СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F15D1/06 

Изобретение относится к гидродинамике и предназначено для снижения гидродинамического трения при течении жидкости в каналах или при внешнем обтекании поверхности твердого тела.

Известен способ снижения гидродинамического трения при добавлении в поток высокомолекулярных веществ (1. Пилипенко В.П. Влияние добавок на пристенные турбулентные течения. - в кн. Итоги науки и техники. Механика жидкости и газа. М., 1980, т.15, с. 156-234). Известный способ требует наличия специальных веществ и при этом уменьшает гидродинамическое трение в определенных пределах не более чем в 4 - 5 раз), что является недостаточным.

Известен способ снижения гидродинамического зрения путем отсасывания пограничного слоя (2. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М., 1974. с. 52, 356). (Прототип). Известный способ, включающий приложение внешней силы к пограничному слою, позволяет за счет предупреждения перехода ламинарного течения в турбулентное, снизить гидродинамическое трение более значительно, однако недостатком его является необходимость производить отверстия в поверхности обтекаемого тела, осуществить отсасывание части жидкости или газа, что усложняет способ и увеличивает энергозатраты на осуществление процесса снижения трения.

Известен способ управления пограничным слоем (3. Потемкин В.Ф., Дрейцер Г.А. А.С. N 909384), путем введения в слой ферромагнитных частиц, на которые воздействуют магнитным полем. Этот способ также отличается значительной сложностью, т. к. требует введения в поток специальных веществ. Этот способ также может считаться прототипом, т.к. он предусматривает воздействие на поток внешней силой, однако он, по существу, также использует эффект Томса как и [1] со всеми его ограничениями.

Цель изобретения - повышение эффективности способа. Под этим будем понимать как большее снижение трения, так и снижение энергозатрат. Поставленная цель достигается тем, что на пограничный слой жидкости или газа, омывающего поверхность твердого тела, воздействуют переменным электромагнитным полем. При этом частоту поля устанавливают равной частоте собственных колебаний молекул жидкости или газа. Под частотой собственных колебаний надо понимать частоту колебаний относительно оси, определяющей ориентации молекул. При невозможности определить эту частоту точно, ее выбирают в диапазоне 10⁹ - 10¹³ Гц.

Такое воздействие на пограничный слой соответствует критерию "новизна", т.к. в прототипе на пограничный слой осуществляют воздействие постоянным магнитным полем (т.к. частота не указана), причем воздействие происходит опосредственно, через ферромагнитные частицы, вводимые в поток, а в данном способе переменное электромагнитное поле непосредственно действует на поток.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают соответствие критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения состоит в следующем. При течении жидкости или газа, как известно, за счет перехода ламинарного движения в турбулентное, резко возрастает гидродинамическое трение. Проведенные автором теоретические исследования (см. 4. Колосов Б.В. О предельных законах гидравлического трения в гладких трубах. Деп. рукопись ВИНИТИ, N 473, 1987 г.: 5. Колосов Б.В. Некоторые вопросы динамики вязкой жидкости. Доп. рукопись ВИНИТИ N 4339 - 90, 1990 г.) позволяет объяснить снижение трения при осуществлении предлагаемого способа следующим образом. Граничный слой жидкости, прилегающий к поверхности твердого тела за счет молекулярного взаимодействия с этой поверхностью и за счет большого градиента скорости, приобретает наведенную анизотропию по отношению к механическому и энергетическому взаимодействию молекул жидкости [4, 5]. Анализируя поведение этого слоя на основе термодинамики необратимых процессов можно показать [5], что за счет анизотропии появляется новый перенос импульса, отличный от обычного, определяемого по закону Ньютона

где τ_ν - напряжение трения в изотропной жидкости;
u - скорость, вдоль поверхности тела;
y - нормаль к поверхности тела;
ρ - - плотность;
ν - кинематическая вязкость.

В анизотропном слое напряжение трения зависит от упорядоченности молекул, которая, очевидно, должна зависеть от расстояния до твердого тела "y". Поэтому из соображения размерности можно записать

В общем случае, в анизотропной жидкости τ_a является тензором, но в дальнейшем мы рассматриваем одномерное (гидравлическое) приближение, и поэтому τ_a обозначает одну компоненту тензора напряжения. В общем случае закон Паскаля в этой жидкости выполняться не будет.

Как показано в [5] из (2) следует логарифмический закон для распределения скорости в пограничном слое анизотропной жидкости

где ; ν_гр - вязкость жидкости на самой границе с поверхностью твердого тела, где жидкость максимально упорядочена (подобна смектическому жидкому кристаллу).

Таким образом, за счет большого градиента скорости молекулы у стенки стремяться занять положение с минимальным сопротивлением трения и у самой стенки движутся слоями (подобно смектику), не перемешиваясь, дальше от стенки приобретает симметрию подобно нематику (см. 6. Н. де Жеи. Физика жидких кристаллов. М. , 1977 г.) и еще дальше, где градиент скорости мал, жидкость становиться изотропной.

Переходя к коэффициенту гидравлического трения λ

где ΔP - перепад давления на концах капилляра или трубы длиной L и диаметром D;
U_o - средняя скорость.

можно показать [5], что для анизотропного потока, в предположении, что он занимает все сечение потока, коэффициент гидравлического трения λ_a имеет вид

где - число Пекле, a_гр - температуропроводность жидкости на границе с поверхностью твердого тела,
C₃, C₄ - постоянные.

Следует еще раз подчеркнуть, что выражение (4) общепринято для изотропной жидкости. Для анизотропной жидкости под величиной ΔP следует понимать некоторый условный перепад давления эквивалентный напряжению τ_a в формуле (2)
Для изотропной жидкости при течении в каналах λ_n определяется как известно [2] по формуле:

где - число Рейнольдса.

Величина A зависит от геометрии потока. Для круглой трубы A = 64, для течения между параллельными плоскостями A = 96 [2].

Выражение (6) можно переписать в виде:

где - число Прандтля;
λ - коэффициент теплопроводности;
с - теплоемкость.

Весьма важным для дальнейшего понимания является тот факт, что число Pr для анизотропной жидкости меньше, чем для изотропной жидкости того же химического состава. Это следует, например, из опытов (7. Мецик М.С. Тимошенко Г. Т. Новые данные о теплопроводности тонких пленок воды. - В сб. Исследования в области поверхностных сил. М.: Наука,1967), где показано что за счет анизотропии в тонких слоях жидкости значительно увеличивается теплопроводность. Так как для других свойств таких анамалий не обнаружено (см. сборник 7), то это свидетельствует о существовании некоторого минимального числа Pr_min для анизотропной жидкости.

На фиг. 1 показаны зависимости λ_ν и λ_a от числа Пекле в логарифмических координатах. Прямая 1 соответствует величине λ_ν по формуле (6), а линия 2 - величине λ_a по формуле (5). Благодаря тому, что в (5) использовано значение a_rp в анизотропной жидкости, т.е. по существу минимальное значение Pr_min линии 1 и 2 имеют две точки пересечения K₁ и K₂, а касательная СД соответствует течению смектической жидкости по закону (1) или, что то же (6) при значении Pr=Pr_min. Используя условие касания линии 2 и линии СД ( ) можно получить значение константы C₁ в уравнении (2) [см. 5.]. Для круглой трубы для плоского канала
Полученные результаты позволяют объяснить возникновение турбулентности и возможности ее прекращения следующим образом. В зоне чисел Pe между точками K₁ и K₂ (см. фиг. 1) λ_a < λ_ν. В результате пристенный слой ускоряется, чтобы обеспечить равенство давлений в изотропной части и нормального напряжения в анизотропной. Такое "растянутое" состояние пристенного слоя обеспечивает устойчивость движения, т. е. сохраняется ламинарный режим. Правее точки K₂ ситуация изменяется, λ_a > λ_ν пристенный слой вынужден тормозиться, на профиле скорости появляется точка перегиба и, в итоге, происходит отрыв потока ("всплеска") с образованием вихря. При увеличении скорости, вихри, как новые структурные образования могут приобретать симметрию смектина, далее вглубь потока - нематика и т.д. Расстояние от стенки "y" будет опять играть роль параметра порядка, и поэтому, для распределения скоростей вновь можно написать уравнение (3) и повторить остальные рассуждения, сделанные выше для анизотропной жидкости. Учитывая, что выражение (3) аналогично известному уравнению Прандтля для турбулентной жидкости [2] можно сделать вывод, что величина C₁ эквивалента широко известной константе Кармана (Прандтля-Кармана). В литературе по турбулентности (см. например 8. Обухов А.М. Проблема физической гидродинамики, ж. "Наука и жизнь", N 3, 1973 г., с. 7.) нахождению этой константы придается большое значение. Таким образом, данный подход позволяет найти ее теоретически. Более того, можно дать новое определение турбулентности.

Турбулентность - это мезоморфное, т.е. промежуточное между изотропной и анизотропной фазами состояние жидкости, состоящей из структурных объектов с асимметричным взаимодействием. Количество видов этих объектов не менее двух, причем, один из них является основным (например, молекулы), а остальные производными - рождающимися в процессе фазовых переходов (например, вихри). Кажущаяся апериодичность турбулентного движения связана с тем, что производные структурные объекты (вихри) гораздо менее устойчивы, чем основные (молекулы). В работах [4, 5] показано, что при значении Pr_min=(3-4)•10^-4 точка K₂ соответствует обычному критическому числу Рейнольдса, а точка K₁ удовлетворительно описывает нелинейные эффекты при малых Re, в том числе сверхтекучесть He II.

Из вышеизложенного следует сущность предлагаемого изобретения. Уменьшить гидродинамическое трение при числах Re, больших критического числа Re_кр, т. е. в тех условиях, когда обычно существует турбулентный режим, можно только переходом к ламинарному режиму, т.к. причиной турбулентности является появление анизотропии жидкости в пограничном слое, то надо устранить возможность этого появления. Известно, что на ориентацию молекул жидкости и газа оказывает влияние электрическое поле, так называемый эффект Керра (см. 9. Физический энциклопедический словарь. М., 1983 г., с. 280 - 281). Быстродействие этого эффекта 10^-9 - 10^-13 сек. Таким образом, если на молекулы в пограничном слое потока с градиентом скорости воздействовать переменным полем с частотой 10⁺⁹ - 10⁺¹³ Гц можно не допустить их ориентации, т.е. сохранить изотропию жидкости, а значит и обеспечить ламинарный режим, т.е. режим с малым гидродинамическим трением. При более точном определении частоты собственных колебаний молекул, надо применять поле этой частоты.

Техническое осуществление этого способа осуществляется или размещением специальных излучателей в пограничном слое, или подачей электромагнитного поля непосредственно на поверхность тела, омываемого потоком жидкости газа.

Способ позволяет снизить гидродинамическое трение при течении жидкости или газа в каналах или внешнем обтекании тел путем воздействия на пограничный слой жидкости или газа переменным электромагнитным полем. Частоту поля устанавливают равной частоте собственных колебаний молекул жидкости или изменяют в диапазоне 10⁹-10¹³ Гц до тех пор, пока гидродинамическое трение станет минимальным. Техническим результатом изоретения является снижение гидродинамического трения и энергозатрат. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ снижения гидродинамического трения, включающий приложение внешней силы к пограничному слою жидкости или газа, омывающего поверхность твердого тела, отличающийся тем, что на пограничный слой воздействуют переменным электромагнитным полем. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частота поля равна частоте собственных колебаний молекул жидкости или газа. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на пограничный слой начинают воздействовать полем в диапазоне, соответствующем эффекту Керра (от 10⁹ до 10¹³ Гц), изменяя частоту до тех пор пока не произойдет снижение трения.