() СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНЫМ ПОГРАНИЧНЫМ
СЛОЕМ
Т зобретение относится к управлению турбулентным пограничным слоем (т-.е. целенаправленного изменения его динамических характеристик, например, касательного напряжения на твердой поверхности) и может быть использовано в гидравлике, включая как внутреннее так и внешнее обтекание жидкостью твердых тел, реологии и аэродинамике Известен способ управления турбулентным пограничным слоем, заключающийся в массообмене турбулентного пограничного слоя с граничной поверх ностью путем вдува (например, с целью охлаждения поверхности) или отсоса (например, с целью предотвращения отрыва пограничного слоя), в при менении упругодеформируемой граничной поверхности (например, с целью снижения сопротивления) l. Известен также способ управления турбулентным пограничным слоем путем введения в него присадки, выполнен ной в виде высокомолекулярных полимерных добавок или твердых частиц 2. Однако твердые частицы при введении в турбулентный пограничный слой изменяют его Динамические характеристики, например, уменьшают при определенных условиях касательное напря- жение на стенке. Эти изменен 1я незначительны по сравнению с изменения- ми, вносимыми в турбулентный пограничный слой высокомолекулярными полимерными добавками, хотя твердые частицы лишены одного из недостатков полимеров - нестабильности. Введение в турбулентный пограничный слой высокомолекулярных полимерных добавок (например, гуаровой смолы (приро/iHoro полисахарида), окиси полиэтилена, полиокса, полиакриламида и т.д.) - эффективный способ управления турбулентным пограничным слоем, поскольку, например, при весовой концентрации (-уаровой смолы в .растворе воды /N 10 касательное нап3ряжение на твердой поверхности (сте ке) уменьшается почти вдвое по срав нению с течением вдоль той же стенки чистой воды. Сферические образования макромол кул полимера (полимерные вихри) взаимодействуют с жидкостью и турбу лентными вихрями турбулентного noi- раничного слоя так, что скорости де формации и вращения полимерных вихрей отличаются от соответствующик скоростей потока, вследствие чего течение жидкости затрудняется, ламинарный подслой утолщается, а каса тельное напряжение на стенке уменьшается. При взаимодействии с турбулентны ми вихрями, например, путем проникновения в них,полимерные вихри noi- лощают часть кинетической энергии турбулентных вихрей, а затем выдеЛя ют ее в виде упругих сдвиговых волн которые быстро разрушаются в потоке жидкости В силу этого полимерные вихри пр пятствуют образованию турбулентных вихрей, движущихся вдоль потока и имеющих примерно одинаковые среднеквадратичные размеры с полимерными вихрями, что также уменьшает турбулентную энергию потока. Гидродинамическое воздействие вы сокомолекулярных полимерных добавок (полимера) на турбулентный погранич ный слой зависит от их молекулярно го веса, технологии производства, ли 1ейности макромолекул, весовой концентрации в жидкости, времени пребывания в жидкости и от целого ряда других факторов. Недостатком способа управления турбулентным Пограничным слоем является то, что возрастание весовой концентрации полимера в жидкости выше определенной пороговой приводит к уменьшению эффективности влияния полимера на турбулентный пограничный слой и даже может вызвать обратный эффект. Кроме того, с увеличением времени пребывания полимера в турбулентной жидкости касательное напряжение на стенке также увеличивается. Это происходит потому, что в жидкости начинают постепенно разрушаться (укорачиваться) макромолекулы полимера, вследствие чего разваливаются сферические образования макромолекул (полимерные вихри). А При относительно большом отрицательном градиенте давления в потоке эффект вообще не наблюдается, что не позволяет использовать известный способ в конфузорах, межлопаточных каналах турбин и насосов и т.п. устройствах с отрицательным градиентом давления в потоке, а также во всех технических устройствах (или на отдельных их участках), в которых , так как кроме всего, эффект влияния полимера на турбулентный пограничный слой начинается не с критического числа Рейнольдса R(Rp соответствует переходу ламинарного пограничного слоя в турбулентный), а с какого-то другого порогового числа RP , которое больше R . К недостатку способа можно отнести также то, что его используют только в жидких средах (воде, бензоле, керасине, нефти и т.д.), использование же в газообразных средах (возду ® гелии и т.д.) невозможно. Цель изобретения - повышение эффективности управления турбулентным пограничным слоем при введении в него присадки, выполненной в виде высокомолекулярных полимерных добавок или твердых частиц. Указанная цель достигается тем, что высокомолекулярные полимерные добавки или твердые частицы снабжают ферромагнитными частицами (изготовленными, например, из железа, никеля, кобальта, гадолиния, диспрозия или их сплавов и окислов, а также их некоторых сплавов марганца и хрома, причем могут использоваться вещества как сохраняющие, так и не сохраняющие приобретенную под действием внешнего магнитного поля намагниченность), например, игольчатой формы (расположенными, например, вдоль макромолекул полимера на некотором расстоянии друг от друга), на которые воздействуют магнитным полем. В результате такого воздействия ферромагнитные частицы приводятся в дополнительноо механическое движение, вследствие которого полимерные вихри или твердые частицы, содержащие ферромагнитные частицы, (ферромагнитные полимерные вихри),в зависимости от направления, величины и,времени действия магнитного поля (например, постоянного, переменного,циклическо-. го, локально-вращающегося, скрещенHorojбегущего и т.п.) приобретут скорости деформации и вращения, необходимые для заданного изменения динамических характеристик турбулентного пограничного слоя (равные или отличающиеся по величине и направлению от соответствующих скоростей потока).
Например, для более эффективного уменьшения касательного напряжения на стенке при наличии в турбулентном пограничном слое ферромагнитных полимерных вихрей силовые линии пос тоянного магнитного поля необходимо направить вдоль линии тока йидкости. В этом случае в ламинарном подслое скорость вращения ферромагнитных -. вихрей будет более отличаться от локальной усредненной скорости вращения потока по сравнению с отличием от указанной скорости вращения полимерных вихрей, не содержащих ферромагнитных частиц.
При таком же наложении магнитногй поля при пороговой (для известного способа) концентрации полимера за счет уменьшения экранировки друг друга ферромагнитных полимерных вихрей (ферромагнитные полимерные вихри дополнительно вытягиваются по потоку) будет достигнуто меньшее касательное напряжение на стенке, чем в известном способе.
Поскольку эффект изменения динамических характеристик в турбулентном пограничном слое при введении в него ферромагнитных полимерных добавок зависит от большого числа корре лирующих между собой факторов (например, от типа полимера, технологии его изготовления, граничных условий течений, свойств Ферромагнитных частиц и т.д.), то необходимые углы .между линиями магнитного поля и линиями тока жидкости в зависимости от решаемой задачи (например, для уменьшения касательного напряжения I на стенке) теоретически можно определить только приближенно.
Поэтому на участке технического устройства (например, на отрезкетрубы), в котором осуществляют управление турбулентным пограничным слоем путем введения в него высокомолекулярных полимерных добавок, снабженных ферромагнитными частицами, измеряют как подлежащие изменению динамические характеристики тур
булентного пограничного слоя (напри мер, касательное напряжение на стенке), так и характеристики (например, величинуи направление) магнитного поля, воздействующего на ферромагнитные частицы.
Затем (или одновременно) вводят полученную информацию для обработки в электронно-вычислительную машину (ЭВМ), предназначенную для обработ0ки экспериментальных данных, осуществляющую связь с устройством, создающим магнитное поле. При этом характеристики (например, величина и направление) магнитного поля меня5ются (ищутся) до тех пор, пока не будет достигнуто необходимое измене ние динамических характеристик турбулентного пограничного слоя, напри 0мер, снижение касательного напряжения на стенке до минимального значения.
На фиг. 1 изображена структура устройства для реализации, способа; на фиг. 2 - возможная структура по5лимерной нити; на фиг. 3 а, б, в возможные варианты структуры твердых частиц; на фиг. 4 - структура твердой .частицы, имеющей гантелеобразную форму; на фиг. 5 - структура
0 твердой частицы, снабженная упругими нитями.
Поверхность 1 исследуемого устройства (не показано) обтекается пото
5 ком рабочей жидкости, турбулентный пограничный слой 2 которого включает ламинарный подслой 3Устройство содержит датчик 4 и yciTройл;тво 5 для измерения характеристик
0 турбулентного пограничного слоя (например для измерения касательного напряжения на стенке), датчи,к 6 и устройство 7 для измерения характеристик магнитного поля (например, ве5личины и направлен14я , устройство 8 для создания магнитного поля в турбулентном пограничном слое 2 во всем рабочем участке длиной 1 или на отдельных (любых) его частйх, управ0ляющую ЭВМ-9, устройство 10 для ввода ферромагнитных полимерных добавок.
Вводимая в поток нить 11, например из полистирола, содержит ферро5магнитные частицы 12 игольчатой формы.
Расстояние Л между соседними ферромагнитными частицами 12 в нити 11 выбирается таким, чтобы нить с одной стороны оставалась упругой (требуется относительно большая величина Д), а с другой стороны, чтобы она легко приводилась в механическое движение относительно слабым м-агнитным полем (требуется относительно малая величина Д). В зависимости от ре шаемой практической задачи выбирается какой-то оптимальный размер Д. Вводимая в поток твердая частица 13 может иметь сферическую форму (фиг. 3), гантелеобразную форму . (фиг. 4) и может быть снабжена упругими нитями 1t (фиг. 5). Твердая частица 13 содержит ферро магнитные частицы 15, которые могут быть выполнены игольчатой формы и расположены вдоль радиусов сферы или параллельно друг другу. Твердые частицы 13 могут иметь гантелеобразную форму или могут быть снабжены упруги ми нитями It, например, из того же материала, что и сама твердая частица,, Управляющая 3BM-S может также с учетом решаемой задачи изменять расход ферромагнитных полимерных добавок через устройство 10 для их ввода. Магнитное поле можно создавать таким, чтобы ферромагнитные полимерные оихри находились тЪлько в определенной части турбулентного пограничного слоя, например, в ламинарном подслое (введение, вспрыск жидкости с ферромагнитными полимерными добавками, например,.через щель в ламинарный подслой и удержание их в нем). За счет этого увеличивается эффективность управления турбулентным пограничным слоем и существенно сокращается расход полимера, что осо бенно важно в случае внешнего обтекания жидкостью тел, например судов; Вводить в полимер, например, в полиокс, ферромагнитные частицы нужно при его получении (синтезе). Полимер синтезируют в виде структурных пачек, которые содержат спрес сованные макромолекулы полимера и ферромагнитные частицы. По мере нахождения в жидкости fvl ч растворения полимера) полимер распадается на пачки, которые об ладают стабильностью. С течением вре мени (примерно от одного до трех ч;зсов)макромолекулы в пачках разбухают. Размер пачек увеличивается. причем внутри себя пачки начинают содержать жидкость - пачка превра- . щается в сферическое образование полимера. . Если затем ввести эти образования (вместе с жидкостью) в турбулентный пограничный слой, то образования из-за сдвигового течения начнут вращаться, в жидкости появятся ферромагнитные полимерные вихри. , Этому моменту (от 1 ч до 3 ч растворения полиокса в воде) как раз и cooTBeTCTsyet максимальный эффект уменьшения касательного напряжения на стенке, т.е. максимальная эффективность воздействия высокомолекулярных полимерных добавок на поток. Затем макромолекулы постепенно разрушаются, а их сферические образования разваливаются. Устройство работает следующим образом. . Для получения в турбулентном пограничном слое на рабочем участке длиной 1 не1эбхОдимых характеристик турбулентного пограничного слоя управляющая ЭВМ-9 запускает в работу устройство 5 для измерения характеристик турбулентного пограничного слоя 2, запоминает полученную инфор мацию и запускает в работу устройство 10 для ввода ферромагнитных полимерных добавок, устройство 8 для создания магнитного поля и устройство 7 для измерения характеристик магнитного поля. |1зменяя характеристики магнитного поля путем воздействия на устройство 8, управляющая ЗВМ-9 запоминает и .сравнивает по заложенной в нее программе.., информацию, полученную от устройств 5 и 7, и в результате такого сравнения снова целенаправленно изменяет характеристики магнитного поля до тех пор, пока турбулентный пограничный слой 2 на рабочем участке длиной 1 не будет обладать необходимыми характеристиками. Если ферромагнитные частицы имеют игольчатую форму, их длина должна быть меньше или порядка минимального размера сухой пачки полимера. Количество ферромагнитных частиц в пачке определяется размером используемых частиц и условием плавучести (например нулевой) макромолекул, содержащих ферромагнитные частицы. ферромагнитные частицы должны бы достаточно малы, чтобы как существе но не уменьшить упругость макромоле кул полимера, так и не увеличить дисперсность жидкости, Если ферромагнитными частицами снабжать твердые частицы, вводимые в поток, то за счет воздействия на них магнитного поля можно получить практически любое их механическое движение в потоке жидкости. Например, при наличии в потоке распределенных с заданной частотой локально-вращающихся магнитных поле Твердая частица, снабженная ф рромагнитными частицами, при движении по потоку попадает в такое вращающееся магнитное поле, начинает вращаться с заданной скоростью,затем снова перемещается по потоку и т.д. изменяя заданным образом турбулентную энергию потока. Указанные вращающиеся магнитные поля можно создавать не только локально-распредел ными с определенной частотой в пото ке жидкости, но, например, бегущими по потоку или по любым траекториямс необходимой скоростью движения, с ускорением или замедлением твердых частиц. Особенно удобно использование ни тей и сферических тел (шариков). Ни ти, например, полистироловые, при вытягивании из расплава снабжают ферромагнитными частицами игольчатой формы, например, так, что ферро магнитные частицы оказываются размещенными внутри застывшей нити на некотором расстоянии друг от друга. Если нити достаточно тонки, то (При введении в поток (за счет его сдвигаемого течения)каждая нить или несколько Нитей сворачиваются в клу бок, перемещающийся по потоку. При нулевой плавучести такие клубки (по лимерные нити) пронизывают весь поток. При наложении магнитного поля клубки деформируются (изменяют свое механическое движение). Например, можно добиться того, чтобы нити, с целью уменьшения поперечных пульсаций, полностью развернулись и вытянулись вдоль линий тока жидкости. При снабжении сферических твердых частиц ферромагнитными частицами игольчатой формы можно располагать их по радиусам сферы твердой частицы или параллельно самим себе. В первом случае лучше использовать постоянное магнитное поле, во втот ром - локально-вращающееся. При наличии локально-вращающихся полей в потоке удобно использовать ферромагнитные частицы гантелеобразной формы, поскольку тогда требуется относительно меньшее по величине магнитное поле для их вращения, осо бенно если Ферромагнитные частицы обладают остаточной намагниченностью. Магнитные поля, воздействующие на частицы, снабженные ферромагнит-, ными ча -тицами, можно создать такими, что они будут удерживать указанные частицы в определенных местах турбулентного пограничного слоя газообразной среды, (например в гелии), .i Структура твердой частицы (на фиг.5) особенно эфективна дли отбора кинетической энергии от турбулентных вихрей, имеющих примерно равный ей среднеквадратический размер. В турбулентном пограничном слое безразмерная толщина (высота) пограничного слоя -( cf , где о - толщина пограничного слоя; V - кинематический коэффициент вязкости, УЖ - Р - ПЛОТНОСТЬ жидкости; t - касательное напряжение на стенке , которое меняться от 10 до 10 . При полностью сформировавшемся течении толщина турбулентного пограничного слоя равна радиусу трубы или полувысрте канала, если жидкость течет в трубе или канале. Поскольку безразмерная толщина ламинарного подслоя t o foCcTQ-cfoV./D) где (Го - толщина ламинарного подслоя, то (Г/{Го Ю + 10 . Нити, снабженные ферромагнитными частицами, должны иметь толщину t, определяемую в зависимости от решаемой задачи из соответствия Oo/t 1 + 10 или cf/t 10 + 10 Я Например, сГо /t «.l, если решается техническая задача отрыва турбулентного пограничного слоя от твердой поверхности и, 00/t Л 10 если решается техническая задача уменьшения каса,тельного напряжения на стенке без отрыва потока. Однако устройство обладает узким диапазоном изменения ,например при больших расходах жидкости в трубах большого диаметра (Г имеют порядок,. 105. Тогда (f/t 10 П Твердые часТицы, например, сферической формы, снабженные ферромагнитными частицами, могут иметь толщину t (например, диаметр) большую, чем толщина нити, снабженной ферромагнитными частицами. Абсолютный размер твердых частиц, снабженных ферромагнитными добавками, может доходить до величины 1 мм. |1редлагаемый способ может быть использован во всех технических устройствах, в которых имеется течение турбулентного пограничного слоя жидкости и газа, например, в контурах АЭС, на кораблях, в трубопроводах для транспортировки нефти, в каналах раёличной формы, в том числе конфузорах и трубах, насосах и т.д.) и требуется изменение на отдельных участках тех нических устройств как во времени по заданному временжому закону , так и в пространстве (в заданных местах) егб динамических характеристик., например, увеличение или снижение касательного напряжения на стенке, формирование профилей средней продольной скорости и среднеквадратичных пульсаций заданной формы и величины, турбули.зация или ламинаризация потока и r.ti. Способ управления турбулентным пограничным слоем позволяет изменять заданным образом температурные (тепловые) характеристики турбулентного пограничного слоя, . Использование локально-вращающихйя магнитных поЛей приведет к интенсификации теплообмена в турбулентном пограничном слое. Применение способа в технических устройствах позволит СНИЗИТЬ энерго затраты на турбулентное трение в среднем на 5-10%, если в устройствах использовались ранее полимерные добавки без ферромагнитных частиц, и на SO-tO, если ранее использование добавок было невозможно. Формула изобретения 1. Способ управления турбулентным пограничным слоем путем введения в него присадки в виде высокомолекулярных полимерных добавок или твердых частиц, отличающий ся тем, что, с цельк повышения эффективности управления, в присадку вводят ферромагнитные частицы, на которые воздействуют магнитным полем. 2.Способ по п. 1, о т л и ч а и щ и и с я тем, что ферромагнитные частицы имеют игольчатую форму. 3.Способ по п.. 1, о т л и ч а и и с я тем, что ферромагнитные частицы имеют гантелеобразную форму. 4.Способ по пп. 1-3 о т л и чающий с-я тем, что, с целью уменьшения расхода присадки, ее удерживают магнитным полем в ламинарном подглое. 5.Способ по пп. t-, отличающийся тем, что, с целью: интенсификации теплообмена, на ферромагнитные частицы воздействуют локально-вращающимися магнитными по ля ми. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Борщевский Ю.Т. и Рудин С.Н. Управление турбулентным пограничным слоем. К., Вища школаИ, 1978, с.20А. 2.Там же, с. 248.
Фиг.$
Фш4
