Способ управления турбулентным пограничным слоем

 

ОП ИСАНИВ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕИЛЬСТВУ

Союз Советскнк

Социалистических

Респубики оп909384 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (И)М. Кл. (22) ЗаЯвлено 14. 03. 80 (21) 2906801/25-06 с присоединениект заявки йеF 15 D, 1/06

9кударствва Н коттет

СССР ао делан изобретений н открытки (23) Приоритет (53) УДК 532.526 (088. 8) Опубликовано 28.02.82 Бюллетень РВ 8

Дата опубликования описания 28в02.82 (72) Авторы изобретения

В.Ф.Потемкин и Г.А.Дрейцер

Носковскид ордена данина авиационНый кисти тут им. Серго Орджоникидзе (7l ) Заявитель (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОМ ПОГРАНИЧНЫИ

СЛОЕМ

Изобретение относится к управлению турбулентным пограничным слоем (т;е. целенаправленного изменения его динамических характеристик, например, ка сательного напряжения на твердой поверхности) и может быть использовано. в гидравлике, включая как внутреннее, так и внешнее обтекание жидкостью твердых тел, реологии и аэродинамике., у10

Известен способ управления турбу-

\ лентным пограничным слоем, заключающийся в массообмене турбулентного пограничного слоя с граничной поверхностью путем вдува (например, с це1$ лью охлаждения поверхности) или отсоса (например, с целью предотвращения отрыва пограничного слоя), в применении упругодеформируемой граничной поверхности (например, с целью

20 снижения сопротивления) (lj.

Известен также способ управления турбулентным пограничным слоем путем введения в него присадки, выполнен2 ной в виде высокомолекулярных полимерных добавок или твердых частиц 2).

Однако твердые частицы при введе" нии в турбулентный пограничный слой изменяют его Динамические характеристики, например, уменьшают при определенных условиях касательное напря жение на стенке. Эти изменения 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 полимерHblx добавок (например, гуаровой смолы (природного полисахарида), окиси полиэтилена, полиокса, полиакриламида и т.д.) " эффективный способ управления турбулентным пограничным слоем, поскольку, например, при весовой концентрации гуаровой смолы в ,растворе воды 10 касательное нап9093 ряжение на твердой поверхности (стен ке) уменьшается почти вдвое по сравнению с течением вдоль той же стенки чистой воды.

Сферические образования макромолекул полимера (полимерные вихри) взаимодействуют с жидкостью и турбулентными вихрями турбулентного пограничного слоя так, что скорости деформации и вращения полимерных вих- 10 рей отличаются от соответствующих скоростей потока, вследствие чего течение жидкости затрудняется, ламинарный подслой утолщается, а касательное напряжение на стенке уменьшается.

При взаимодействии с турбулентными вихрями, например, путем проникновения в них,полимерные вихри поглощают часть кинетической энергии турбулентных вихрей, а затем выделяют ее в виде упругих сдвиговых волн, которые быстро разрушаются s потоке жидкости.

В силу этого полимерные вихри пре- 15 пятствуют образованию турбулентных вихрей, движущихся вдоль потока и имеющих примерно одинаковые среднеквадратичные размеры с полимерными вихрями, что также уменьшает турбулентную энергию потока.

Гидродинамическое воздействие высокомолекулярных полимерных добавок (полимера) на турбулентный пограничный слой зависит от их молекулярно35 го веса, технологии производства, линейности 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

45 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).

8ч ф

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

R < R<>, так как кроме всего, эффект влияния полимера на турбулентный пограниччый слой начинается не с критического числа Рейнольдса Rp (Rp соКр кР ответствует переходу ламинарного пог раничного слоя в турбулентный), а с какого-то другого порогового числа ,R, которое больше Б п К

К недостатку способа можно отнести также то, что его используют только в жидких средах (воде, бензоле, керасине, нефти и т.д,), использова" ние же в газообразных средах (воздухе, 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, диспро" зия или их сплавов и окислов, а так" же 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 дополнительно 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, скрещен09384

f0 i5

5 9 ного бегущего и т.п.) приобретут ско рости 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 постоянного магнитного поля необходимо направить вдоль линии тока жидкости.

В этом случае в ламинарном по@слое скорость вращения ферромагнитных вихрей будет более отличаться от локальной усредненной скорости вращения потока по сравнению с отличи" ем от указанной скорости вращения полимерных вихрей, не содержащих ферромагнитных частиц. булентного пограничного слоя (напри" мер, касательное напряжение на стенке),так и характеристики (например, величину и направление) магнитного поля, воздействующего на ферромагнитные частицы.

Затем (или одновременно) вводят полученную информацию для обработки в электронно-вычислительную машину (ЭВИ), предназначенную для обработки экспериментальных данных, осуществляющую связь с устройством, со3дающим магнитное поле. При этом характеристики (например, величина и направление) магнитного поля меняются (ищутся) до тех пор, пока не будет достигнуто необходимое измене=

we динамических характеристик турбулентного пограничного слоя, напри" мер, снижение касательного напряжения на стенке до минимального значе" ния, На фиг. 1 изображена структура

При таком же наложении магнитного, 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 доба" вок зависит от большого числа корре" лирующих между собой факторов (например, от типа полимера, технологии его изготовления, граничных условий течений, свойств Ферромагнитных час тиц и т.д.), то необходимые углы .между линиями магнитного поля и ли" ниями тока жидкости в зависимости от решаемой задачи (например, для уменьшения касательного напряжения, на стенке) теоретически можно определить только весьма приближенно.

Поэтому на участке технического устройства (например, на отрезке трубы), в котором осуществляют управление турбулентным пограничным слоем путем введения в него высоко" молекулярных полимерных добавок, снабженных ферромагнитными частицами, измеряют как подлежащие измене" нию динамические характеристики тур" устройства для реализации. способа;

25 на фиг, 2 - возможная структура по30

S5 лимерной 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 твердой частицы, снабженная упругими нитями.

Поверхность 1 исследуемого Уст ройства (не показано) обтекается потоком рабочей жидкости, турбулентный пограничный слой 2 которого включает ламинарный подслой 3.

Устройство содержит датчик 4 и устройство 5 для измерения характеристик турбулентного пограничного слоя (например для измерения касательного напряжения на стенке), датчик 6 и устройство 7 для измерения характеристик магнитного поля (например, величины и направления, устройство 8 для создания магнитного поля в турбулентном пограничном слое 2 во всем рабочем участке длиной 1 или на отдельных (любых) его частях, управляющую ЭВМ-9, устройство 1О для ввода ферромагнитных полимерных добавок.

Вводимая в поток нить 11, например из полистирола, содержит ферромагнитные частицы 12 игольчатой формы.

Расстояние и между соседними ферромагнитными частицами 12 в нити 11

7 909384 8 чтобы нить с одной причем внутри себя пачки начинают упругой (требует- содержать жидкость - пачка превральшая величина Ь), щается s сферическое образование почтобы она легко . лимера.. ническое движе- s Если затем ввести эти образовалабым магнитным ния (вместе с жидкостью) в турбуленттносительно малая ный пограничный слой, то образования висимости от ре" из-за сдвигового течения начнут вра" и задачи выбирает- .щаться, в жидкости появятся феррольный размер 6 . . 1о магнитные полимерные вихри, к твердая иастица : Этому моменту (от 1 ч до 3 ч рическую форму "растворения" полиокса в воде) как бразную форму . раз и соответствует максимальный эфыть снабжена упру- фект уменьшения касательного напряг, 5). 15 жения на стенке, т.е. максимальная

13 содержит ферро- эффективность воздействия высокома"

15, которые могут лекулярных полимерных добавок на поьчатой формы и ток. адиусов сферы или Затем макромолекулы постепенно угу. Твердые час- 20 разрушаются, а их сферические обрагантелеобразную зования разваливаются. ь снабжены упруги- Устройство работает следующим обмер, из того же разом. ма твердая части- Для получения в турбулентном пог"

2з раничном слое на рабочем участке

9 может также с длиной 1 необходимых характеристик ачи изменять рас- турбулентного пограничного слоя упполимерных доба- равляющая ЭВИ-9 запускает в работу о 10 для их вво- устройство 5 для измерения характера ристик турбулентного пограничного ажно создавать слоя 2, запоминает полученную инфорагнитные полимер- мацию и запускает в работу устройст" . ь только в опре- во 10 для ввода ферромагнитных полиулентного погра мерных добавок, устройство 8 для мер ламинар З5 создания магнитного поля и устройст" ие вспрыск жид во 7 для измерения характеристик.магными полимерны- нитного поля.

Изменяя характеристики магнитного поля путем воздействия на устройство го увеличивается го УвеличиваетсЯ 40 8, управляющая ЭВЯ-9 запоминает и ,сравнивает по заложенной в нее прог" рамме, информацию, полученную от уст.ройств 5 и 7, и в результате такого сравнения снова целенаправленно изе внешнего обтеменяет характеристики магнитного поля до тех пор, пока турбулентный пограничный слой 2 на рабочем участке длиной ) не будет обладать необходимыми характеристиками. выбирается таким, стороны оставалась ся относительно оо а с другой стороны приводилась в меха ние относительно с полем (требуется о величина Ь ). В за шаемой практическо ся какой-то оптима

Вводимая в пото

l3 может иметь сфе (Фиг. 3), гантелео (Фиг. 4) и может б гимн нитями 14 (фи

Твердая частица магнитные частицы быть выполнены игол расположены вдоль р параллельно друг др тицы 13 могут иметь

Форму или могут быт сли нитял и 14, напри иатериала, что и са ца.

Управляющая 3BM" учетом решаемой зад ход ферромагнитных вок через устройств да.

Иагнитное поле м таким, чтобы Ферром ные вихри находилис деленной части турб ничного слоя, напри ном подслое (введен кости с ферромагнит ми добавками, напри в ламинарный подсло в нем). За счет это эффективность управ ныл по г рани чньил сло сокращается расход бенно важно в случа кания жидкостью тел

Вводить в полиме полиокс, ферромагни но при его получении полимер синтезиру турных пачек, которые содержат спрессованные макромолекулы полимера и

Ферромагнитные частицы.

l1o мере нахождения в жидкости (l ч "растворения" полимера) полимер распадается на пачки, которые обладают стабильностью. С течением вре- мени (примерно от одного до трех насов)макромолекулы в пачках разбухаюг. Размер пачек увеличивается, Если ферромагнитные частицы имеют игольчатую Форму, их длина должна быть .меньше или порядка минимально" го размера сухой пачки полимера.

Количество ферромагнитных частиц в пачке определяется размером используемых частиц и условием плавучести (например нулевой) макромолекул, содержащих ферромагнитные частицы.

384 10 постоянное магнитное поле, во вто 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 Феоромагнитные 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 тур" булентного пограничного слоя газообразной среды, (например в гелии).

Структура твердой частицы (на фиг.5) особенно эфективна для отбора кине,тической энергии от турбулентных вих.рей, имеющих примерно равный ей среднеквадратический размер.

В турбулентном пограничном слое безразмерная толщина (высота) пограничного слояУ4(ф = д бж/И, где д " толщина пограничного слоя; 9 - кинематический коэффициент вязкости

9 909

Ферромагнитные частицы должны быть достаточно малы, чтобы как существенно не уменьшить упругость макромолекул полимера, так и не увеличить дисперсность жидкости. 5

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 полей твердая частица, снабженная ферроиагнитными частицами, при движении по потоку попадает в такое вращающееся магнитное поле, начинает вращаться с заданной скоростью, затеи снова перемещается по потоку и т.д., изменяя заданным образом турбулентную энергию потока. Указанные вращающиеся магнитные поля можно создавать не только локально-распределенными с определенной частотой в потоке жидкости, но, например, бегущими по потоку или по любым траекториямс необходимой скоростью движения, с ускорением или замедлением твердых частиц. эо

Особенно удобно использование нитей и сферических тел (шариков). Нити, например, полистироловые, при вытягивании из расплава снабжают ферромагнитными частицами игольча- 55 той формы, например, так, что ферро" магнитные частицы оказываются раз мещенными внутри застывшей нити на некотором расстоянии друг от друга.

Если нити достаточно тонки, то 4п ,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 (полимерные нити) пронизывают весь поф5 ток. 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 частица" ми игольчатой формы можно располагать их по радиусам сферы твердой частицы или параллельно самим себе.

В первом случае лучше использовать

"ж.=.. Ь /Р плотйость жидкости; 1:„, — касательное напряжение на стенке, которое может меняться от 10 . до 10 .

При полностью сформировавшемся течении толщина турбулентного пограничного слоя равна радиусу трубы или полувысоте канала,. если жидкость течет в трубе или канале.

Поскольку безразмерная толщина ламинарного подслоя о "О (цо = 0 к Ж

Где (j p толщина лами нарного под слоя, то К/d<= 10 + 10

Нити, снабженные ферромагнитными частицами, должны иметь толщину t, определяемую в зависимости от решаемой задачи из соответствия do

1 + 10 или д /t = 10 + 10 . Например, Дв /t л I, если решается техническая задача отрыва турбулентного пограничного слоя от твердой поверхности и, ф/t 10, если решается

3 техническая задача уменьшения касательного напряжения на стенке без отрыва потока, 12

Применение способа в технических устройствах позволит снизить энерго затраты на турбулентное трение в среднем на 5-103, если в устройст5 вах использовались ранее полимерные добавки без ферромагнитных частиц, и на 30-40"6, если ранее использованйе добавок было невозможно. формула изобретения

11 909384

Однако устройство обладает узким диапазоном изменения, например при больших расходах .жидкости в трубах большого диаметра О имеют порядок

1О + 10 . Тогда д /t = 10 1 + 10

Твердые частицы, например, сфе" рической формы, снабженные ферромаг нитными частицами, могут иметь толщину t (например, диаметр) большую, чем толщина нити, снабженной ферро- 1Ц магнитными частицами.

Абсолютный размер твердых частиц, снабженных ферромагнитными добавками, может доходить до величины 1 мм. д

Предлагаемый 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 различной формы, в том числе конфузорах и трубах, насосах и т.д.) и требуется изменение на отдельных участках тех †: 2S нических устройств как во времени по" заданному временному закону, так и в пространстве (a заданных местах) его 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 т,й.

Способ управления турбулентным пограничным слоем позволяет изменять заданным образом температурные (теп" ловые) характеристики турбулентного пограничного слоя.

Использование локально-вращающихся магнитных полей приведет к интенсифйкации теплообмена в турбулентном пограничном слое.

1. Способ управления турбулентным пограничным слоем путем введения в него присадки в виде высокомолекуляр- ных полимерных добавок или твердых частиц, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности управления, в присадку вводят ферромагнитные частицы, на которые воздействуют магнитным полем.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а в шийся тем, что ферромагнитные частицы имеют игольчатую форму.

3. Способ по и., 1, о т л и ч а юшийся тем, что ферромагнитные частицы имеют гантелеобразную форму.

4. Способ по пп. 1-3, о т л ич а ю щ и и с.я тем, что, с целью уменьшения расхода присадки, ее удерживают магнитным полем в ламинарном подглое.

5.Способ по пп. 1-4, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью интенсификации теплообмена, на ферромагнитные частицы воздействуют локально-вращающимися магнитными полями.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Борщевский 10.Т. и Рудин С.Н.

Управление турбулентным пограничным слоем. К., нВища школан, 1Я8, с.204.

2. Там же, с. 248.

909384

Составитель А.Теверовский

Редактор E.Ëóøíèêoâà Техред A.Äö Корректор E.Рошко

Заказ 859/57 Тираж 730 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

° Ф

Филиал ППП "Патент", r, Ужгород, ул. Проектная, 4