 1973 года, впервые заявили о более низкой скорости диффузии для раствора полимера, чем было общепризнанно. В 1989 году Д.Т.Волкер и В.Г.Тиедерман подтвердили эти наблюдения в статьях «Измерения лазерным велозиметром одновременно с измерениями концентрации» опубликованной в Журнале применений лазеров №1, стр.44-48 в 1989 г., и «Поле концентрации в турбулентном течении в канале с инжекцией полимера на стенке», опубликованной в журнале «Эксперименты в жидкостях» №8, стр.86-94 в 1989 г. В начале 1990-х росло понимание, что работа Пореха и Цермака, принятая как стандарт для поведения диффузии, может быть применима только для введения "пассивных" примесей в турбулентный поток. То есть "активные" примеси, такие как водные растворы полимеров с высоким молекулярным весом, которые влияют на характер турбулентности и, таким образом, на процесс диффузии, не ведут себя подобным образом; диффузия может быть более постепенной. Это было подтверждено Т.А.Брунгартом, Л.Л.Петри, В.Л.Харбинсоном, С.Л.Меркле в их работе «Флуоресцентный метод измерений профилей концентрации инжектированной через щель жидкости в турбулентном пограничном слое», опубликованной в «Эксперименты в жидкостях», №11 в 1991. В следующем году С.Т.Соммер и Л.Л.Петри опубликовали статью «Диффузия инжектированного через щель снижающего сопротивление раствора полимера в модифицированный LEBU турбулентный пограничный слой» в «Эксперименты в жидкостях», №12, где они показали для относительно высокоскоростных потоков, что контроль или модификация поля внешнего течения возле эжектирующей струи с помощью пары устройств, разрушающих большие вихри, (LEBU), также снижает скорость диффузии полимера в пограничном слое. Кроме того, А.А.Фонтейн, Х.Л.Петри, Т.А.Брунгарт в статье «Статистика профиля скорости в турбулентном пограничном слое при щелевой инжекции полимера», опубликованной в Журнале механики жидкости, т.238, стр.435-466 в 1992 г., показали, что снижение массового расхода эжектированной жидкости в два раза и удвоение концентрации для поддержания постоянной скорости расхода полимера приводят к дальнейшему снижению скорости диффузии.

В.Б.Амфилохиев, Б.А.Барбанель, Н.П.Мазаева в статье «Пограничный слой при щелевой инжекции раствора полимера», подготовленной для Европейского рабочего совещания по снижению сопротивления, 16-17 марта 1997 г., подчеркивали, что одна щель с очень большой концентрацией работала намного лучше, чем если то же или большее количество добавки было эжектировано через набор щелей по длине судна. Это полученное эмпирически представление было подтверждено Тиедерманом, Лучиком, Богардом в работе «Структура присленного слоя и снижение сопротивления», опубликованной в Журнале механики жидкости, т.156, стр.419-437, 1985 г., где они показали, что эжекция даже с умеренной скоростью подачи была разрушительна для пограничного слоя и вызывала увеличение локального сопротивления трения в месте эжекции, вверх и непосредственно вниз по потоку. В.М.Кэйз и М.И.Крофорд в третье издании книги «Конвективный тепло- и массообмен», опубликованной издательством МакГро Хилл в 1993, на стр.226-230 подчеркивают, что если отношение потока массы второй, или эжектированной, жидкости к потоку массы жидкости в свободном потоке, или первой, превышает 0.01, то пограничный слой "буквально сдувается с поверхности стенки".

Хорошее резюме своих исследований, а также исследований других экспериментаторов с инжекцией газа, представили С.Л.Меркле и С.Дойч в статье «Снижение сопротивления в пограничном слое жидкости с помощью инжекции газа». Статья включена в сборник «Снижение вязкостного сопротивления в пограничном слое» под редакцией Д.М.Бушнела и Дж.Н.Хефнера, т.123, стр.351-410, опубликованый в 1990 г.

Заявка на патент США под номером 09/2236783, «Метод снижения скорости диссипации жидкости, эжектированной в пограничный слой», поданная 31 декабря 1998 г., и выданный на нее патент №6138704 описывают метод введения упорядоченной завихренности в эжектированные снижающие сопротивление жидкости и вверх по потоку от них. Управляемая и благоприятная скорость используется для того, чтобы задержать эжектированную жидкость в пристенной области и ориентировать молекулы или структуры добавки в такой конфигурации, в которой они наиболее эффективны.

Дискуссия и экспериментальные результаты по обеспечению положительного или благоприятного градиента вязкости в пристенной области можно найти в работе Дж.Като, Ю.Фуджи, Х.Ямагучи, М.Миянаги «Снижение сопротивления трения с помощью инжекции высоковязкой жидкости в турбулентный пограничный слой», опубликованной в Трудах Американского общества инженеров-механиков, т.115, стр.206-211, июнь 1993 г. Обратный эффект возникновения отрицательного градиента вязкости при инжекции полимера был зафиксирован в указанной выше статье Ц.С.Велча и Дж.Г.Спанглера (1967) и в статьях Дж.Ву и М.Тулина, например «Снижение сопротивления с помощью эжекции раствора добавки в пограничный слой чистой воды», опубликованной в Трудах Американского общества инженеров-механиков, Журнале фундаментальной техники в 1972 г. В упомянутой выше статье 1994 года на русском языке Ю.Ф.Иванюта и А.А.Хомяков представили теоретическое доказательство, что положительный градиент вязкости будет способствовать стабилизации ламинарного течения. Затем они представили результаты серии экспериментов в турбулентном потоке, целью которых было установить благоприятный градиент вязкости, используя специальный эжектор. Не были представлены ни геометрия системы эжекции, ни подробности метода получения благоприятного градиента вязкости, но приведенные графики показывают, что снижение буксировочного сопротивления увеличилось приблизительно с 50% до 70% на очень длинном (40 м), но с малым диаметром (0.4 м) теле. Они также сообщали, что их измерения локального снижения сопротивления показали постоянное улучшение (повышенное снижение сопротивления) вдоль длины буксируемого тела в сравнении с их предыдущим методом эжекции.

Совершенно независимо от использования добавок для управления пограничным слоем существуют методики замедления или исключения отрыва потока, который иначе приводит к повышенному сопротивлению. Ф.О.Ринглеб описал потенциальные возможности «Управления отрывом с помощью захваченных вихрей» в сборнике «Управление пограничным слоем», т.1, под ред. Г.В.Лачмана, опубликованном издательством Пергамон Пресс в 1961, а также в докладе «Обсуждение проблем, связанных со стоячими вихрями и их применением», представленном на симпозиуме Американского общества инженеров-механиков по развитым отрывным течениям, Филадельфия, 18-20 мая 1964 г. Идея заключается в том, чтобы обеспечить резкое изменение геометрии в области, где ожидался бы отрыв в случае непрерывной поверхности или стенке. Резкое изменение геометрии, такое как трансверсальная канавка, может генерировать сильный вихрь в канавке. Поэтому присоединенное течение над вихрем огибает канавку и остается присоединенным ниже по потоку. Эта методика генерации устойчивого захваченного вихря используется для устранения или уменьшения протяженности следа отрывного течения. Называемые иногда вихрями Ринглеба, они часто используются в диффузорах и на тупых телах.

Обсуждение использования пристенных струй для управления отрывом несжимаемого турбулентного потока можно найти в книге Пола К.Чанга «Управление отрывом потока», опубликованной в Хемисфере Паблишинг Корпорейшн в 1976 г. Струи той же жидкости, что и в свободном потоке, используются для того, чтобы увлечь свободный поток в область обратного градиента давления. Концепция заключается в использовании избытка импульса пристенной струи для компенсации потери импульса в пограничном слое, вызванной поверхностным трением. Однако без точного баланса этих двух эффектов польза этого метода может быть уменьшена или даже дать обратный результат из-за возрастания напряжений сдвига на стенке, вызванного струей. Вследствие того, что струя вносит неустойчивость в пограничный слой, усиливается перемешивание. А.И.Цыганюк, Л.Ф.Козлов, В.Н.Вовк, С.Л.Максимов описали метод и устройство для уменьшения неустойчивости, внесенной пристенной струей, в изобретении «Методика управления пристенным слоем на твердом теле методом управляющей струи и устройство для реализации данной методики», опубликованном в бюллетене №30 в августе 1990 г. как Советское Авторское Свидетельство S.U. 1585569 А1. Этот метод и устройство отличаются от других систем пристенных струй для увлечения пограничного слоя, поскольку создает вихревую зону в области, где управляющая струя присоединяется к свободному потоку. Изобретение утверждает, что вихревая зона генерируется вихревой камерой, когда она имеет отверстие для струи, равное приблизительно 0.28 длины камеры.

Краткое изложение сущности изобретения

Настоящее изобретение позволяет производить неразрушающую эжекцию жидкостей в определенные слои пристенной области пограничного слоя потока жидкости. В качестве первой цели, настоящее изобретение подготавливает течение вверх по потоку с целью уменьшения начальной диффузии добавки при ее слиянии с пограничным слоем. Вторая цель изобретения - это подготовка эжектированного потока и добавки внутри эжектированного потока таким образом, чтобы она немедленно становилась эффективной для снижения турбулентной диффузии и потерь импульса внутри эжектированной жидкости при ее вхождении в пограничный слой. Третья цель изобретения - это подавление нежелательного разрушения установившегося поля течения. Четвертая цель изобретения - это исключение неблагоприятного градиента вязкости, свойственного эжекции высоко концентрированной неньютоновской добавки или газожидкостной смеси. Пятая цель изобретения - это возможность избирательного размещения множества добавок в слоях пограничного слоя; шестая цель изобретения - поместить добавку или структуру потока в определенном месте над пристенным потоком, чтобы защитить (экранировать) пристенный поток, и тем самым далее снизить диффузию эжектированных добавок. Седьмая цель изобретения - сделать возможным размещение множества наборов эжекторов вдоль длины пластины или судна для поддержания оптимальной концентрации материала, тем самым улучшая общую эффективность системы.

Система управления пограничным слоем по настоящему изобретению включает пред-эжекционные процессы, процессы эжекции и пост-эжекции. Пред-эжекционные процессы связаны с подготовкой течения вверх по потоку для уменьшения уровня начальной диффузии до того, как добавка начинает действовать в полную силу. Процессы эжекции включают подготовку и придание направления эжектируемой жидкости для ускорения действия добавки по снижению турбулентной диффузии возле эжектора, и подавление внесения неустойчивости в пограничный слой как вверх, так и вниз по потоку от точки эжекции. Массовый расход эжектированной жидкости выбирается на основании параметров пристенного потока установившегося пограничного слоя так, чтобы избежать нежелательного увеличения уровня турбулентности.

Поскольку процесс эжекции становится намного менее разрушительным, эжекцию можно применять одновременно в несколько местах без отрицательных эффектов, наблюдаемых при традиционных методиках эжекции добавок. Кроме того, отдельные эжекторы можно располагать вплотную друг к другу, чтобы обеспечить эжекцию различных добавок в определенные слои пограничного слоя вниз по потоку, тем самым, обеспечивая управление реологическими характеристиками пограничного слоя, такими как установление и поддержание благоприятного градиента вязкости после эжекции. Эжектирующий аппарат содержит уникальный набор жидкостных устройств, включая трансверсальные выемки, вихревые камеры, поверхности Коанда, внутренние сопла и острые кромки.

Настоящее изобретение отличается от всех предыдущих эжекторов добавок тем, что существенно снижает завихренность, вносимую верхним и нижним по потоку краями эжектора. Течение выше по потоку подготавливается так, чтобы снизить уровень турбулентности и, тем самым, диффузию возле эжектора. Добавка приводится в развернутое, выровненное вдоль потока и растянутое состояние перед тем, как она попадает во внешний поток пограничного слоя. Вниз по потоку создаются условия для удержания пузырьков вдали от стенки и устанавливается благоприятный градиент вязкости на стенке непосредственно ниже по потоку от эжектора полимера. Ни одна из предложенных ранее систем эжекции не обеспечивает неразрушающее введение добавок в определенные слои пристенной области пограничного слоя, как система в настоящем изобретении.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение станет более понятным из детального описания, данного ниже, и сопровождающих чертежей, которые даны исключительно с целью иллюстрации и никак не ограничивают данное изобретение.

Фиг.1 - это схема основного эжектирующего элемента системы эжекции.

Фиг.2А-2С представляют некоторые возможные профили трансверсальных выемок, которые могут быть размещены непосредственно ниже по потоку от эжектора. На Фиг.2А показана канавка с эллиптическим профилем. На Фиг.2В изображен профиль выемки, которая может наполняться добавкой через сопло с поверхностью Коанда в нижнем по потоку донном угле выемки. Фиг.2С показывает профиль выемки, которая может наполняться добавкой через сопло на верхней по потоку кромке выемки.

Фиг.3 - это схема поперечного сечения одной из возможных конфигураций с тройным эжектором. В этой конфигурации эллиптическая выемка размещена вверх по потоку от первого эжектора и имеет сообщение с вихревой камерой первого эжектора. Это позволяет добавке из вихревой камеры наполнять выемку и делает ненужным прокладку подающего канала к выемке. Второй эжектор размещен для эжекции другой добавки под жидкость из первого эжектора. Ниже по потоку от второго эжектора находится эжектор поменьше, размер которого соответствует массовому расходу жидкости, которая будет впрыснута под слой жидкости, эжектированной из двух эжекторов выше по потоку.

Фиг.4 - это система, подобная Фиг.3; но, вместо выемки, маленький эжектор размещен вверх по потоку от первого эжектора.

Подробное описание

Настоящее изобретение основано на представлении, что уровень и эффективность снижения сопротивления, достигнутого с помощью щелевой эжекции добавок, является суммарным результатом благоприятных и неблагоприятных эффектов, связанных с процессом эжекции. Это изобретение исключает или подавляет неблагоприятные эффекты и ускоряет инициирование и продлевает благоприятные эффекты, тем самым увеличивая значение достижимого снижения сопротивления и сокращая объемный расход добавки. Отрицательные эффекты эжекции высоких концентраций растворов полимера и смесей с газовыми микропузырьками - это введение дополнительной неустойчивости в пограничный слой в локальной области вокруг эжектора, увеличение уровня турбулентности и развитие неблагоприятного градиента вязкости в пристенной области. Эти эффекты способствуют увеличению локального сопротивления и более быстрой диффузии добавки из области пограничного слоя, где она эффективна. В частности, изобретение ограничивает, а не способствует диффузии добавки из буферной зоны пограничного слоя.

Чтобы уменьшить разрушение установившегося пограничного слоя и быструю диффузию эжектированной добавки, эжектор настоящего изобретения использует уникальную комбинацию основанных на струйной технике конфигураций. Конфигурации включают сопло в основании или "горле" эжектора с выходным диаметром 14 (обозначается в дальнейшем как h₁ для масштабирования всех других элементов эжектора), поверхность Коанда на нижней по течению стороне эжектированного потока, вихревую камеру на верхней по потоку стороне эжектированного потока, и две острые кромки: одна в месте входа эжектированного потока в вихревую камеру и вторая в месте выхода потока в установившееся течение в пограничном слое. Вторая острая кромка может быть заменена поверхностью, имеющей маленький радиус кривизны, чтобы облегчить изготовление и ремонтопригодность этого компонента, без потерь в эффективности.

Фиг.1 - это схемное решение основного эжектирующего элемента системы эжекции. В состав системы входят сопло (13), которое подготавливает добавку, вихревую камеру (4) на верхней по течению стороне элемента, которая имеет форму и размер, определенные двумя радиусами (1) и (2), острую кромку (3) в месте пересечения вихревой камеры (4) и эжектируемого потока (5), острую кромку или поверхность, имеющую радиус кривизны (6) достаточно большой, чтобы действовать как поверхность Коанда в месте, где пересекаются вихревая камера (4) и внешняя стенка (7), поверхность Коанда (8) радиуса (9) на нижней по потоку стороне эжектора, которая соединяется с внешней стенкой (10), и щель (11), через которую эжектированный поток (5) присоединяется к установившемуся потоку в пограничном слое (12). В случаях, когда имеются ограничения на геометрию эжектора, поверхность Коанда (8) может быть образована не одним радиусом, а сопряжением радиусов. На входе эжектора находится сопло (13) или другое устройство, которое генерирует конвергентный поток, переходящий в эжектированный поток (5). Эжектированный поток имеет ширину h₁. Назначение сопла состоит в том, чтобы установить ламинарный суживающийся поток, пригодный для того, чтобы размотать, выровнять и растянуть молекулы добавки до такого состояния, когда они эффективны. Поток через эжектор будет ламинарен, поскольку скорость эжекции должна составлять приблизительно десять процентов от скорости свободного потока, и эжектор должен быть такого размера, чтобы давать массовый расход в 10Qe. Массовый расход может меняться приблизительно в два раза в большую или меньшую сторону и будет зависеть от длины и свойств стенки (например, шероховатости и вязкоупругих свойств), скорости свободного потока, типа и концентрации добавки и желательного уровня снижения сопротивления. Диапазон этих параметров для обычно используемых добавок приведет к ламинарному потоку через эжектор. Скорость эжектированного потока жидкости ограничена снизу значением, при котором эжектированный поток остается присоединенным к поверхности Коанда (8). Сверху она ограничена скоростью пристенного течения в пограничном слое, вытесненного эжектированным потоком. Если не превышать эту скорость, два потока могут соединяться без значительного увеличения локального уровня турбулентности. Требуемый массовый расход и скорость эжекции определяют ширину сопла или щели h ₁. Если использовать хорошо сконфигурированное сопло, добавка будет эффективна сразу после объединения с пограничным слоем и начнет воздействовать на уровень турбулентности, которая является главным механизмом диффузии в турбулентном пограничном слое. Концентрация добавки, конечно, самая большая в месте эжекции. Таким образом, уменьшение уровня турбулентности в этом месте критично для управления диффузией и максимизации эффективности эжектированного объема добавки. Как описано в литературе, сопло с длиной порядка десяти миллиметров и углом между стенками сопла приблизительно от 10 до 45 градусов обеспечивает адекватную подготовку добавки при средних расходах через сопло в приблизительно один метр в секунду для полимеров типа Полиокс WSR-301.

Как будет описано ниже, поверхность Коанда и вихревая камера работают как единый модуль. Назначение поверхности Коанда состоит в том, чтобы удержать эжектированный поток присоединенным к внешней стенке ниже по потоку. При эжекции полимерной добавки радиус поверхности Коанда (9) должен быть около 4h₁. Устранение области отрыва на нижней по потоку кромке эжектора позволяет избежать неустойчивости, вносимой таким отрывом, и которая свойственна традиционным моделям щели.

Компонента скорости эжектированного потока, нормальная к пограничному слою, уменьшается почти до нуля вследствие поверхности Коанда и низкого массового расхода. Устраняя "сдув" пограничного слоя, можно избежать увеличения сопротивления давления и быстрой диффузии эжектированной добавки, связанных с этим явлением.

Назначение вихревой камеры, размещенной на верхней по потоку стороне эжектора, состоит в том, чтобы уменьшить или устранить источники завихренности, которая иначе способствовала бы разрушению установившегося пограничного слоя, тем самым увеличивая локальное сопротивление и усиливая скорость диффузии добавки в пограничном слое. Форма камеры определена двумя радиусами, (1) и (2). Центром для (1) является кончик острой кромки (3), а его величина равна приблизительно 4h₁ . Центр (2) - это средина линии, построенной от острой кромки (3) к противоположной стенке камеры. Если (2) составляет половину длины (1), две кривые будут давать непрерывную поверхность. Хотя такое отношение 2:1 не обязательно должно быть точным, отклонения от него требуют короткого сегмента стенки, чтобы избежать какого-либо разрыва или точки перегиба в профиле камеры. Верхняя часть камеры образована касательной, соединяющей острую кромку (6) с поверхностью, образованной (1). Как упомянуто выше, острая кромка в (6) может быть заменена маленькой изогнутой поверхностью, чтобы облегчить изготовление и увеличивать прочность стенки. Если кривизна достаточна для того, чтобы сохранить присоединенный поток до места его соединения со свободным потоком, эффективность эжекции не будет снижаться. Для параметров, связанных с полномасштабными установками, применяемыми в морских условиях, радиус этой кривой должен быть около 0.5h ₁, с центром на внешней стенке, так что размер щели (11) в сторону установившегося пограничного слоя (12) равен около 3h₁.

Наличие внутренней вихревой камеры на верхней по течению стенке изменяет поведение потока по сравнению с потоком в изогнутом канале и устраняет вихри, вносимые иначе кривизной стенки выше по течению. Ни вихри Дина, ни вихри Гертлера не формируются. Движение эжектированного потока индуцирует циркуляцию в вихревой камере. При должным образом выбранных форме и размерах камеры, внутри нее формируется устойчивый вихрь. Пограничный слой на верхней по течению границе эжектированного потока не развивается далее. Вместо этого, завихренность, генерированная внутренней верхней по течению стенкой камеры, диссипируется вихрем, заключенным в камере. Профиль скорости эжектированного потока изменяется по сравнению с установившимся потоком в канале таким образом, что течение вдоль верхней по течению кромке внутреннего потока замедляется меньше, чем без вихревой камеры, тем самым обеспечивается более устойчивый слой эжектированной жидкости при ее вхождении в пристенную область установившегося пограничного слоя. Следовательно, уменьшается неустойчивость, вносимая в пограничный слой на верхней по течению кромке эжектированного потока.

В отсутствие вихревой камеры кривизна, необходимая для формирования поверхности Коанда, могла бы приводить к генерации вихрей типа вихрей Гертлера (над вогнутой стенкой) или вихрей Дина (в изогнутом канале). Следовательно, результирующее влияние поверхности Коанда на процесс эжекции улучшается, поскольку завихренность на верхней по течению кромке внутреннего канала рассеивается вихревой камерой. Кроме того, подготовка добавки суживающимся потоком через сопло инициирует снижающее сопротивление действие добавки. В частности, это действие включает рассеяние мелкомасштабной завихренности. Эти отдельные механизмы работают вместе, улучшая поведение эжектированного потока при его соединении с установившимся пограничным слоем.

Сочетание улучшенного поведения эжектированного потока с подготовкой добавок во время процесса эжекции приводит к более быстрому подавлению турбулентности и, следовательно, уменьшению диффузии концентрированной добавки. В настоящем изобретении диффузия концентрированной добавки далее уменьшается с помощью предварительной обработки потока непосредственно выше по течению от главного эжектора. Несколько методов могут быть использованы. Для неустойчивых или сложных турбулентных погранслойных потоков представленное изобретение предлагает отдельный, расходный, эжектор добавок, который конфигурирован так, чтобы подавать низко концентрированную добавку, и размещен непосредственно выше по течению от главного эжектора. Концентрация может быть порядка 10 частей на миллион по весу 18 (wppm), так как задача не в том, чтобы получить эффект далеко вниз по потоку, а только непосредственно выше по потоку и в том месте, где концентрация вещества из главного эжектора наибольшая (то есть, где потери из-за диффузии самые большие). Таким образом, за счет (то есть, расходуя) небольшого количества добавки значительно большее количество добавки из главного эжектора останется в пристенной области.

Для относительно устойчивых потоков, вверх по течению от главного эжектора устанавливаются более простые эжекторы, конфигурированные как поперечные углубления, с размерами, подходящими для создания устойчивого захваченного вихря или системы вихрей. Система устойчивых захваченных вихрей будет диссипировать мелкомасштабную завихренность, генерируемую стенкой, и прерывать развитие пограничного слоя выше по течению. В литературе опубликованы профили углубления, которые формируют устойчивые захваченные вихри, в частности для управления отрывом за телом. В дополнение к правильно профилированным углублениям, настоящее изобретение предлагает маленькие количества добавок, чтобы дополнительно способствовать стабилизации захваченного вихря.

Три типа конфигурации углубления выше по течению даны на Фиг.2. Фиг.2А - это схема поперечного углубления с сечением эллиптической формы с главной осью (15), малой половинной осью (16), и глубиной (17), относительно внешней стенки. Эта форма, при правильно выбранных масштабах (15>17), может быть более приемлема при низких уровнях неустойчивости в пограничном слое, чем прямоугольная форма. Фиг.2В - это схема сечения прямоугольного углубления шириной (18) и глубиной (17) (где 17=18), которое может быть наполнено добавкой через сопло (19) с поверхностью Коанда (20) в донном нижнем по потоку угле углубления. Для этой конфигурации введение маленьких количеств добавки повысит устойчивость захваченного вихря. На Фиг.2С схематично показано подобное прямоугольное углубление, которое может быть наполнено добавкой через сопло (21) на верхней по течению кромке углубления. Для такой конфигурации дополнительный расход добавки будет немного больше, чем для конфигурации на Фиг.2В, но добавка подавит мелкомасштабную завихренность в пристенной области, а также стабилизирует захваченный вихрь. Во всех случаях внешний поток (12) направлен слева направо.

В дополнение к этим методам, можно также подготавливать поток выше по течению, используя другие методы уменьшения сопротивления непосредственно выше по течению от главного эжектора. Эти методы включают, но не ограничиваются, риблеты, снижающие сопротивление покрытия различных типов, и отсос пограничного слоя. Как описано в литературе, каждый имеет преимущества в зависимости от характеристик вверх по течению.

Так как эжектор по настоящему изобретению является намного менее разрушительным, чем предшествующие проекты эжектора, становится возможным стратифицировать различные добавки, используя тандемные эжекторы. Эжекция жидкостей различных вязкостей через множественные эжекторы позволяет получать благоприятный градиент вязкости в пристенной области, таким образом повышая эффективность системы. Например, эжекция жидкости из подобного, но меньшего эжектора, размещенного непосредственно ниже по течению от главного эжектора, и с такими размерами, чтобы значение Q _e было приблизительно равно единице, будет оттеснять добавку, подаваемую эжектором выше по потоку, в направлении от стенки в ту область, где она эффективна для снижения уровня турбулентности. В случае использования газовых микропузырьков это также снижает способность пузырьков действовать на стенку как элементы шероховатости во время эжекции. И для газов, и для концентрированных растворов полимера, это может обеспечивать благоприятный градиент вязкости на стенке вместо неблагоприятного. Эжектированная жидкость может быть чистым растворителем, например водой, или разбавленным раствором добавки, вязкость которого такая же или меньше (как для нагретой воды), чем у окружающего растворителя. Если используется только вода, или никакой добавки не используется в эжекторе вниз по потоку, требования к соплу могут быть ослаблены. Так как расход через эжектор ниже по потоку уменьшается до приблизительно одного Q_e, скорость эжекции должна быть равна приблизительно пяти процентам от скорости свободного потока. Это составляет приблизительно половину скорости эжекции более крупного эжектора выше по течению. Чтобы приспособиться к более низкой скорости эжекции, отношение диаметра поверхности Коанда к ширине щели должно увеличиться по сравнению с таковым для эжектора выше по течению и быть равным 6-8 ширин щели (26), с целью устранения локального отрыва на этой поверхности. Размер щели (11) должен остаться приблизительно равным тройной ширине щели (26); следовательно, сегмент между изогнутой стенкой камеры и кромкой (6) должен быть расширен по сравнению с сегментом эжектора выше по течению.

Фиг.3 - это схема поперечного сечения одной из конфигураций тройной системы эжектора. В этой конфигурации эллиптическое поперечное углубление (22) размещено вверх по потоку от первого главного эжектора (23). Добавка может подаваться в эллиптическое углубление тем же способом, как изображено на Фиг.2В или Фиг.2С. В зависимости от характера течения выше по потоку, для подавления уровня турбулентности возле первого главного эжектора могут быть размещены дополнительные углубления (25), Или, как показано на Фиг.4, вместо углублений для подавления уровня турбулентности на первом главном эжекторе можно поместить маленький расходный эжектор 29, такого размера, чтобы давать от 5 до 10 Qe добавки при концентрации порядка 10 wppm Или, расходный эжектор может быть углублением 25, как показано на Фиг.3, который имеет пятый жидкостный вход через сопло 21 в верхнем крае углубления выше по потоку, подобно расположению, показанному на Фиг.2С. Жертвуя этим маленьким количеством добавки, мы уменьшим уровень турбулентности и, таким образом, диффузию на первом главном эжекторе.

Жидкость f₁ из первого главного эжектора может быть смесью газовых микропузырьков, которая, согласно литературе (см. Меркле и Дойч, например), может быть эффективна в пределах 300 вязких длин, то есть дальше от стенки, чем большинство полимеров. Дойч также сообщает, что слой микропузырьков, по-видимому, экранирует пристенный слой от больших структур во внешних областях пограничного слоя. Таким образом, можно использовать множественные тандемные эжекторы (23) и (4), чтобы разместить микропузырьки различных масштабов и полимеры с различным молекулярным весом и конфигурацией в том слое, где они эффективны. Ниже по течению от главных эжекторов (23 и 4) находится меньший эжектор (26), имеющий ширину щели h₂ (27), рассчитанную для массового расхода жидкости f₃, эжектированной из этого эжектора. Если из этого эжектора предполагается подавать только растворитель, например, с целью установления благоприятного градиента вязкости, требования к соплу, или подобному устройству для получения суживающегося ламинарного течения, могут быть ослаблены. Однако сопла различных конфигураций часто используются, чтобы получить микропузырьки нужного размера; следовательно, могут потребоваться специальные конфигурации сопла для эжекции микропузырьков, так же как и для предварительной подготовки полимера перед эжекцией.

Таким образом, в дополнение к изменению реологических характеристик пристенной жидкости, могут использоваться несколько эжекторов, чтобы стратифицировать добавки, о которых известно, что они являются эффективными в определенных слоях пограничного слоя. Например, некоторые добавки, типа микропузырьков определенного масштаба, считаются эффективными дальше от стенки, чем полимеры. На Фиг.3 показан набор трех тандемных эжекторов, каждый рассчитан на нужный массовый расход, который мог бы обеспечивать трехъярусный слой, состоящий из воды (низкая вязкость) f₃, под концентрированным раствором полимера f₂, над которым эжектируются микропузырьки f₄. Точно так же несколько слоев соответствующим образом масштабированных пузырьков, или несколько слоев различных типов полимеров могут подаваться из тандемных эжекторов. Над этими жидкостями течет добавка из углубления выше по течению или "расходной щели" f₅ и жидкость свободного потока f₁.

Ранее судостроители пришли к заключению о том, что высокие концентрации и большие расходы добавки из одиночного эжектора более эффективны, чем такое же количество добавки, эжектированное из нескольких эжекторов, распределенных по длине корпуса. Это обусловлено увеличением локального сопротивления трения, вызываемым традиционными эжекторами, и сдувом пограничного слоя, который ведет к увеличению сопротивления давления. Исключая эти эффекты, настоящее изобретение делает возможным использовать наборы эжекторов во множественных позициях вдоль транспортного средства или движителя и таким образом оптимизировать распределение добавки как функцию формы и длины стенки (транспортного средства). Таким образом, данное изобретение может использоваться и для очень длинных стенок без значительной потери эффективности.

Эжекторы также могут быть конфигурированы так, чтобы усилить пристенное течение для избежания отрыва при изменении угла атаки свободного потока, так как эжектор может адаптироваться к локальным изменениям в условиях потока. Процессы пост-эжекции включают создание таких условий на стенке, чтобы уменьшить диффузию добавки ниже по течению от эжектора, обработку внешнего потока для уменьшения диффузии добавки и вдоль стенки, и вокруг любых выступов, и ниже по потоку от места эжекции либо различных добавок, либо различных концентраций одной добавки, с целью более экономичного расхода добавки.