СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОМ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТРЕНИЯ ПОКРЫТИЯ, ОБТЕКАЕМОГО ЖИДКОСТЬЮ Российский патент 2005 года по МПК B05D5/08 

Изобретение относится к получению антифрикционных покрытий с целью снижения коэффициента гидро- и аэродинамического сопротивления транспортных средств, движущихся в жидкости, а также в узлах трения машин и механизмов, работающих в водных средах.

Близких аналогов, относящихся непосредственно к способам управления коэффициентом сопротивления трения покрытия, обтекаемого жидкостью, найти не удалось.

Известны антифрикционные материалы, используемые в узлах трения машин и механизмов, работающих в водных средах (авторское свидетельство СССР №1654306 от 30.12.1987 г.). Для достижения более низкого сопротивления трения предложен новый состав материала и конкретные соотношения компонентов. Однако достигнутые при этом результаты опытов далеки от коэффициента трения самополирующихся лакокрасочных покрытий, близкого к теоретическому значению Блазиуса.

Известен составной материал, закрепляемый на корпусе кораблей, для уменьшения сопротивления движению (заявка Франции №2615788, 1988 г.). Внешний слой является гидрофильным и растворимым в воде. Растворимые частицы краски попадают в ламинарный подслой и снижают толщину пограничного слоя. Недостаток такого материала - кратковременность эффекта снижения трения, а именно до тех пор, пока растворится вся краска.

Известны различные устройства для снижения трения движущегося судна путем управления в функции времени формой поверхности демпфирующего покрытия, наклеенного на подводную часть корпуса судна, например для создания бегущей волны вдоль корпуса (авт. свидетельство СССР №1726308 от 22.06.1986 г.). Недостатки таких устройств - громоздкость конструкции, низкая ремонтопригодность.

Известно устройство для подачи раствора высокомолекулярного полимера на поверхность корпуса судна (авт. свидетельство СССР №1068325 1982 г.) для ламинаризации обтекающего судно потока. Основной недостаток - большие расходы полимера, который приходиться возить на борту.

Известен способ снижения гидродинамического сопротивления движению тел (авт. свидетельство №364493 от 22.06.1970 г.), состоящий в создании в пограничном слое электромагнитного поля (с использованием алюминиевых или других электродов) для генерации в нем комплексов молекул вместо подачи в пограничный слой полимеров. Недостатки способа - трудности замены расходуемых электродов и создания гомогенного (с комплексами молекул) пограничного слоя.

Технический результат изобретения - снижение сопротивления трения антифрикционного покрытия в жидкости за счет управления коэффициентом сопротивления трения - достигается тем, что при изготовлении антифрикционного покрытия удельную поверхностную энергию вдоль линий тока (поверхности тока) формируют с отрицательным градиентом.

Современные подходы изучения гидро- и аэродинамического сопротивления трения ограничиваются рассмотрением внутреннего трения обтекаемой среды, принимая гипотезу о прилипании частиц среды к стенке. На основе теоретических и экспериментальных исследований (Третья международная конференция «Военно-морской флот и судостроение в современных условиях». Перспективы кораблестроения и военно-морских флотов в XXI веке, 26-28 июня 2003 г. Труды, Секция А, Секция В) показано, что свойства материала стенки существенно изменяют картину поверхностного взаимодействия среды и стенки тела. Для поверхности тела, имеющей гетерогенную структуру, сочетающую гидрофильные и гидрофобные свойства, на границе соприкосновения разнородных молекул выявлен «капельный» эффект, то есть среда при сплошном потоке в этих зонах ведет себя подобно капле. На таких поверхностях наблюдаются три зоны. Первая - зона с повышенной энергией активации и нулевой касательной скоростью среды в областях поверхности тела с гидрофильными свойствами. Вторая - зона с пониженной энергией активации и нулевой касательной скоростью среды в областях поверхности тела с гидрофобными свойствами. Третья - зона с энергией активации, равной энергии активации молекул среды, и ненулевой касательной скоростью в граничащих гидрофильных и гидрофобных областях. Доказан двойной механизм снижения гидродинамического трения подобных поверхностей: за счет снижения коэффициента вязкости среды в приповерхностном слое, вызванного уменьшением энергии активации, и за счет возможного проскальзывания частиц среды, обусловленного «капельным» поведением частиц среды в потоке. Получены аналитические выражения, определяющие значения коэффициента вязкости в зависимости от типа среды и свойств материала поверхности. Сформулированы условия проскальзывания частиц среды по поверхности стенки тела. Теоретические результаты качественно согласуются с экспериментальными данными, полученными при обтекании водой пластины, покрытой полимерным красителем с фуллеренсодержащимн добавками. При (1,0-1,5)% содержании гидрофобных добавок достигнуто (15-20)% снижение значения коэффициента трения.

Способ управления коэффициентом сопротивления трения антифрикционного покрытия, обтекаемого жидкостью (в данном случае водой), проверен на специализированном гидродинамическом стенде НС-83 ЦНИИ имени А.Н.Крылова.

Стенд (см. фиг.1) имеет измерительный канал 1 с прямоугольным поперечным сечением. В верхней части стенда находится смотровое стекло 2. Внутри канала устанавливается съемная пластина 3 (длина 1800 мм, ширина 30 мм, толщина 10 мм) с нанесенным на верхнюю часть пластины антифрикционным покрытием 4. Измерительный канал имеет расходомер 6 (ИР-61, погрешность 1%) и дифференциальные манометры 7 (марка ДС-ЭЧ, погрешность измерения давления 0,5%).

Поступающая в канал вода обтекает покрытие 4 пластины 3 с заданной скоростью (до 12 м/с). По показаниям расходомера (заданной скорости потока) и дифференциальных манометров рассчитываются потери энергии потока вследствие трения воды на поверхности покрытия и соответствующий коэффициент сопротивления трения.

Для создания антифрикционного покрытия с отрицательным градиентом выбран полистирол, в котором растворялся фуллерен С60. Далее была получена экспериментальная кривая зависимости коэффициента трения покрытия от концентрации фуллеренов. Наибольший коэффициент соответствует нулевой концентрации и наименьший - величине концентрации фуллеренов 1%. Полоса по длине пластины была разбита на 20 частей. На каждую часть наносилось покрытие одинаковой толщины (150 мкм) с заданной концентрацией фуллерена. На первой части пластины концентрация составляла 0%, на двадцатой - 1%. На промежуточных частях - по линейному закону от 0 до 1%.

Результаты измерений и расчетов коэффициента трения покрытия в зависимости от числа Рейнольдса представлены на фиг.2.

Вначале измерялась пластина №22 с добавками фуллеренов постоянной концентрации по длине полосы. Затем вторая пластина (№6-1-2), обтекание которой водой начиналось со стороны части с нулевой концентрацией фуллерена (обратный ход), затем, наоборот, с концентрацией 1% (прямой ход). Отчетливо видна заметная разница в коэффициентах трения для прямого и обратного хода, т.е. влияние градиента удельной поверхностной энергии антифрикционного покрытия.

Изобретение относится к получению антифрикционных покрытий с целью снижения коэффициента гидро- и аэродинамического сопротивления транспортных средств, движущихся в жидкости, а также в узлах трения машин и механизмов, работающих в водных средах. При изготовлении и нанесении антифрикционного покрытия на корпус транспортного средства для снижения коэффициента сопротивления трения при движении в жидкости удельную поверхностную энергию покрытия вдоль линий тока (поверхности тока) жидкости создают с отрицательным градиентом. Техническим результатом изобретения является снижение сопротивления трения антифрикционного покрытия в жидкости за счет управления коэффициентом сопротивления трения. 2 ил.

Способ управления коэффициентом сопротивления трения антифрикционного покрытия, обтекаемого жидкостью, отличающийся тем, что вдоль линий тока или поверхностей тока жидкости удельную поверхностную энергию покрытия создают с отрицательным градиентом.