Способ снижения гидродинамического трения обшивки корпуса судна

 

Изобретение относится к гидродинамике судов, судостроению и касается снижения сопротивления трения корпуса судна путем управления турбулентным пограничным слоем на обшивке корпуса судна. Способ снижения гидродинамического трения обшивки корпуса судна состоит в подаче водного раствора полимерных добавок в турбулентный пограничный слой жидкости, обтекающей корпус судна. Высококонцентрированный исходный продукт полимера, например пасту, вводят дозатором в предлопастную зону насоса системы подачи полимерного раствора, дистрибьютируют лопастной системой насоса полимерные частицы, раздвигая и дробя продукт взаимодействия пасты с жидкостью, интенсифицируя процесс растворения. При реализации способа формируют трубопроводами и щелевыми камерами трехщелевую систему прокачки забортной жидкости, засасывая забортную жидкость насосной системой в зоне вниз или вверх по потоку от щели подачи водного раствора полимерных добавок. Для реализации способа воду подают напором другого насоса в пограничный слой судна через наклонную к плоскости обшивки щель, снесенную вниз по потоку относительно щели подачи водного раствора добавок. Технический результат реализации изобретения заключается в повышении экономичности эксплуатации судов и подводных аппаратов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области гидродинамики, в частности к вопросам управления турбулентным пограничным слоем, и может быть использовано для уменьшения сопротивления трения корпуса судна или подводного аппарата (ПА), движущихся в жидкости, обеспечения пониженных энергозатрат и решения других сопутствующих задач ходкости.

Известен в гидродинамике способ Желтухина-Жестовского образования гомогенной газоводяной смеси высокой концентрации, который включает засасывание атмосферного воздуха в зону засасывания насоса гидродинамической трубы и последующее дробление воздуха насосом в лопастной зоне системы прокачки рабочей жидкости. Способ апробирован авторами в 1975 г. и планировался для использования по обоснованию способов и средств уменьшения гидродинамического трения ПА. Устройство (Гидродинамическая труба) защищено авторским свидетельством 521489, 1976 г.

Используются в родственных областях способы, включающие дробление различных добавок и включений. Так в пожарной технике используется подача пенообразователя пожарным насосом автомобиля через стационарный пеносмеситель ПС-5, при наличии водоисточника у места пожара (см. Пожарная техника / Под ред. А. Ф. Иванова, 4.2. Пожарные автомобили. М.: Стройиздат, 1988, с.94). Образованная по данному способу пена представляет собой ячеисто-пленочную дисперсную систему с упругими стенками. Концентрированная эмульсия содержит не менее 75% газа и препятствует поступлению в зону горения горючих паров и газов, в результате чего горение прекращается.

Известен в гидромеханике эффект Томса уменьшения гидродинамического трения поверхности при турбулентном течении в водных растворах полимерных добавок и достоверные доказательства эффекта для внутренней задачи - течение в трубах и лотках (см., например, Иванюта Ю.Ф., Чекалова Л.А. Экспериментальные исследования турбулентного течения в трубе слабых растворов полимеров).

Известен способ снижения гидродинамического трения обшивки корпуса судна, который включает подачу раствора полимерных добавок (раствора ПД) в напорную линию системы подачи водного раствора ПД, дорастворение водного раствора в камерах дорастворения и последуещее введение (подачу) напором насосной системы подачи готового раствора заданной концентрации ПД через наклонную щель в турбулентный пограничный слой на поверхность обшивки корпуса судна (см. Справочник по теории корабля. В 3-х томах / Под ред. Войткунского Я.И., т.1, раздел 2, 12, с.265-268 и рис.11.65). Данный способ принят за прототип и часто является тестовым для оценки эффекта снижения сопротивления на телах различной геометрии.

Основным недостатком как способа-прототипа, так и других известных способов снижения сопротивления, основанных на эффекте Томса, является его относительно низкая эффективность при решении внешней задачи обтекания поверхностей. Это объясняется как сложностью кинетики и математического описания процессов, лежащих в основе известного уже почти 50 лет аномального гидродинамического явления, так и полуэмпирикой гидродинамики и сложностью согласования параметров многопараметрической системы реализации эффекта в натурных условиях. Отметим для ясности, что задача повышения эффективности данного способа является комплексной.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе снижения гидродинамического трения обшивки судна путем подачи водного раствора полимерных добавок в турбулентный пограничный слой жидкости, обтекающей корпус судна, дополнительно высококонцентрированный исходный продукт полимера, например пасту ПД вводят дозатором в предлопастную зону насоса системы подачи раствора ПД, дистрибутируют лопастной системой насоса полимерные частицы, раздвигая и дробя комковатый продукт взаимодействия пасты с жидкостью, интенсифицируя процесс растворения и дорастворения, формируют трубопроводами и щелевыми камерами трехщелевую систему прокачки забортной жидкости, засасывая забортную жидкость насосной системой прокачки в зоне вниз или вверх по потоку от щели подачи водного раствора ПД, а подавая напором другого насоса в пограничный слой судна через наклонную к плоскости обшивки щель, снесенную вниз по потоку относительно щели подачи раствора ПД. Кроме того, регулируют дозатором расход пасты пропорционально скорости судна и заданной весовой концентрации готового водного раствора ПД с надбавкой на 30÷50% или более.

Ведение операций по предложенному способу и гидродинамическая картина процесса снижения сопротивления отличаются от прототипа. Так операция дистрибутации, как показали стендовые испытания, проведенные авторами в 1994 г. , дает возможность уменьшить энергозатраты в предложенном способе по сравнению с прототипом, что доказано натурными испытаниями опытного образца для решения внутреннего течения жидкости. Формирование указанной системы прокачки, как показали теоретические и модельные испытания, позволяют построить квазиоптимальную по указанным параметрам регулирования систему, что в совокупности и обеспечивает положительный эффект.

Авторами с 1993 г. проведены работы по созданию математической модели явления по заявленному способу, серия модельных и лабораторно-стендовых испытаний 1994-95 г.г., достоверно подтверждающих, что дополнительный эффект способа по сравнению с прототипом составляет 30% и более. Отметим для ясности, что регулирование ведут пропорционально скорости, измеряемой штатным ЛАГом судна, а заданную концентрацию увеличивают на 30-50% в рационально спроектированных системах прокачки, так что при неблагоприятных условиях течения дополнительный расход исходного продукта может быть и больше, а к основным факторам, определяющим эффективность способа, относятся: местные числа Rе, характерные толщины погранслоев и распределений концентраций, геометрия лопастной системы и элементов системы подачи, характеристики исходного продукта ПД и системы ввода раствора ПД, место и форма заборной щели, распределение давления по корпусу судна и др.

Реализация заявленного способа иллюстрируется принципиальной схемой, представленной на чертеже.

В обшивке 1 корпуса судна выполнены щелевые камеры 2, 3 и 4. Совместно со щелями 5, 6 и 7, насосами 8 и 9, трубопроводами 10, 11, 12, 13 они представляют собой сформированную систему прокачки забортной жидкости, которая должна отвечать заданным критериям. Насосная система приводится в заданное движение регулируемым приводом 14. Дозатор 15 связан информационно-измерительным каналом с ЛАГом судна, линиями 16 и 17 - с напорной линией и предлопастной зоной насоса 8. В полости 18 дозатора 15 находится исходный продукт - концентрированная паста типа WSR.

При движении судна на обшивке 1 его корпуса образуется пограничный слой жидкости (см. эпюру на чертеже) с характерными параметрами и профилем скорости . При запуске насосов 8 и 9 системы прокачки приводом 14 обеспечивают расчетный режим работы системы прокачки забортной жидкости. Засасывают насосами 8 и 9 через щель 7 забортную воду и через щелевую камеру 4 и линию 13 с регулятором подают чистую воду насосом 9 в напорную линию 10, прокачивая ее через щелевую камеру 3, и вводят воду напором насоса 9 в пограничный слой через щель 6, формируя "подстилку" на обшивке корпуса судна. Дозатором 15 по линии 17 вводят в предлопастную зону насоса 8 из полости 18 исходный продукт ПД, например пасту высокомолекулярного полимера типа WSR, дистрибутируют лопастной системой насоса 8 частицы полимера, раздвигая и дробя комковатый продукт - гель высокой концентрации, интенсифицируя процесс приготовления раствора ПД заданной концентрации. Подают раствор ПД напором насоса 8 по трубопроводу 11 в шелевую камеру 2 и, через наклонную к плоскости обшивки 1 щель 5 в турбулентный пограничный слой жидкости. Взаимодействие раствора ПД, "подстилки" и турбулентного пограничного слоя по данным теоретической модели течения, в совокупности с указанными выше операциями обеспечивает снижение гидродинамического трения обшивки корпуса судна. Регулирование системы снижения сопротивления может осуществляться как в ручном режиме оператором, так и автоматически регулятором.

Предварительная оценка эффективности заявленного технического решения проведена авторами с учетом массогабаритных и энергетических характеристик типовых элементов и схем. По сравнению с прототипом предложенный способ позволяет вплотную приблизиться к кривой Вирка, обеспечив снижение (относительно чистой жидкости) гидродинамического трения на 60%. Достоверность прогноза подтверждена буксировочными испытаниями модели для внешней задачи и натурными испытаниями для внутренней задачи (течение в трубе) при проведении плановых работ.

Планируется конструктивная привязка способа для макетного варианта типового образца и его последующие испытания.

Формула изобретения

1. Способ снижения гидродинамического трения обшивки корпуса судна путем подачи водного раствора полимерных добавок в турбулентный пограничный слой жидкости, обтекающей корпус судна, отличающийся тем, что высококонцентрированный исходный продукт полимера, например пасту, вводят дозатором в предлопастную зону насоса системы подачи полимерного раствора, дистрибьютируют лопастной системой насоса полимерные частицы, раздвигая и дробя продукт взаимодействия пасты с жидкостью, интенсифицируя процесс растворения, формируют трубопроводами и щелевыми камерами трехщелевую систему прокачки забортной жидкости, засасывая забортную жидкость насосной системой в зоне вниз или вверх по потоку от щели подачи водного раствора полимерных добавок, подавая напором другого насоса в пограничный слой судна через наклонную к плоскости обшивки щель, снесенную вниз по потоку относительно щели подачи водного раствора добавок.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулируют дозатором расход пасты пропорционально скорости судна и заданной весовой концентрации полимера с надбавкой на 30-50% или более.

РИСУНКИ

Рисунок 1