СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ТУРБУЛЕНТНОЙ ВЯЗКОСТИ Российский патент 2011 года по МПК F15D1/06 

Изобретение относится к области гидродинамики турбулентных течений, а именно к способам искусственного снижения турбулентной вязкости, и может быть использовано во всех отраслях техники, в которых используются турбулентные потоки в трубопроводах.

Наиболее простые движения турбулентных потоков, называемые продольно-однородными, крайне широко используются в технике, в первую очередь, в трубопроводных системах, каналах, теплообменниках и др.

Равномерное движение жидкостей в продольно-однородных турбулентных течениях (круглых трубах или плоских каналах) подчиняется широко известному закону (Чугаев P.P. Гидравлика, Л.: Госэнергоиздат, 1982, 672 с.):

где - осредненная скорость;

z - расстояние от стенки по нормали к ней;

u_* - динамическая скорость;

ν - коэффициент кинематической вязкости (кинематическая вязкость) жидкости;

ν_T - турбулентная кинематическая вязкость (турбулентная вязкость);

L - характерная длина - диаметр трубы (L=d) или глубина плоского потока (L=Н).

ν+ν_T - эффективная вязкость;

- - градиент осредненнои скорости.

Установлено, что в продольно-однородном турбулентном потоке вблизи гладких стенок существует тонкий слой (часть пограничного слоя), в котором течение происходит при отрицательной турбулентной вязкости ν_T и сопровождается образованием поверхности, состоящей из точек перегиба эпюры осредненных скоростей. Это явление имеет место в турбулентных потока при любых числах Рейнольдса, как для несжимаемой, так и для сжимаемой жидкости, и заключается в том, что во всем диапазоне чисел Рейнольдса возникает частичный возврат кинетической энергии от пульсационного течения осредненному течению. Такой возврат энергии обуславливается перестройкой спектра пульсации скорости у стенки с образованием редких выбросов от стенки и малых пульсаций к стенке (Высоцкий Л.И., Высоцкий И.С. Обоснование предполагаемого открытия: «Явление существования течения с отрицательной турбулентной вязкостью в тонком слое вблизи гладкой стенки в продольно-однородных турбулентных потоках» // Совершенствование методов гидравлических расчетов водопропускных и очистных сооружений: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2008, С.4-53).

При этом амплитуды выбросов пульсационной скорости от стенки в 30 и более раз превышают амплитуды малых пульсаций к стенке из-за экранирующего действия гладкой стенки, отражения волн давления и т.п. (Eckelmann H. The structure of the viscous sub layer along a smooth boundary // Journal of Fluid Mechanics. 1974. Vol.65. Part 3. P.39-45).

Это приводит к соответствующему увеличению градиента осредненной скорости до величин, превышающих значение, равное и смене знака у второго одноточечного статистического момента с на где u_x, u_z - продольные и поперечные компоненты пульсационной скорости, что равносильно возникновению отрицательной турбулентной вязкости.

При больших числах Рейнольдса указанное явление наблюдается на расстояниях от гладкой стенки, близких к наноуровню, меньших, по крайней мере,

Поэтому возникает возможность искусственного уменьшения отрицательной турбулентной вязкости с целью дальнейшего уменьшения эффективной вязкости (вплоть до нуля).

Известен способ уменьшения эффективной вязкости, заключающийся в искусственном введении в турбулентный поток полимерных добавок, имеющих длинноволокнистое молекулярное строение (Повх И.Л. Техническая гидромеханика. Л.: Машиностроение. 1976. С.343-347).

Недостатком этого способа являются необходимые затраты вводимого продукта, его тщательная дозировка, а также быстрая его деструкция.

Известен способ транспортировки по трубопроводу вязких нефтей и нефтепродуктов, который обеспечивает воздействие непосредственно на параметры течения жидкости в трубопроводах, что приводит к существенному уменьшению ее эффективной вязкости и, следовательно, к увеличению расхода жидкости. В соответствии с данным способом на нефть в процессе перекачки воздействуют многочастотным акустическим сигналом, содержащим по меньшей мере две монохроматические составляющие, частоты и амплитуды которых удовлетворяют условию перекрытия резонансов (патент РФ №2350830, МПК: F17D 1/16, F15D 1/02).

Известен способ снижения гидродинамического трения 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 (патент РФ №2133891, МПК: F15D 1/06).

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ снижения гидродинамического сопротивления, заключающийся в том, что на соприкасающихся с жидкостью участках поверхности транспортного средства или трубопровода возбуждают изгибные и продольные упругие колебания одинаковой частоты с разностью фаз , при этом продольные колебания возбуждают параллельно движению транспортного средства в воде или потока жидкости в трубопроводе (патент РФ №2276035, МПК: B63B 1/32, F15D 1/06).

Однако в данных способах воздействия на турбулентные пограничные слои действие простирается на толщины, примерно на два порядка превышающие значение , т.е. они работают в областях турбулентного пограничного слоя, где отрицательная турбулентная вязкость не существует.

Задачей данного изобретения является уменьшение потерь на трение при гидротранспорте и, как следствие, увеличение скорости транспортировки среды по трубопроводу в результате уменьшения отрицательной турбулентной вязкости вблизи гладких стенок в продольно-однородных турбулентных потоках.

Поставленная задача решается тем, что в способе уменьшения отрицательной турбулентной вязкости в продольно-однородных турбулентных потоках жидкости или газа вблизи гладких стенок трубопровода или канала на стенки трубопровода или канала накладывают импульсные колебания, направленные по нормали к поверхности соприкосновения потока со стенками трубопровода или канала, при этом колебания накладывают из условия увеличения второго одноточечного статистического момента где u_x, u_z - продольная и поперечная компоненты пульсационной скорости.

Колебания накладывают с частотой от 10 до 100 Гц.

Импульсные колебания представляют собой механические или акустические или электромагнитные колебания.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан типичный характер изменения второго статистического момента от времени вблизи стенки трубопровода или канала в слое с отрицательной турбулентной вязкостью. На фиг.2 показан характер накладываемых колебаний Δ_имп в см²/с² (схема подачи искусственных импульсов Δ_имп). На фиг.3 показан результат сложения вторых статистических моментов и наложенных импульсных колебаний, то есть

+Δ_имп.

В результате осредненное значение оказывается положительным и большим значения Это означает, что отрицательная турбулентная вязкость при наложении искусственных колебаний уменьшается где соответствует значению без искусственного воздействия, a - при искусственном воздействии.

Прикладываемое на стенки трубопровода или канала воздействие вызывает их микроколебания (на наноуровне) с направленными максимальными пиками пульсационной скорости внутрь потока, что приводит к увеличению пульсационных колебаний скорости у стенки и увеличению абсолютного значения и, следовательно, абсолютного значения |ν_T|, где ν_T<0.

Воздействие прикладывают по нормали к поверхности соприкосновения потока со стенками трубопровода с частотой от 10 до 100 Гц, при этом оно может представлять собой механическое, акустическое или электромагнитное воздействие.

Предлагаемый способ уменьшения отрицательной турбулентной вязкости может быть реализован размещением на поверхности трубопровода по всей его длине через равные интервалы механических или электромагнитных вибровозбудителей, а также пьезоэлектрических источников колебаний.

Возмущающее воздействие может вводиться с использованием переменных магнитных или электромагнитных полей, взаимосвязанных со стенками или находящихся вблизи стенки трубопровода. Способ также может быть реализован подачей электромагнитного поля непосредственно на поверхность трубопровода.

Для ввода звукового возмущающего воздействия можно использовать звуковой генератор.

Реализация указанного изобретения позволяет снизить потери на трение при гидротранспорте на 30-40%.

Таким образом, искусственное наложение на твердые стенки трубопровода или канала колебаний с таким расчетом, чтобы второй одноточечный статистический момент, оставаясь положительным (>0), увеличивался по абсолютному значению, позволяет уменьшить отрицательную турбулентную вязкость вблизи гладких стенок в продольно-однородных турбулентных потоках.

Изобретение относится к области гидродинамики турбулентных течений, а именно к способам искусственного снижения отрицательной турбулентной вязкости, и может быть использовано во всех отраслях техники, в которых используются турбулентные потоки в трубопроводах. В способе уменьшения отрицательной турбулентной вязкости в продольно-однородных турбулентных потоках жидкости или газа вблизи гладких стенок трубопровода или канала на стенки трубопровода или канала накладывают импульсные колебания, направленные по нормали к поверхности соприкосновения потока со стенками трубопровода или канала. При этом колебания накладывают из условия увеличения второго одноточечного статистического момента где u_x, u_z - продольная и поперечная компоненты пульсационной скорости. Технический результат - снижение потерь на трение. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ уменьшения отрицательной турбулентной вязкости в продольно-однородных турбулентных потоках жидкости или газа вблизи гладких стенок трубопровода или канала, заключающийся в том, что на стенки трубопровода или канала накладывают импульсные колебания, направленные по нормали к поверхности соприкосновения потока со стенками трубопровода или канала, при этом колебания накладывают из условия увеличения второго одноточечного статистического момента , где u_x, u_z - продольная и поперечная компоненты пульсационной скорости.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что колебания накладывают с частотой от 10 до 100 Гц.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что импульсные колебания представляют собой механические или акустические, или электромагнитные колебания.