DE60103160T2

DE60103160T2 - Verfahren und vorichtung zur steigerung der effizienz von techniken zur beeinflussung von mehrfach-grenzschichten

Info

Publication number: DE60103160T2
Application number: DE60103160T
Authority: DE
Inventors: J. Kenneth MOORE; D. Thomas RYAN; Vladimir A. Gorban; Victor V. Babenko
Original assignee: Cortana Corp
Current assignee: Cortana Corp
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2021-07-18
Also published as: CA2416784A1; PT1305205E; RU2271960C2; RU2002133664A; CA2416784C; KR100520331B1; UA72817C2; KR20030029787A; WO2002008051A3; TR200401956T4; EP1305205B1; WO2002008051A2; US6357374B1; JP2004533358A; NO335003B1; EP1305205A2; NO20030293D0; JP4044840B2; DK1305205T3; ATE265957T1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf ein wesentlich effizienteres Verfahren und auf eine wesentlich effizientere Vorrichtung zum Reduzieren des Widerstands von Platten oder Schiffen, die sich relativ zu einem Fluid bewegen, sowie der inneren Strömungen wie etwa Flüssigkeiten, die sich durch Meerwasserstrahl-Antriebseinrichtungen bewegen. Die Erfindung kann verwendet werden, um Additive in spezifische Bereiche der Grenzschicht auszustoßen, um die rheologischen Eigenschaften des Fluids ohne das unerwünschte Zerreißen der Grenzschicht und ohne die schnelle Diffusion des Additivs über die Grenzschicht, die herkömmlichen Ausstoßtechniken inhärent ist, zu ändern.
Stand der Technik
In der Vergangenheit war die Wirksamkeit und Effizienz der Widerstandsreduzierung, die durch den Ausstoß nicht-Newtonscher Additive in "äußere" turbolente Grenzschichtströmungen erhalten wurde, im Verhältnis zu der Wirksamkeit und Effizienz, die in "inneren" oder Rohrströmungen beobachtet wurde, begrenzt. In turbulenten Rohrströmungen mit hoher Reynolds-Zahl wurde eine Reduzierung des Reibungswiderstands von 70 bis 80 Prozent beobachtet, während die maximal beobachtete Reduzierung des Reibungswiderstands für den Ausstoß in turbulente Strömungen mit hoher Reynolds-Zahl über eine ebene Platte lediglich etwa 40 bis 60 Prozent betrug. Ferner begrenzen die hohen Additiv-Verbrauchsraten, die für äußere Grenzschichten beobachtet werden, den wirtschaftlichen Nutzen der Implementierung von Additivsystemen in einem Meerestransportfahrzeug. Die Ausstoßtechniken zum Einführen von Additiven in äußere Strömungen haben außerdem eine Unstetigkeit und in einigen Fällen unvorteilhafte Viskositätsgradienten in die Grenzschicht eingeführt, so dass die Nachteile im Zusammenhang mit dem Ausstoßprozess zu einem stark verringerten Gesamtnutzen führten. Es wird ein effizienteres Verfahren zum Einführen von Additiven in den wandnahen Bereich der Grenzschicht für die Widerstandsreduzierung benötigt.
Im Stand der Technik waren Fortschritte auf die Beimischung von Additiven oder auf die Blasenerzeugung gerichtet, während der Ausstoßeinrichtung selbst wenig Aufmerksamkeit gewidmet wurde. Das US-Patent Nr. 4.186.679 an Fabula u. a. (erteilt am 5. Februar 1980) ist repräsentativ für die geringe Aufmerksamkeit, die dem Ausstoßsystem selbst gewidmet wurde. In diesem Fall ist die Ausstoßeinrichtung als "mehrere nach hinten geneigte Ausstoßöffnungen" identifiziert. Ähnlich liegt der Schwerpunkt im US-Patent Nr. 4.987.844 an Nadolink (erteilt am 29. Januar 1991) auf Verfahren und Vorrichtungen zum passiven Pumpen von Lösungsmittel zum Beimischen mehrerer Additive oder Suspensionen und zum Richten des Gemischs auf den Ort des minimalen Druckkoeffizienten für den Ausstoß. Die Ausstoßvorrichtung ist lediglich als eine von vielen Optionen, genauer "entweder ein Sieb, ein Gitter, ein poröses Medium, ein durchlochtes Material, Bohrlöcher mit spezifischer Geometrie, ein Umfangsschlitz usw.", identifiziert, wobei "andere Formen der Ausstoßvorrichtung ... verwendet werden können, um das Ergebnis der vorliegenden Erfindung zu erreichen". Im US-Patent Nr. 5.445.095 von Reed u. a. (erteilt am 29. August 1995) werden Längs-Riblets mit dem Polymerausstoß kombiniert, um die Diffusionsrate des Polymers voraussagbar zu steuern. Allerdings wurde die maximale Entfernung auf der Auslassseite, bei der das Material vollständig von den Riblets weg diffundiert war, als etwa 400 Riblet-Breiten identifiziert, was für ein Meeresfahrzeug in der Größenordnung von Zentimetern skaliert, während gezeigt worden ist, dass die Diffusionsentfernung für die vorliegende Erfindung in der Größenordnung von einigen zehn Metern liegt. Wie bei den anderen Erfindungen ist keine spezifische Ausstoßtechnik identifiziert worden; es werden lediglich eine Reihe "möglicher" Verfahren aufgeführt. In den japanischen offen gelegten Patentanmeldungen 09 151913 bzw. 09 151914 von Mitsutake Hideo und Yoshida Yuki, beide veröffentlicht am 29.11.95, werden Luftbasen längs der Unterwasseroberfläche eines Schiffs verteilt, um den Widerstand zu reduzieren. In der ersten offen gelegten Patentanmeldung sind die Ausstoßeinrichtungen einfach gerade Röhren, eine für Luftblasen und eine auf der Einlassseite für eine Flüssigkeit. Der behauptete Zweck der Ausstoßeinrichtung "hoher kinetischer Energie" auf der Einlassseite ist es, die Luftblasen von der Ausstoßeinrichtung auf der Auslassseite auf der Innenseite der Grenzschicht in der Nähe der Unterwasseroberfläche mitzureißen. Die zweite offen gelegte Patentanmeldung trägt den Titel "Microbubble Generator", wobei jedoch eine Hauptkomponente ein rückwärts (einlassseitig) geneigter biegsamer Blasengenerator mit einem sinusförmigen Fluidweg ist. Die Ausstoßöffnung ist der Auslass des Blasengenerators, der auf der Einlassseite gegen die Strömung zeigt. Die Wirkungen hinsichtlich des Ausstoßens von Additiven gegen die Strömung oder Zerreißen der aufgebauten Grenzschicht mit einem hochenergetischen Wandstrahl werden nicht behandelt.
Eine klassische Diskussion der Grenzschichttheorie einschließlich der Formulierung der Navier-Stokes-Gleichungen und der Gleichungen für eine turbulente Grenzschicht wird gegeben in Boundary-Layer Theory von Dr. Hermann Schlichting, veröffentlicht von McGraw Hill, New York, siebente Auflage, 1979. Eine Diskussion der Strukturen und Maßstäbe in turbulenten Strömungen ist zu finden in Turbulence, 1975, McGraw Hill, verfasst von J. 0. Hinze, und in "Coherent Motions in the Turbulent Boundary Layer", in Annual Review of Fluid Mechanics, 1991, Band 23, S. 601 bis 639, verfasst von Steven K. Robinson. Das Potential verdünnter wässriger Lösungen von Polymermolekülen mit langen Ketten, den Widerstand zu reduzieren, jetzt als der Toms-Effekt bekannt, wurde auf dem Ersten Internationalen Kongress über Rheologie in Amsterdam, 1948, von B. A. Toms eingeführt und im Tagungsbericht dieser Konferenz veröffentlicht. P. S. Virk u. a. führten das Konzept der Widerstandsreduzierungsgrenzwerte bei Polymerlösungen in turbulenten Rohrströmungen in einer Abhandlung mit dem Titel "The Ultimate Asymptote and Mean Flow Structures in Toms' Phenomenon", veröffentlicht im ASME Journal of Applied Mechanics, 37, S. 488 bis 493, 1970, ein. Virk u. a. brachten den Pegel der Widerstandsreduzierung mit einer Zunahme der Dicke der Pufferzone in Beziehung, die ihrerseits durch den Rohrdurchmesser begrenzt war. Für äußere Strömungen wird keine solche physikalische Beschränkung gestellt. Allerdings erhielten D. T. Walker, sein Professor W. G. Tiederman und sein Kollege T. S. Luchnik in einer Abhandlung mit dem Titel "Optimization of the ejection process for drag-reducing additives", der in Experiments in Fluids, 4, S. 114 bis 120, 1986, veröffentlicht wurde, Widerstandsreduzierungsgrenzwerte für den Schlitzausstoß in einer Kanalströmung, die 20 bis 40 Prozent kleiner als die maximale in Rohrströmungen beobachtete Widerstandsreduzierung waren. Diese Beobachtungen wurden von anderen wie etwa Yu. F. Ivanyuta und A. A. Khomyakov in ihrem Artikel über "Investigation of Drag Reduction Effectiveness with Ejection of Viscoelastic Polymer Solutions", der in den Proceedings of the International Shipbuilding Conference, KRSI, Oktober 1994, St. Petersburg, S. 163 bis 170, in Russisch, veröffentlicht wurde, bestätigt.
Während sich verdünnte Polymerlösungen in laminaren Strömungen als Newtonsche Fluide verhalten, weisen A. Gyr und H. W. Bewersdorff in ihrem Lehrbuch Drag Reduction of Turbulent Flows by Additives, Kluwer Academic Publishers, 1995, darauf hin, dass Polymerlösungen in bestimmten laminaren Strömungen wie etwa laminaren Kontraktionsströmungen ein nicht-Newtonsches Verhalten zeigen. Die angeführte Hypothese ist, dass die langen Moleküle des Additivs in einer solchen Strömung wie in einer turbulenten Strömung gestreckt (abgerollt und verlängert) und auf die Strömung ausgerichtet werden, was notwendige Bedingungen dafür sind, dass die Lösung ein nicht-Newtonsches Verhalten zeigt. V. G. Pogrebnyak, Y. F. Ivanyuta und S. Y. Frenbel definieren in ihrer Abhandlung "The Structure of the Hydrodynamic Field and Directions of the Molecular Slope of Flexible Polymers under Free-Converging Flow Conditions", in Russisch veröffentlicht in Polymer Science USSR, Bd. 34, Nr. 3, 1992, die Bedingungen, unter denen die Polymermoleküle abgerollt, ausgerichtet und ausreichend gestreckt werden können, um bei der Widerstandsreduzierung wirksam zu werden.
Experimente von C. S. Wells und J. G. Spangler, die in ihrer Abhandlung "Injection of a Drag-reducing Fluid into Turbulent Pipe Flow of a Newtonian Fluid", veröffentlicht in The Physics of Fluids, Bd. 10, Nr. 9, S. 1890 bis 1894, September 1967, beschrieben sind, von M. M. Reischman und W. G. Tiederman, die in einem Artikel "Laser-Doppler Anemometer Measurements in Drag-reducing Channel Flows", veröffentlicht in Journal of Fluid Mechanics, Bd. 70, Teil 2, S. 360 bis 392, 1975, beschrieben sind, und von W. D. McCombs und L. H. Rabie in "Local Drag Reduction Due to Injection of Polymer Solutions into Turbulent Flow in a Pipe", Teil I und II, veröffentlicht im AIChE Journal, Bd. 28, Nr. 4, S. 547 bis 565, im Juli 1982, haben deutlich nachgewiesen, dass Polymeradditive den Widerstand reduzieren können, wenn sie in dem wandnahen Bereich der turbulenten Grenzschicht sind, der als die Pufferzone bekannt ist. In den im Folgenden als y⁺ bezeichneten viskosen Wandeinheiten, die Längenwerte sind, die mit der Reibungsgeschwindigkeit und mit der kinematischer Viskosität dimensionslos gemacht wurden, lag der Bereich zwischen etwa 20 und 100 viskosen Wandeinheiten von der Wand. Es ist angemerkt worden, dass die Pufferzone bei hohen Pegeln der Widerstandsreduzierung verdickt wird und sich bis zu mehreren hundert viskosen Wandeinheiten hinaus erstrecken kann. Wenn der Polymer auf den Bereich beschränkt war, wo viskose Scherspannungen gegenüber Reynolds-Spannungen dominieren, d. h. innerhalb von etwa 12 viskosen Wandeinheiten, wurden keine Widerstandsreduzierung oder verwandte Effekte beobachtet. Die in der Literatur verwendete Übereinkunft ist ein y⁺-Wert von 11,6. Wie von vielen einschließlich A. A. Fontaine, H. L. Petrie und T. A. Brungart in ihrer Abhandlung "Velocity Profile Statistics in a Turbulent Boundary Layer with Soft-Injected Polymer", veröffentlicht im J. Fluid Mechanics. Bd. 238, S. 435 bis 466, 1992, gezeigt worden ist, ist die Strömung durch den Bereich pro Einheitsspanne Q_S gleich dem 67,3-fachen der kinematische Viskosität des Fluids. Für ein gegebenes Fluid und für eine gegebene Fluidtemperatur ist diese Strömungsrate unabhängig von der Anströmgeschwindigkeit und von der Entfernung vom Beginn der Grenzschicht.
Obgleich die Empfindlichkeit der Widerstandsreduzierung gegenüber dem Additivort in der Grenzschicht seit 1967 bekannt ist, überzeugte die elegante Arbeit von M. Poreh und J. E. Cermak hinsichtlich der "Study of Diffusion from a Line Source into a Turbulent Boundary Layer", veröffentlicht im Int. Journal Heat & Mass Transfer, Nr. 7, 1964, die meisten Forscher, dass die Diffusion des ausgestoßenen Fluids unvermeidlich und schnell ist. Wie von J. W. Hoyt und A. G. Fabula, "Frictional Resistance in Towing Tanks", veröffentlicht in den Proceedings of 10^th Industrial Towing Tank Conference, in Teddington, England, 1963, von T. Kowalski in "The Effect in Resistance of Polymer Additives Injected into the Boundary Layer of a Frigate Model", veröffentlicht in den Transactions of the Eleventh International Towing Tanks Conference of Ship Tank Superintendent, in Tokio, 1966, von H. L. Dove und H. J. S. Canham in den HMS Highburton Speed Trials with Polyox Injection into the Boundary Layer, veröffentlicht in AEW Report Nr. 11/69, von W. Xiliang, D. Yongxuan, X. Changsheng und W. Guigin in "Drag Reduction by Polymer Ejection Described", veröffentlicht in Shipbuilding of China, Nr. 66, S. 45 bis 57, im Juli 1980, und von Forschern in der Sowjetunion, wie beschrieben von B. F. Dronov und B. A. Barbanel in ihrer Abhandlung "Early Experience of BLC Technique Usage in Underwater Shipbuilding", veröffentlicht in den Proceedings of Warship 99, Naval Submarine 6, von dem Royal Institute of Naval Architects, London, im Juni 1999, berichtet worden ist, verwendeten die Forscher somit eine breite Anordnung von Winkelschlitzen oder kreisförmigen Öffnungen, um ausreichend Material auszustoßen, das die gesamte Grenzschicht flutet. Wegen der Annahme der schnellen Diffusion nicht nur durch die, sondern sogar außerhalb der Grenzschicht war die Menge des ausgestoßenen Materials häufig das Mehrfache dessen, was zum Fluten der gesamten Grenzschicht in ihrem größten Umfang berechnet worden ist. Die Ausstoßgeschwindigkeiten lagen üblicherweise in der gleichen Größenordnung wie die Anströmgeschwindigkeit, wobei die ausgestoßenen Massenströmungsraten häufig 100 Q_S überstiegen.
In der Abhandlung "Suppressed Diffusion of Drag-reducing Polymer in a Turbulent Boundary Layer", veröffentlicht im Journal of Hydronautics, Nr. 6, 1972, J. Wu, und daraufhin D. Collins in seiner Dissertation mit dem Titel "A Turbulent Boundary Layer with Slot Injection of Drag-reducing Polymer" am Georgia Institute of Technology, Juli 1973, wurde erstmals eine niedrigere Diffusionsrate für Poly merlösungen berichtet, als sie allgemein akzeptiert war. 1989 bestätigten D. T. Walker und W. G. Tiederman diese Beobachtungen in ihren Abhandlungen "Simultaneous Laser Velocimeter and Concentration Measurements", veröffentlicht im Journal of Laser Applications 1, S. 44 bis 48, 1989, und "The Concentration Field in a Turbulent Channel Flow with Polymer Injection at the Wall", veröffentlicht in Experiments in Fluids, 8, S. 86 bis 94, 1989. In den frühen 1990-er Jahren gab es eine wachsende Anerkennung, dass die Arbeit von Poreh und Cermak, die als Standard für das Diffusionsverhalten galt, lediglich auf die Einführung "passiver" Fremdstoffe in die turbulenten Strömungen angewendet werden konnte. Genauer verhalten sich "aktive" Fremdstoffe wie etwa wässrige Lösungen von Polymeren mit hohem Molekulargewicht, die das Wesen der Turbulenz und somit den Prozess der Diffusion beeinflussen, nicht auf die gleiche Weise: Die Diffusion kann langsamer werden. Dies wurde von T. A. Brungart, L. L. Petrie, W. L. Harbison und C. L. Merkle in ihrer Arbeit unter Verwendung "A Fluorenscence Technique for Measurement of Slot-injected Fluid Concentration Profiles in a Turbulent Boundary Layer" und veröffentlicht in Experiments in Fluids, 11, 1991, bestätigt. Im nächsten Jahr veröffentlichten S. T. Sommer und H. L. Petrie "Diffusion of slot-injected drag-reducing polymer solution in a LEBU-modified turbulent boundary layer" in Experiments in Fluids, 12, worin sie nachwiesen, dass in verhältnismäßig schnellen Strömungen die Steuerung oder Modifizierung des äußeren Strömungsfelds am Ausstoßschlitz mit einem Paar Großwirbel-Aufbruchvorrichtungen (LEBUs) die Polymerdiffusionsrate durch die Grenzschicht weiter reduzierte. Ferner zeigten A. A. Fontaine, H. L. Petrie und T. A. Brungart in ihrer Abhandlung "Velocity Profile Statistics in a Turbulent Boundary Layer with Slot-injected Polymer", veröffentlicht im Journal of Fluid Mechanics, 238, S. 435 bis 466, 1992, dass eine Reduzierung der Massenströmungsrate des ausgestoßenen Fluids um einen Faktor zwei und eine Verdopplung der Konzentrationen zum Aufrechterhalten einer konstanten Polymerausgaberate eine weitere Reduzierung der Diffusionsrate erzeugten.
W. B. Amfilokhiev, B. A. Barbarnel und N. P. Mazaeva weisen in ihrer Abhandlung über "The Boundary Layer with Slot Injection of Polymer Solutions", vorbereitet für das Zehnte Europäische Widerstandsreduzierungs-Arbeitstreffen, 16. – 17. März 1997, darauf hin, dass die Erfahrung gezeigt hat, dass ein einzelner Schlitz mit sehr hoher Konzentration der gleichen Menge oder mehr Additiv, das von mehreren Schlitzen entlang der Länge des Schiffs ausgestoßen wird, überlegen war. Diese empirisch gestützte Einsicht wurde bestätigt durch Tiederman, Luchik und Bogard in ihrer in "Wall-Layer Structure and Drag Reduction", veröffentlicht im Journal of Fluid Mechanics, Bd. 156, S. 419 bis 437 (1985), dargestellten Arbeit, wo sie zeigten, dass der Ausstoß selbst bei niedrigen Ausströmgeschwindigkeiten die Grenzschicht zerriss und zu einer Zunahme des lokalen Oberflächenreibungswiderstands auf der Einlassseite, bei und gleich auf der Auslassseite der Ausstoßstelle führte. W. M. Kays und M. E. Crawford weisen in ihrem Lehrbuch über Convective Heat and Mass Transfer, veröffentlicht von McGraw-Hill, Inc. (1993), dritte Auflage, S. 226 bis 230, darauf hin, dass die Grenzschicht "buchstäblich von der Wandoberfläche abblättert", wenn das Verhältnis des Massenflusses eines zweiten oder ausgestoßenen Fluids normal zu dem Massenfluss des Anström- oder ersten Fluids 0,01 übersteigt.
Eine gute Zusammenfassung ihrer eigenen Forschung sowie der Forschung anderer Experimentatoren bei der Gasinjektion ist dargestellt von C. L. Merkle und S. Deutsch in ihrem Artikel "Drag Reduction in Liquid boundary Layers by Gas Injection". Dieser Artikel ist enthalten in dem Lehrbuch Viscous Drag Reduction in Boundary Layers, herausgegeben von D. M. Bushnell und J. N. Hefner, Bd. 123, S. 351 bis 410, und wurde 1990 veröffentlicht.
Die US-Patentanmeldung, laufende Nummer 09\223.783, "Method for Reducing Dissipation Rate of Fluid Ejected into a Boundary Layer", eingereicht am 31. Dezember 1998 und als US-Patent Nr. 6.138.704 erteilt, beschreibt ein Verfahren zur Einführung einer geordneten Wirbelbewegung auf der Einlassseite der ausgestoßenen widerstandsreduzierenden Fluide und in den ausgestoßenen widerstandsreduzierenden Fluiden. Die gesteuerte und vorteilhafte Wirbelbewegung wird verwendet, um das ausgestoßene Fluid im wandnahen Bereich zu halten und um die Moleküle oder Strukturen des Additivs in der Konfiguration auszurichten, in der sie am wirksamsten sind.
Eine Diskussion und experimentelle Ergebnisse der Lieferung eines positiven oder vorteilhaften Viskositätsgradienten in dem wandnahen Bereich der Grenzschicht ist verfügbar in der Abhandlung von J. Kato, Y. Fujii, H. Yamaguchi und M. Miyanaga mit dem Titel "Frictional Drag Reduction by Injecting High-viscosity Fluid into a Turbulent Boundary Layer", veröffentlicht in Transactions of the ASME, 115, S. 206 bis 211, Juni 1993. Der Nachteil der Produktion eines negativen Viskositätsgradienten beim Ausstoßen eines Polymers wurde in der zuvor identifizierten Abhandlung von C. S. Well und J. G. Spangler (1967) und in Abhandlun gen von J. Wu und M. Tulin wie etwa "Drag Reduction by Ejecting Additive Solutions into a Pure Water Boundary Layer", veröffentlicht in den Transactions of the ASME, Journal of Basic Engineering, 1972, identifiziert. Yu. F. Ivanyuta und A. A. Khomyakov geben in ihrer zuvor angeführten Abhandlung von 1994 (in Russisch) ein theoretisches Argument, dass ein positiver Viskositätsgradient die Stabilisierung in einer laminaren Strömung fördert. Daraufhin geben sie Ergebnisse aus einer Reihe von Experimenten in einer turbulenten Strömung, in denen sie behaupten, unter Verwendung einer speziellen Ausstoßeinrichtung einen vorteilhaften Viskositätsgradienten aufzubauen. Es wurden keine Geometrie des Ausstoßsystems und keine Einzelheiten des Verfahrens zum Erzielen des vorteilhaften Viskositätsgradienten gegeben, wobei aber die graphisch dargestellten Ergebnisse zeigten, dass die Reduzierung des Schleppwiderstands an ihrem sehr langen (40 m) Körper, der aber einen kleinen Durchmesser (0,4 m) hatte, von etwa 50 Prozent auf etwa 70 Prozent erhöht wurde. Außerdem berichteten sie, dass ihre Messungen der lokalen Widerstandsreduzierung entlang der Länge des Schleppkörpers eine konstante Verbesserung (größere Widerstandsreduzierung) in Bezug auf ihr früheres Ausstoßverfahren angaben.
Recht getrennt von der Verwendung von Additiven zur Grenzschichtsteuerung sind Techniken zum Verzögern oder Beseitigen der Strömungstrennung, die ansonsten zu einem erhöhten Widerstand führen würde. F. O. Ringleb beschrieb das Potential für die "Separation Control by Trapped Vortices" in dem Lehrbuch Boundary Layer Control, Bd. 1, G. V. Lachmann, Herausgeber, veröffentlicht von Pergamon Press, 1961, sowie in einer "Discussion of Problems Associated with Standing Vortices and their Applications", dargestellt auf dem ASME-Symposium über vollständig getrennte Strömungen in Philadelphia, PA, am 18. bis 20. Mai 1964. Das Konzept besteht in der Schaffung einer plötzlichen Änderung der Konfigurationsgeometrie in einem Bereich, wo der Strömungsweg ansonsten stetig ist, wo aber auf der stetigen Oberfläche oder Wand eine Trennung erwartet würde. Eineplötzliche Änderung der Geometrie, wie sie etwa durch eine Quernut erzeugt wird, kann einen starken Wirbel in der Nut erzeugen. Somit überbrückt die befestigte Strömung über den Wirbeln die Nut und bleibt auf der Auslassseite befestigt. Diese Technik der Erzeugung einer stabilen mitgerissenen Wirbelbewegung wird verwendet, um einen erweiterten Wirbelstrom einer getrennten Strömung zu vermeiden oder zu reduzieren. Die gelegentlich als Ringleb-Wirbel bezeichneten Wirbel werden häufig in Diffusionseinrichtungen und am Sockel stumpfer Körper verwendet.
Diskussionen von Wandstrahlen zur Steuerung der Trennung einer inkompressiblen turbulenten Strömung sind zu finden in Control of Flow Separation von Paul K. Chang, veröffentlicht von Hemisphere Publishing Corporation, 1976. Um die Anströmung in Bereichen eines ungünstigen Druckgradienten mitzureißen, werden Strahlen desselben Fluids wie in der Anströmung verwendet. Das Konzept besteht darin, den überschüssigen Impuls des Wandstrahls zu verwenden, um den Verlust des Grenzschichtimpulses auszugleichen, der sich aus der Oberflächenreibung ergibt. Ohne ein sorgfältiges Gleichgewicht der zwei Wirkungen kann aber der Nutzen durch die Zunahme der durch den Strahl erzeugten Wandscherspannung verringert oder sogar umgekehrt werden. Wegen der durch den Strahl in die Grenzschicht eingeführten Unstetigkeit wird die Mischung verstärkt. A. I. Tcygan'uk, L. F. Kozlov, V. N. Vovk und S. L. Maximov haben in ihrer Erfindung mit dem Titel "Technique for Control over the Near-wall Layer Flowing Over a Hard Body by a Method of a Control Jet and a Device for Realization of this Technique", veröffentlicht in Bulletin Nr. 30 vom 15. August 1990, als sowjetisches Erfinderzertifikat Nummer S.U. 1585569 A1, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren der durch einen Wandstrahl eingeführten Unstetigkeit beschrieben. Dieses Verfahren und diese Vorrichtung unterscheiden sich von anderen Wandstrahlsystemen, die die Grenzschicht mitreißen sollen, wegen der Erzeugung einer Wirbelzone in dem Bereich, wo der Steuerstrahl die Anströmströmung trifft. Die Erfindung beansprucht, dass die Wirbelzone durch eine Wirbelkammer erzeugt wird, wenn sie eine Öffnung für den Strahl hat, die etwa 0,28 der Länge der Kammer ist.
Kurzzusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ermöglicht den nicht zerreißenden Ausstoß von Fluiden in ausgewählte Lagen des wandnahen Bereichs der Grenzschicht einer Fluidströmung. Als ihre erste Aufgabe vorbehandelt die vorliegende Erfindung die Strömung auf der Einlassseite, um die Anfangsdiffusion des Additivs zu reduzieren, wenn es sich mit der Grenzschichtströmung vermischt. Die zweite Aufgabe der Erfindung ist die Vorbehandlung des ausgestoßenen Stroms und des Additivs in dem ausgestoßenen Strom, so dass sie sofort eine Reduzierung der turbulenten Diffusion und den Verlust des Impulses in dem ausgestoßenen Fluid bewirkt, während es in die Grenzschicht eintritt. Eine dritte Aufgabe der Erfindung ist es, eine unerwünschte Trennung des aufgebauten Strömungsfelds zu verhindern.
Eine vierte Aufgabe der Erfindung ist die Beseitigung des unvorteilhaften Viskositätsgradienten, der dem Ausstoß hoher Konzentrationen eines nicht-Newtonschen Additivs oder Gas-Flüssigkeits-Gemischs innewohnt; die fünfte Aufgabe der Erfindung ist es, die wahlweise Anordnung mehrerer Additive in Lagen über der Grenzschicht zu ermöglichen; die sechste Aufgabe ist es, das Additiv oder die Strömungsstruktur an spezifischen Orten über der wandnahen Strömung anzuordnen, um die wandnahe Strömung abzuschirmen und dadurch die Diffusion ausgestoßener Additive weiter zu reduzieren. Die siebente Aufgabe der Erfindung ist es zu ermöglichen, dass sich entlang der Länge der Platte oder des Schiffs mehrere Ausstoßsätze befinden, um eine optimale Konzentration des Materials aufrechtzuerhalten und dadurch die Gesamteffizienz des Systems zu verbessern.
Das Grenzschicht-Steuersystem der vorliegenden Erfindung enthält Vor-Ausstoß-Prozesse, Ausstoß-Prozesse und Nach-Ausstoß-Prozesse. Die Vor-Ausstoß-Prozesse beziehen sich auf die Aufbereitung der Strömung auf der Einlassseite, um den Pegel der Anfangsdiffusion zu reduzieren, bevor das Additiv vollständig wirksam werden kann. Die Ausstoßprozesse enthalten die Aufbereitung und Lenkung des ausgestoßenen Fluids, um die Wirkung des Additivs beim Reduzieren der turbulenten Diffusion an der Ausstoßeinrichtung zu beschleunigen und sowohl auf der Einlassseite als auch auf der Auslassseite des Ausstoßpunkts die Einführung einer Unstetigkeit in die Grenzschicht zu verhindern. Um eine unerwünschte Zunahme des Pegels der Turbulenz zu vermeiden, wird die Massenströmungsrate des ausgestoßenen Fluids anhand der wandnahen Strömungsparameter der aufgebauten Grenzschicht ausgewählt.
Da der Ausstoßprozess viel stärker zerreißt, können ohne die bei herkömmlichen Additivausstoßtechniken beobachteten Nachteile mehrere Ausstoßorte gleichzeitig realisiert werden. Ferner können einzelne Ausstoßeinrichtungen unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet werden, um den Ausstoß mehrerer Additive in ausgewählte Lagen der Grenzschicht auf der Auslassseite zu ermöglichen und damit die Steuerung der rheologischen Eigenschaften der Grenzschicht zu schaffen wie etwa einen vorteilhaften Viskositätsgradienten nach dem Ausstoß aufzubauen und aufrechtzuerhalten. Die Ausstoßvorrichtung umfasst eine einzigartige Anordnung von Fluidikvorrichtungen, die Quernuten, Wirbelkammern, Coanda-Oberflächen, innere Düsen und Schneidkanten enthält.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich dadurch von allen früheren Additiv ausstoßeinrichtungen, dass sie die an der Kante auf der Einlassseite und auf der Auslassseite der Ausstoßeinrichtung eingeführte Wirbelbewegung wesentlich reduziert. Sie bereitet die Strömung auf der Einlassseite vor, um den Pegel der Turbulenz und somit die Diffusion an der Ausstoßeinrichtung zu reduzieren. Sie vorbehandelt das Additiv so, dass es abgewickelt, ausgerichtet und gestreckt wird, bevor es mit der äußeren Grenzschichtströmung vermischt wird. Außerdem bereitet sie die Strömung auf der Auslassseite dadurch auf, dass sie Blasen von der Wand fern hält und unmittelbar auf der Auslassseite der Polymerausstoßeinrichtung einen zweckmäßigen Viskositätsgradienten der Wand aufbaut. Kein Ausstoßsystem des Standes der Technik ermöglicht die nicht zerreißende Anordnung mehrerer Additive in spezifischen Lagen des wandnahen Bereichs der Grenzschicht wie in der vorliegenden Erfindung.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die vorliegende Erfindung wird umfassender verständlich aus der unten gegebenen ausführlichen Beschreibung. Die beigefügte Zeichnung wird lediglich zur Erläuterung gegeben und soll die vorliegende Erfindung somit nicht beschränken, wobei in ihr:
1 eine schematische Darstellung eines Grundausstoßelements des Ausstoßsystems ist.
2A–2C eine Anzahl optionaler Profile von Querrillen darstellen, die gleich auf der Einlassseite der Ausstoßeinrichtung positioniert sein können. 2A zeigt das Profil einer elliptisch geformten Nut. 2B zeigt das Profil einer Nut, der ein Additiv durch eine Düse mit einer Coanda-Oberfläche an der unteren Ecke auf der Auslassseite der Nut zugeführt werden kann. 2C zeigt das Profil einer Düse, der ein Additiv durch eine Düse an der oberen Kante auf der Einlassseite der Nut zugeführt werden kann.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Konfiguration eines Drei-Ausstoßsystems. In dieser Konfiguration befindet sich eine elliptische Nut auf der Einlassseite der ersten Ausstoßeinheit, wobei sie Verbindungsöffnungen zu der Wirbelkammer der ersten Ausstoßeinrichtung besitzt. Die Öffnungen ermöglichen, dass das Additiv aus der Wirbelkammer der Nut zugeführt wird und beseitigt somit die Notwendigkeit, Rohre zu der Nut zu verlegen. Eine zweite Ausstoßein richtung ist so positioniert, dass sie ein anderes Additiv unter dem Fluid von der ersten Ausstoßeinrichtung ausstößt. Auf der Auslassseite der zweiten Ausstoßeinrichtung befindet sich eine kleinere Ausstoßeinrichtung, die für die Massenströmungsrate des Fluids skaliert ist, das unter der Lage des von den Ausstoßeinrichtungen auf der Einlassseite ausgestoßenen Fluids ausgestoßen wird.
4 ist eine ähnliche Ansicht wie 3; allerdings befindet sich auf der Einlassseite der ersten Ausstoßeinheit anstelle einer kleinen Nut eine kleine Opferausstoßeinrichtung.
Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der Pegel und die Effizienz der Widerstandsreduzierung, die bei dem Schlitzausstoß von Additiven erreicht wird, einen Gesamtwert sowohl der vorteilhaften als auch der unvorteilhaften Effekte der ausstoßbezogenen Prozesse repräsentiert. Diese Erfindung vermeidet oder unterdrückt die unvorteilhaften Effekte und beschleunigt die Initiierung und Verlängerung der vorteilhaften Effekte und erhöht dadurch den Wert der erzielbaren Widerstandsreduzierung und reduziert die Volumenausgaberate des Additivs. Die negativen Wirkungen des Ausstoßes hoher Konzentrationen von Polymerlösungen und -gemischen mit Gasmikroblasen sind die Einführung einer zusätzlichen Unstetigkeit in die Grenzschicht in dem lokalen Bereich um die Ausstoßeinrichtung, eine Zunahme des Pegels der Turbulenz und die Entwicklung eines unvorteilhaften Viskositätsgradienten in dem Wandbereich. Diese Wirkungen tragen zu einer Zunahme des lokalen Widerstands und zu einer schnelleren Diffusion des Additivs aus dem Bereich der Grenzschicht, wo es wirksam ist, bei. Genauer begrenzt die Erfindung die Diffusion des Additivs von der Pufferzone der Grenzschicht weg eher, als zu ihr beizutragen.
Um das Zerreißen der aufgebauten Grenzschicht und die schnelle Diffusion des ausgestoßenen Additivs zu reduzieren, verwendet die Ausstoßeinrichtung der vorliegenden Erfindung eine einzigartige Kombination von fluidikbasierten Konfigurationen. Die Konfigurationen enthalten eine Düse am Sockel oder "Hals" der Ausstoßeinrichtung mit einem Ausgangsdurchmesser 14 (der im Folgenden zur Skalierung aller anderen Elemente der Ausstoßeinrichtung als h₁ identifiziert ist), eine Coanda-Oberfläche auf der Auslassseite des Ausstoßstroms, eine Wirbelkammer auf der Einlassseite des Ausstoßstroms und zwei Schneidkanten, eine, wo der Ausstoßstrom die Wirbelkammer trifft, und die zweite, wo er die aufgebaute Grenzschichtströmung trifft. Die zweite Schneidkante kann durch eine Oberfläche mit einem kleinen Krümmungsradius ersetzt werden, um die Produktivität und Wartungsfähigkeit dieser Komponente zu verbessern, ohne Leistung zu opfern.
1 ist eine schematische Darstellung eines Grundausstoßelements des Ausstoßsystems. Es enthält eine Düse (13), die das Additiv vorbehandelt, eine Wirbelkammer (4) auf der Einlassseite des Elements, die eine durch zwei Radien (1) und (2) definierte Form und einen durch sie definierten Umfang hat, eine Schneidkante (3), wo sich die Kammer (4) und der Ausstoßstrom schneiden (5), wobei entweder eine Schneidkante oder eine Oberfläche mit einem Krümmungsradius (6) ausreichend groß sind, so dass sie an dem Ort, wo sich die Kammer (4) und die Außenwand schneiden (7), die Wirkung einer Coanda-Oberfläche haben, eine Coanda-Oberfläche (8) mit einem Radius (9) an der Kante auf der Auslassseite der Ausstoßeinrichtung, die mit der Außenwand (10) verbindet, und eine Öffnung (11), durch die sich der ausgestoßene Strom (5) mit der aufgebauten Grenzschichtströmung (12) verbindet. In Situationen, wo es Beschränkungen an die Geometrie der Ausstoßeinrichtung gibt, kann die Coanda-Oberfläche (8) anstelle eines festen Radius einen zusammengesetzten Radius haben. Am Einlass der Ausstoßeinrichtung befindet sich eine Düse (13) oder eine andere Vorrichtung, die eine konvergente Strömung in den Ausstoßeinrichtungsstrom (5) erzeugt. Der Ausstoßstrom hat eine Breite gleich h₁. Der Zweck der Düse ist es, eine laminare Kontraktionsströmung aufzubauen, die zum Aufwickeln, Ausrichten und Strecken der Additivmoleküle ausreicht, so dass sie in dem Zustand sind, der erforderlich ist, damit sie wirksam sind. Da die Ausstoßgeschwindigkeit etwa zehn Prozent der Anströmgeschwindigkeit sein sollte und da die Ausstoßeinrichtung so bemessen sein sollte, dass Massenströmungsraten von 10 Q_S versorgt werden, ist die Strömung durch die Ausstoßeinrichtung laminar. Die Massenströmungsrate kann sich um einen Faktor von etwa zwei, größer oder kleiner, ändern und hängt von der Länge und vom Wesen (z. B. Rauigkeit und viskoelastische Eigenschaften) der behandelten Wand, von der Anströmgeschwindigkeit, vom Typ und von der Konzentration des Additivs und von dem gewünschten Pegel der Widerstandsreduzierung ab. Der Bereich dieser Parameter führt für die am häufigsten verwendeten Additive zu einer laminaren Strömung durch die Ausstoßeinrichtung. Am unteren Ende ist die Geschwindigkeit des ausgestoßenen Fluidstroms durch den Wert begrenzt, der ausreicht, um den ausgestoßenen Strom an der Coanda-Oberfläche (8) fest zu halten. Am oberen Ende ist sie durch die Geschwindigkeit der wandnahen Grenzschichtströmung begrenzt, die durch den ausgestoßenen Strom verschoben wird. Dadurch, dass die zwei Strömungen diese Geschwindigkeit nicht übersteigen, können sie sich vermischen, ohne eine wesentliche Zunahme des lokalen Pegels der Turbulenz zu erzeugen. Die gewünschte Massenströmungsrate und Ausstoßgeschwindigkeit bestimmen die Düsen- oder Schlitzbreite h₁. Unter Verwendung einer richtig konfigurierten Düse wird das Additiv sofort bei der Vermischung mit der Grenzschicht wirksam und beginnt somit, den Pegel der Turbulenz zu beeinflussen, was der Hauptmechanismus der Diffusion in einer turbulenten Grenzschicht ist. Natürlich ist die Konzentration des Additivs am Ausstoßpunkt am größten. Somit ist die Reduzierung des Pegels der Turbulenz an diesem Ort entscheidend für die Diffusionssteuerung und für das Maximieren der Wirkung des Volumens des ausgestoßenen Additivs. Wie in der Literatur beschrieben ist, ist gezeigt worden, dass eine Düse mit einer Länge in der Größenordnung von zehn Millimetern und einem Winkel von etwa 10 bis 45 Grad zwischen den Düsenwänden angemessen ist, um das Additiv für Polymere wie etwa Polyox WSR-301 bei mittleren Strömungsraten durch die Düse von etwa einem Meter pro Sekunde vorzubehandeln.
Wie oben beschrieben wurde, wirken die Coanda-Oberfläche und die Wirbelkammer als eine Einheit. Der Zweck der Coanda-Oberfläche ist es, den ausgestoßenen Strom an der Außenwand auf der Auslassseite fest zu zuhalten. Wenn ein Polymeradditiv ausgestoßen wird, sollte der Wert des Radius der Coanda-Oberfläche (9) etwa 4h₁ sein. Die Beseitigung des Trennungsgebiets an der Kante auf der Auslassseite der Ausstoßeinrichtung vermeidet die durch eine solche Trennung eingeführte Unstetigkeit, die herkömmlichen Schlitzentwürfen innewohnt.
Die Geschwindigkeitskomponente des ausgestoßenen Stroms normal zu der Grenzschicht wird wegen der Coanda-Oberfläche und der niedrigen Massenströmungsrate auf nahezu null reduziert. Durch Beseitigen des Grenzschicht-"Zerreißens" werden die Zunahme des Druckwiderstands und die schnelle Diffusion des ausgestoßenen Additivs im Zusammenhang mit dieser Erscheinung vermieden.
Der Zweck der Wirbelkammer, die sich auf der Einlassseite der Ausstoßeinrichtung befindet, ist es, die Quellen der Wirbelbewegung zu reduzieren oder zu beseitigen, die ansonsten zum Zerreißen der aufgebauten Grenzschicht beitragen würden und dadurch den lokalen Widerstand erhöhen und die Additivdiffusionsrate durch die Grenzschicht verstärken würden. Die Gestalt der Kammer ist durch zwei Radien (1) und (2) definiert. Der Mittelpunkt für (1) ist die Spitze der Schneidkante (3), wobei der Wert von (1) etwa 4h₁ ist. Die Mitte von (2) befindet sich in der Mitte entlang einer Linie, die von der Schneidkante (3) zu der gegenüber liegenden Wand der Kammer verläuft. Wenn (2) die Hälfte der Länge von (1) ist, liefern die zwei Kurven eine stetige Oberfläche. Obgleich dieses Verhältnis von 2:1 nicht genau zu sein braucht, erfordern Abweichungen von diesem Verhältnis ein kurzes Wandsegment, um irgendeine Unstetigkeit oder einen Wendepunkt im Profil der Kammer zu vermeiden. Die Oberseite der Kammer ist mit einer Tangente ausgebildet, die die Messerkante (6) mit der durch (1) gebildeten Oberfläche verbindet. Wie oben erwähnt wurde, kann die Messerkante bei (6) durch eine kleine gekrümmte Oberfläche ersetzt sein, um die Herstellung zu erleichtern und die Festigkeit der Wand zu erhöhen. Falls die Krümmung ausreicht, um die Strömung fest zu halten, bis sie sich mit der Anströmströmung vermischt, gibt es keine Verschlechterung der Ausstoßleistung. Für die Parameter, die Meeresanwendungen im Maßstab 1:1 zugeordnet sind, sollte der Radius dieser Kurve etwa 0,5h₁ sein, wobei sich der Mittelpunkt an der Außenwand befindet, so dass die Abmessung der Öffnung (11) zu der aufgebauten Grenzschicht (12) etwa 3h₁ ist.
Die Anwesenheit einer inneren Wirbelkammer an der Wand auf der Einlassseite ändert das Verhalten der Strömung relativ zu der Strömung in einem gekrümmten Kanal und beseitigt die Wirbel, die andernfalls durch die Krümmung der Wand auf der Einlassseite eingeführt würden. Es werden weder Dean-, noch Goertler-Wirbel gebildet. Die Bewegung des ausgestoßenen Stroms induziert die Zirkulation in der Wirbelkammer. Für eine richtig geformte und skalierte Kammer wird in der Kammer ein stabiler Wirbel aufgebaut. Die Grenzschicht an der Grenze auf der Einlassseite des ausgestoßenen Stroms entwickelt sich nicht weiter. Eher wird die durch die Innenwand auf der Einlassseite der Kammer erzeugte Wirbelbewegung durch den in der Kammer mitgerissenen Wirbel zerstreut. Das Geschwindigkeitsprofil des ausgestoßenen Stroms wird relativ zu der aufgebauten Kanalströmung geändert, so dass die Strömung entlang der Kante auf der Einlassseite weniger verlangsamt wird als ohne die Wirbelkammer, wodurch eine stabilere Schicht ausgestoßenen Fluids erzeugt wird, während sie sich mit dem wandnahen Bereich der aufgebauten Grenzschicht vermischt. Somit wird die in die Grenzschicht an der Kante auf der Einlassseite des ausgestoßenen Stroms eingeführt Unstetigkeit reduziert.
Ohne die Wirbelkammer könnte die Krümmung, die zum Formen der Coanda-Oberfläche erforderlich ist, zur Erzeugung von Goertler-Wirbeln (über einer hohlen Wand) oder Dean-Wirbeln (in einem gekrümmten Rohr) führen. Da die Wirbelbewegung an der Kante auf der Einlassseite des inneren Kanals durch die Wirbelkammer zerstreut wird, wird somit die Gesamtwirkung der Coanda-Oberfläche auf den Ausstoß-Prozess verbessert. Außerdem initiiert die Vorbehandlung des Additivs durch die Kontraktionsströmung durch die Düse die widerstandsreduzierende Wirkung des Additivs. Genauer enthält dieser Effekt die Zerstreuung einer kleinräumigen Wirbelbewegung. Diese getrennten Mechanismen arbeiten zusammen, um das Verhalten des ausgestoßenen Stroms zu verbessern, während er sich mit der aufgebauten Grenzschicht vermischt.
Die Kombination des verbesserten Verhaltens des ausgestoßenen Stroms mit der Vorbehandlung des Additivs während des Ausstoßprozesses führt zu einer schnelleren Unterdrückung der Turbulenz und somit zu einer Reduzierung der Diffusion des konzentrierten Additivs. In der vorliegenden Erfindung wird die Diffusion des konzentrierten Additivs durch die Vorbehandlung der Strömung gleich auf der Einlassseite der Hauptausstoßeinrichtung weiter reduziert. Es können mehrere Techniken verwendet werden. Für nichtstationäre oder komplexe turbulente Grenzschichtströmungen enthält die vorliegende Erfindung eine getrennte Opferadditiv-Ausstoßeinrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie eine niedrige Konzentration des Additivs ausstößt, und die sich gleich auf der Einlassseite einer Hauptausstoßeinrichtung befindet. Die Konzentration kann in der Größenordnung von 10 Gewichtsteilen pro Million (wppm) liegen, da nicht beabsichtigt ist, dass sie weit auf der Auslassseite, sondern nur unmittelbar auf der Einlassseite des Orts und an dem Ort, wo die Konzentration des Materials von der Hauptausstoßeinrichtung am größten ist (d. h., wo der Nachteil für die Diffusion am größten ist), wirksam ist. Somit bleiben für den Aufwand (d. h. das Opfer) einer geringen Menge Additiv viel größere Mengen Additiv von der Hauptausstoßeinrichtung in dem wandnahen Bereich.
Für verhältnismäßig stationäre Strömungen sind auf der Einlassseite der Hauptausstoßeinrichtung einfachere Ausstoßeinrichtungen positioniert, die als Quernuten konfiguriert und geeignet skaliert sind, um einen stabilen mitgeführten Wirbel oder ein stabiles mitgeführtes System von Wirbeln zu erzeugen. Ein stabiles und mitgerissenes System von Wirbeln zerstreut eine kleinräumige Wirbelbewegung, die an der Wand erzeugt wird, und unterbricht die Entwicklung der Grenzschicht auf der Einlassseite. Nutprofile, die speziell für die Steuerung der Trennung hinter dem Körper stabil mitgerissene Wirbel erzeugen, sind in der Literatur veröffentlicht worden. Außer dem richtigen Gestalten der Nut führt die vorliegende Erfindung kleine Mengen Additiv ein, um weiter zur Stabilisierung des mitgerissenen Wirbels beizutragen.
In 2 sind drei Profite der Nutkonfiguration auf der Einlassseite gegeben. 2A ist eine schematische Darstellung des Querschnitts einer Quernut mit elliptischer Form mit einer Hauptachse (15), einer kleinen Halbachse (16) und einer Tiefe (17) relativ zu der Außenwand. Wenn diese Gestalt richtig skaliert ist (15 > 17), kann sie toleranter gegenüber kleinen Pegeln der Nichtstationarität in der Grenzschicht als eine Rechteckform sein. 2B ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Rechtecknut der Breite (18) und der Tiefe (17) (mit 17 ≈ 18), der durch eine Düse (19) mit einer Coanda-Oberfläche (20) an der unteren auslassseitigen Kante der Nut ein Additiv zugeführt werden kann. Für diese Konfiguration erhöht die Zugabe kleiner Additivmengen die Stabilität des mitgerissenen Wirbels. 2C ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer ähnlichen Rechtecknut, der durch eine Düse (21) an der oberen einlassseitigen Kante der Nut ein Additiv zugeführt werden kann. Für diese Konfiguration ist die Additivausgaberate etwas größer als für die Konfiguration in
2B, wobei aber das Additiv eine kleinräumige Wirbelbewegung in dem wandnahen Bereich der Grenzschicht unterdrückt sowie den mitgerissenen Wirbel stabilisiert. In allen Fällen verläuft die äußere Strömung (12) von links nach rechts.
Außer diesen Techniken ist es ebenfalls möglich, die Strömung auf der Einlassseite unter Verwendung weiterer Widerstandsreduzierungstechniken gleich auf der Einlassseite einer Hauptausstoßeinrichtung vorzubehandeln. Diese Techniken enthalten, sind aber nicht beschränkt auf, Riblets, widerstandsreduzierende Beschichtungen verschiedener Typen und die Grenzschichtabsaugung. Wie in der Literatur beschrieben wurde, besitzt jede in Bezug auf die Eigenschaften der Strömung auf der Einlassseite ihre Vorteile.
Da die Ausstoßeinrichtung der vorliegenden Erfindung viel weniger zerreißt als Ausstoßeinrichtungsentwürfe des Standes der Technik, können verschiedene Additive unter Verwendung von Tandemausstoßeinrichtungen geschichtet werden. Der Ausstoß der Fluide mit verschiedenen Viskositäten durch mehrere Ausstoßeinrichtungen ermöglicht den Aufbau eines vorteilhaften Viskositätsgradienten in dem wandnahen Bereich und damit eine Erhöhung der Systemleistung. Beispielsweise bewirkt der Ausstoß des Fluids von einer ähnlichen, aber kleineren Ausstoßeinrichtung, die sich unmittelbar auf der Auslassseite einer Hauptausstoßeinrichtung befindet und für einen Wert Q_S von etwa eins skaliert ist, die Verschiebung des Additivs von der Ausstoßeinrichtung auf der Einlassseite von der Wand weg und in den Bereich, wo es eine Reduzierung des Pegels der Turbulenz bewirkt. Für Gasmikroblasen reduziert dies außerdem das Potential der Blasen, die während des Ausstoßes an der Wand als Rauigkeitselemente wirken. Sowohl für Gas als auch für konzentrierte Lösungen eines Polymers kann es einen vorteilhaften anstelle eines unvorteilhaften Viskositätsgradienten an der Wand schaffen. Das ausgestoßene Fluid kann das Lösungsmittel allein, z. B. Wasser, oder eine verdünnte Lösung des Additivs, so dass die Viskosität dieselbe oder eine kleinere (wie etwa für erwärmtes Wasser) als die des umgebenden Lösungsmittels ist, sein. Wenn in der Ausstoßeinrichtung an der Auslassseite lediglich Wasser oder kein Additiv verwendet wird, kann die Anforderung für eine Düse gelockert werden. Da die Strömungsrate durch die Ausstoßeinrichtung auf der Auslassseite auf etwa ein Q_S reduziert ist, sollte die Ausstoßgeschwindigkeit etwa fünf Prozent der Anströmgeschwindigkeit sein. Dies ist etwa die Hälfte der Ausstoßgeschwindigkeit der größeren Ausstoßeinrichtung auf der Einlassseite. Zur Anpassung an die niedrigere Ausstoßgeschwindigkeit sollte das Verhältnis des Durchmessers der Coanda-Oberfläche zu der Schlitzbreite gegenüber dem der Ausstoßeinrichtung auf der Einlassseite auf einen Wert des etwa 6- bis 8-fachen der Breite (26) des Schlitzes auf der Auslassseite erhöht werden, um die Entwicklung einer lokalen Trennung an dieser Oberfläche zu verhindern. Die Größe der Öffnung (11) sollte etwa drei Schlitzbreiten (26) bleiben; somit muss das Segment zwischen der gekrümmten Wand der Kammer und der Kante (6) im Vergleich zu der Ausstoßeinrichtung auf der Einlassseite erweitert werden.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Konfiguration eines Drei-Ausstoßeinrichtungs-Systems. In dieser Konfiguration befindet sich auf der Einlassseite der ersten Hauptausstoßeinheit (23) eine elliptische Quernut (22). Das Additiv kann der elliptischen Nut auf die gleiche Weise zugeführt werden, wie es in 2B oder 2C gezeigt ist. In Abhängigkeit von dem Wesen der Strömung auf der Einlassseite können zusätzliche Nuten (25) positioniert sein, um den Pegel der Turbulenz an der ersten Hauptausstoßeinrichtung zu unterdrücken. Wie in
4 gezeigt ist, kann außerdem anstelle der Nuten eine kleine Opferausstoßeinrichtung 29 positioniert sein, die in der Weise skaliert ist, dass sie 5 bis 10 Q_S Additiv mit einer Konzentration in der Größenordnung von 10 wppm ausstößt, um den Pegel der Turbulenz an der ersten Hauptausstoßeinrichtung zu unterdrücken. Außerdem kann die Opferausstoßeinrichtung eine wie in 3 gezeigte Nut 25 sein, die ähnlich wie die in 2C gezeigte Anordnung an der oberen Kante auf der Einlassseite der Nut eine fünfte Fluideingabe über eine Düse 21 besitzt. Das "Opfern" dieser kleinen Menge Additiv reduziert den Pegel der Turbulenz und somit die Menge der Diffusion in der ersten Hauptausstoßeinrichtung.
Das Fluid f₄ von der ersten Hauptausstoßeinrichtung kann ein Gemisch von Gasmikroblasen sein, das gemäß der Literatur (siehe z. B. Merkle und Deutsch) innerhalb 300 Viskoseeinheiten der Wand, d. h. weiter von der Wand, als die meisten Polymere wirksam sind, wirksam sein kann. Deutsch berichtet außerdem, dass die Mikroblasenschicht zu bewirken scheint, dass die wandnahe Schicht vor den größeren Strukturen in den Außenbereichen der Grenzschicht abgeschirmt wird. Somit können die mehreren Tandemausstoßeinrichtungen (23) und (4) zum Positionieren von Mikroblasen mit verschiedenen Maßstäben und von Polymeren mit verschiedenen Molekulargewichten und von Konfigurationen an der Lage, wo sie wirksam sind, verwendet werden. Auf der Auslassseite der Hauptausstoßeinrichtungen (23 und 4) befindet sich eine kleine Ausstoßeinrichtung (26) mit einer Schlitzbreite h₂ (27), die für die Massenströmungsrate des Fluids f₃ skaliert ist, das von dieser Ausstoßeinrichtung auf der Auslassseite ausgestoßen wird. Wenn von der Auslasseinrichtung auf der Auslassseite lediglich das Lösungsmittel ausgestoßen werden soll, um z. B. einen vorteilhaften Viskositätsgradienten aufzubauen, kann die Forderung für eine Düse oder ähnliche Vorrichtung zum Erzeugen einer konvergenten laminaren Strömung gelockert werden. Allerdings werden Düsen verschiedener Konfigurationen häufig zur Erzeugung der Mikroblasen mit dem gewünschten Maßstab verwendet; somit sind für den Mikroblasenausstoß sowie für die Vorbehandlung eines Polymers vor dem Ausstoß wahrscheinlich spezifische Düsenentwürfe erforderlich.
Somit können außer dem Ändern der rheologischen Eigenschaften des wandnahen Fluids mehrere Ausstoßeinrichtungen verwendet werden, um die Additive, von denen bekannt ist, dass sie in spezifischen Lagen der Grenzschicht wirken, zu schichten. Beispielsweise wird betrachtet, dass einige Additive wie etwa Mikroblasen eines besonderen Maßstabs weiter von der Wand als Polymere wirken. In
3 könnte ein Satz von drei Tandemausstoßeinrichtungen, die jeweils für die gewünschte Massenströmungsrate skaliert sind, eine Dreischichtlage aus Wasser (niedrige Viskosität) f₃ unter einer konzentrierten Lösung eines Polymers f₂, über dem Mikroblasen f₄ ausgestoßen werden, liefern. Ähnlich können von den Tandemausstoßeinrichtungen mehrere Schichten geeignet skalierter Blasen oder mehrere Schichten verschiedener Spezies von Polymeren ausgestoßen werden. Über diese Fluide fließt das Additiv von den Nuten auf der Einlassseite oder vom "Opferschlitz" f₅ und das Anströmfluid f₁.
In der Vergangenheit haben Schiffsbauer gefolgert, dass hohe Konzentrationen und hohe Strömungsraten des Additivs aus einem einzelnen Ausstoßsystem effizienter wären, als wenn die gleiche Menge Additiv aus mehreren entlang der Länge des Schiffskörpers verteilten Ausstoßstellen ausgestoßen würden. Die Zunahme der durch herkömmliche Ausstoßeinrichtungen erzeugten lokalen Oberflächenreibung sowie des Grenzschichtzerreißens, was zu einer Zunahme des Druckwiderstands führt, trugen zu dieser Erscheinung bei. Durch Vermeidung dieser Wirkungen ermöglicht die vorliegende Erfindung, Sätze von Ausstoßeinrichtungen an mehreren Orten entlang eines Fahrzeugs oder einer Antriebseinrichtung zu verwenden und dadurch die Verteilung des Additivs in Abhängigkeit von der Gestalt und der Länge der Wand (Fahrzeug) zu optimieren. Somit können sehr lange Wände ohne wesentlichen Verlust der Effizienz behandelt werden.
Da die Ausstoßeinrichtung an lokale Änderungen der Strömungsbedingungen anpassbar ist, können die Ausstoßeinrichtungen außerdem so konfiguriert werden, dass sie die wandnahe Strömung erregen, um eine Trennung während Änderungen des Anströmeinfallswinkels zu vermeiden. Die Prozesse nach dem Ausstoß umfassen die Behandlung der Wand zur Reduzierung der Diffusion des Additivs auf der Auslassseite der Ausstoßeinrichtung, die Behandlung der äußeren Strömung zur Reduzierung der Diffusion des Additivs sowohl entlang der Wand als auch um irgendwelche Vorsprünge sowie den Ausstoß entweder verschiedener Additive oder einer anderen Konzentration des Additivs auf der Auslassseite, um eine effizientere Additivausgaberate zu erzielen.

Claims

Verfahren zum Ausstoßen einer widerstandsreduzierenden Substanz in ein erstes Fluid in einer Weise, die ein Zerreißen und "Abblättern" des ersten Fluids vermeidet und die Diffusionsrate der widerstandsreduzierenden Substanz im ersten Fluid verringert, um dadurch die Wirksamkeit der widerstandsreduzierenden Substanz in Bezug auf die Verringerung des Widerstandes des ersten Fluids bei seiner Bewegung relativ zu einer Wand zu erhöhen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst, die in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden: a) Aufbereiten der widerstandsreduzierenden Substanz, indem ein zweites Fluid, das die widerstandsreduzierende Substanz als ein dispergiertes Gemisch aus Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasmikroblasen und der Substanz enthält, dazu veranlasst wird, durch eine Düse zu strömen, die einen axialen Geschwindigkeitsgradienten in dem zweiten Fluid erzeugt, das das Additiv als Beimischung oder in Lösung enthält, um dadurch die Moleküle der widerstandsreduzierenden Substanz abzuwickeln, auszurichten und zu strecken; b) Schicken des zweiten Fluids durch eine Wirbelkammer, um in der Wirbelkammer einen Wirbel aufzubauen, um dadurch die Wirbelbewegung des zweiten Fluids zu reduzieren; c) Ausstoßen des zweiten Fluids durch eine erste Ausstoßeinrichtung, die eine Öffnung in einer Wand besitzt, in das erste Fluid, wenn das erste Fluid an der Wand vorbeiströmt, wobei die Öffnung so geformt ist, dass sie eine erste Coanda-Oberfläche als Teil hiervon enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Coanda-Oberfläche in Bezug auf die Strömung des ersten Fluids hinter der Wand auf der Auslassseite der Öffnung positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wirbelkammer so positioniert ist, dass sich wenigstens ein Abschnitt hiervon gegenüber der ersten Coanda-Oberfläche befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wirbelkammer in einem Bereich, in dem das zweite Fluid von der Düse auf die Wirbelkammer trifft, eine Schneidkante aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wirbelkammeroberfläche in einem Bereich, in dem die Wirbelkammer mit der Wand zusammentrifft, ein Keilprofil bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Bereich zwischen der Wand und der Wirbelkammer eine zweite gekrümmte Oberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Ausstoßen eines dritten Fluids durch eine zweite Ausstoßeinrichtung, die eine Öffnung besitzt, die sich auf der Auslassseite der ersten Ausstoßeinrichtung befindet, wobei die zweite Ausstoßeinrichtung eine Coanda-Oberfläche auf ihrer Auslassseite und eine Wirbelkammer, die so positioniert ist, dass sich wenigstens ein Abschnitt hiervon gegenüber der Coanda-Oberfläche befindet, besitzt.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die zweite Ausstoßeinrichtung eine andere Größe als die erste Ausstoßeinrichtung, ansonsten jedoch einen ähnlichen Entwurf wie diese besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Ausstoßen eines vierten Fluids durch eine dritte Öffnung, die sich auf der Einlassseite der ersten Öffnung befindet, wobei die dritte Öffnung eine Coanda-Oberfläche auf ihrer Auslassseite und eine Wirbelkammer, die so positioniert ist, dass sich wenigstens ein Abschnitt hiervon gegenüber der Coanda-Oberfläche befindet, besitzt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die dritte Öffnung eine andere Größe als die erste Öffnung, ansonsten jedoch einen ähnlichen Entwurf wie diese besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem auf der Einlassseite der ersten Öffnung eine Nut angeordnet ist, die den Zweck hat, die Wirbelbewegung aus dem ersten Fluid zu beseitigen, wenn es an der Nut vorbeiströmt.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Nut mit einer Quelle für ein fünftes Fluid in Verbindung steht, das in die Nut über eine Coanda-Oberfläche auf der auslassseitigen Bodenposition der Nut eingegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Nut mit einer Quelle für ein fünftes Fluid in Verbindung steht, das in die Nut durch eine Düse an der oberen einlassseitigen Kante der Nut eingegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das dritte Fluid eine geringere Viskosität als das zweite Fluid besitzt.
Verfahren zum Freigeben einer oder mehrerer widerstandsreduzierender Substanzen in mehrere im Voraus gewählte Lagen der Grenzschicht eines ersten Fluids, das relativ zu einer Wand strömt, wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: Ausstoßen wenigstens einer widerstandsreduzierenden Substanz durch mehrere Öffnungen, die nacheinander längs eines Strömungswegs des ersten Fluids positioniert sind, wobei wenigstens eine der Öffnungen in einer Fluidkommunikation steht mit: einer Düse, einer Wirbelkammer, die so positioniert ist, dass sie durch das Fluid aktiviert werden kann, das sich durch die Düse bewegt hat, um so einen oder mehrere Wirbel des Fluids in der Wirbelkammer aufzubauen, und einer Coanda-Oberfläche gegenüber der Wirbelkammer.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem wenigstens eine widerstandsreduzierende Substanz durch mehrere Öffnungen mit unterschiedlichen Konzentrationen ausgestoßen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Raten, mit denen die Fluide durch die mehreren Öffnungen ausgestoßen werden, in Abhängigkeit von Strömungsparametern des ersten Fluids, des gewünschten Pegels der Widerstandsreduzierung und der Länge der Wand variieren.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das dritte Fluid erhitzt wird, um dadurch für das Fluid eine niedrigere Viskosität als jene des nicht erhitzten Fluids zu schaffen.
Verfahren zum Ausstoßen einer widerstandsreduzierenden Substanz in ein erstes Fluid in einer Weise, die die Rate der Diffusion der widerstandsredu zierenden Substanz in dem ersten Fluid reduziert, um dadurch die Wirksamkeit der widerstandsreduzierenden Substanz in Bezug auf die Reduzierung des Widerstandes des ersten Fluids bei seiner Bewegung relativ zu einer Wand zu erhöhen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst, die in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden: a) Veranlassen eines Fluids, in dem Gas dispergiert ist, durch eine Düse zu strömen, die als Mikroblasengenerator konfiguriert ist; b) Schicken des Fluids, in dem Gas dispergiert ist, durch eine Wirbelkammer, um in der Wirbelkammer einen Wirbel aufzubauen, um dadurch die Wirbelbewegung des Fluids, in dem Gas dispergiert ist, zu reduzieren; und c) Ausstoßen des Fluids, in dem Gas dispergiert ist, durch eine Öffnung in das erste Fluid, wenn das erste Fluid an der Öffnung vorbeiströmt, wobei die Öffnung in einem Abschnitt hiervon eine erste Coanda-Oberfläche aufweist.
Vorrichtung zum Ausstoßen einer widerstandsreduzierenden Substanz in ein erstes Fluid in einer Weise, die die Rate der Diffusion der widerstandsreduzierenden Substanz in dem ersten Fluid reduziert, um dadurch die Wirksamkeit der widerstandsreduzierenden Substanz bei der Reduzierung des Widerstandes des ersten Fluids, das sich relativ zu einer Wand bewegt, zu erhöhen, wobei die Vorrichtung umfasst: a) eine Düse, die in einem zweiten Fluid, das durch die Düse geschickt wird, einen axialen Geschwindigkeitsgradienten erzeugt; b) eine Wirbelkammer, die so positioniert ist, dass sie durch das zweite Fluid, das sich durch die Düse bewegt hat, aktiviert wird, um in dem zweiten Fluid in der Wirbelkammer einen Wirbel oder ein System von Wirbeln zu bilden; und c) eine erste Ausstoßeinrichtung, die eine Öffnung besitzt, um das zweite Fluid in eine Strömung des ersten Fluids hinter der Öffnung auszustoßen, wobei die Öffnung so geformt ist, dass sie als einen Abschnitt eine Coanda-Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der die Coanda-Oberfläche relativ zu der Strömung des ersten Fluids hinter der Öffnung in der Nähe der auslassseitigen Wand der Öffnung positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der die Wirbelkammer so positioniert ist, dass sich wenigstens ein Abschnitt hiervon gegenüber der Coanda-Oberfläche befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 20, die ferner auf der Auslassseite der Öffnung zum Ausstoßen des zweiten Fluids umfasst: a) eine Düse, die in einem dritten Fluid, das sich durch die Düse bewegt, einen axialen Geschwindigkeitsgradienten, erzeugt; b) eine Wirbelkammer, die so positioniert ist, dass sie durch das dritte Fluid, dass sich durch die Düse bewegt hat, aktiviert wird, um dadurch einen Wirbel oder ein System von Wirbeln in dem dritten Fluid in der Wirbelkammer zu bilden; und c) eine zweite Ausstoßeinrichtung zum Ausstoßen eines dritten Fluids unter die Strömung des ersten und des zweiten Fluids hinter der zweiten Ausstoßeinrichtung, wobei die zweite Ausstoßeinrichtung eine Öffnung besitzt, die so geformt ist, dass sie als einen Abschnitt hiervon eine Coanda-Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, die ferner auf der Einlassseite der Öffnung zum Ausstoßen des zweiten Fluids umfasst: a) eine Düse, die in einem vierten Fluid einen axialen Geschwindigkeitsgradienten erzeugt, wenn sich das vierte Fluid durch die Düse bewegt; b) eine Wirbelkammer, die so positioniert ist, dass sie durch das vierte Fluid, das sich durch die Düse bewegt hat, aktiviert wird, um dadurch in dem vierten Fluid in der Wirbelkammer einen Wirbel oder ein System von Wirbeln zu bilden; und c) eine Öffnung zum Ausstoßen des vierten Fluids in die Strömung des ersten Fluids hinter der Öffnung und über die Strömung des zweiten Fluids auf der Auslassseite der Öffnung, wobei die Öffnung so geformt ist, dass sie eine Coanda-Oberfläche als einen Abschnitt hiervon aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der eine Nut auf der Einlassseite der Öffnung positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der die Nut, die auf der Einlassseite der Öffnung positioniert ist, eine Leitung und eine Düse aufweist, die ein fünftes Fluid, das eine widerstandsreduzierende Substanz enthält, aufnimmt und aufbereitet.
Vorrichtung nach Anspruch 26, bei der die Leitung eine Coanda-Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der die Nut einen elliptischen Querschnitt besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 20, die ferner auf der Einlassseite der ersten Ausstoßeinrichtung umfasst: a) eine Düse, die in einem fünften Opferfluid einen axialen Geschwindigkeitsgradienten erzeugt, wenn es sich durch die Düse bewegt; b) eine Wirbelkammer, die so positioniert ist, dass sie durch das fünfte Fluid, das sich durch die Düse bewegt hat, aktiviert hat, um in dem fünften Fluid in der Wirbelkammer einen Wirbel oder ein System von Wirbeln zu bilden; und c) eine Öffnung zum Ausstoßen des fünften Fluids in die Strömung des ersten Fluids hinter der Öffnung, wobei die Öffnung so geformt ist, dass sie eine Coanda-Oberfläche als einen Abschnitt hiervon aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine Nut auf der Einlassseite der dritten Öffnung positioniert ist, um aus dem ersten Fluid eine Wirbelbewegung zu beseitigen, wenn es an der Nut vorbeiströmt.
Vorrichtung nach Anspruch 24, die ferner auf der Einlassseite der ersten Ausstoßeinrichtung umfasst: a) eine Düse, die in einem fünften Opferfluid einen axialen Geschwindigkeitsgradienten erzeugt, wenn es sich durch die Düse bewegt; b) eine Wirbelkammer, die so positioniert ist, dass sie durch das fünfte Fluid, das sich durch die Düse bewegt hat, aktiviert wird, um in dem fünften Fluid in der Wirbelkammer einen Wirbel oder ein System von Wirbeln zu bilden; und c) eine Öffnung zum Ausstoßen des fünften Fluids in die Strömung des ersten Fluids hinter der Öffnung, wobei die Öffnung so geformt ist, dass sie eine Coanda-Oberfläche als einen Abschnitt hiervon aufweist.
Verfahren zum Ausstoßen einer widerstandsreduzierenden Substanz in ein erstes Fluid in einer Weise, die eine Unterbrechung und ein Abblättern des ersten Fluids vermeidet und die Rate der Diffusion der widerstandsreduzierenden Substanz in dem ersten Fluid reduziert, um dadurch die Wirksamkeit der widerstandsreduzierenden Substanz in Bezug auf die Reduzierung des Widerstandes des ersten Fluids bei seiner Bewegung relativ zu einer Oberfläche zu erhöhen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst, die in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden: a) Aufbereiten der widerstandsreduzierenden Substanz, indem ein zweites Fluid, das die widerstandsreduzierende Substanz als ein dispergiertes Gemisch aus Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasmikroblasen und der Substanz oder als Gemisch aus Flüssigkeit und Gasmikroblasen enthält, dazu veranlasst wird, durch eine Düse zu strömen, die in dem zweiten Fluid, das das Additiv als Beimischung oder in Lösung enthält, einen axialen Geschwindigkeitsgradienten zu erzeugen, um dadurch Moleküle der widerstandsreduzierenden Substanz abzuwickeln, auszurichten und zu strecken; b) Schicken des zweiten Fluids durch eine Wirbelkammer, um einen Wirbel in der Wirbelkammer aufzubauen, um dadurch die Wirbelbewegung des zweiten Fluids zu reduzieren; c) Ausstoßen des zweiten Fluids durch eine erste Ausstoßeinrichtung, die in der Oberfläche eine Öffnung aufweist, in das erste Fluid, wenn das erste Fluid an der Oberfläche vorbeiströmt, wobei die Öffnung so geformt ist, dass sie eine erste Coanda-Oberfläche als einen Abschnitt hiervon aufweist.