DE6929749U - Schiffskoerper, insbesondere u-boot, mit einer vorrichtung zur verminderung des reibungswiderstandes. - Google Patents

Description

Schiffskörper, insbesondere U-Boot, mit einer Vorrichtung zur Verminderung des Reibungswiderstandes ?

Die Neuerung bezieht sich auf einen Schiffskörper, insbesondere U-Boot, mit einer Vorrichtung zur Verminderung des Reibungswiderstandes, die eine Einspritzeinrichtung am Bug des Schiffskörpers zum Einspritzen eines wasserlöslichen, linear vlskoelastischen Polymers mit hohem Molekulargewicht in die Schiffskörper/Wasser-Qrenzschicht aufweist.

Ein sich relativ zu Wasser bewegender Schiffskörper bildet Grenzschichten in der Nähe seiner Oberflächen aus, in denen die viskosen Kräfte von Bedeutung sind. Die Natur einer derartigen Grenzschicht hängt u. a. von Paktoren wie der Geometrie des Schiffskörpers, dem

Rauheitsgrad der Oberflächen des Schiffskörpers in der Nähe des $ Wassers und der Geschwindigkeit des Schiffskörpers relativ zum |. Wasser ab. Die Grenzschicht ist an dem Vorderteil oder dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Schiffskörpers dünn und nimmt in ihrer Ausdehnung oder der Dicke quer zur Bewegungsrichtung des Schiffskörpers entlang der Schiffskörperlänge zu. Bei extrem kleinen Relativgeschwindigkeiten oder sehr nahe dem Vorderrand kann die Grenzschicht laminar sein. Bei großen Relativgeschwindigkeiten wird die Grenzschicht turbulent und der Strömungs- oder Reibungswiderstand wird größer, als wenn in einer derartigen Strömung der laminare Zustand aufrechtzuerhalten wäre. Auch können kleine Unregelmäßigkeiten auf der Schiffskörperoberfläche die Stabilität dieser Grenzschicht zerstören.

In der US-Patentschrift 3 303 810 "Additive Drag Reduction with ; Recirculation" sind Verfahren und eine Vorrichtung zur Einsprit- ;| zung eines Additivs in Form eines viskosen, wasserlöslichen Polymers in die Strömung benachbart zu den Seiten eines Wasserfahrzeuges beschrieben worden, um den Fahrt- oder Reibungswiderstand zu vermindern. Weiterhin zeigt ein Artikel in dem Magazin "nature" vom Ί. Nov. 1967 unter der Überschrift "Stability of Dilute Viscoelastic Flows", daß die Wirkung bestimmter linearer Polymere mit großem Molekulargewicht darin besteht, die Flüssigkeitsströmung in der Nähe eines Wasserfahrzeuges zu stabilisieren. Diese Stabilisierung besteht darin, daß der übergang von einer laminaren zu einer turbulenten strömung verzögert wird und der Zwischen- bzw. Pufferbereich der turbulenten Strömung stabilisiert wird.

Es sind auch viskoelastische Additive gefunden worden, um der Wirkung der kleinen Unregelmäßigkeiten auf der Fahrzeugoberfläche entgegenzuwirken, welche die laminare Strömung der Grenzschicht zerstören. Wenn der laminare Charakter dieser Grenzschicht zerstört ist, ist es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, an nachfolgenden Stellen stromabwärts von derartigen Unregelmäßigkeiten erneut eine laminare Strömung herzustellen. Wenn viskoelastische Additive verwendet werden, wird der laminare Charakter der Grenz-

schicht stromabwärts von der Unregelmäßigkeit aufrechterhalten.

Unregelmäßigkeiten, die sich auf der stromabwärts gelegenen Oberfläche des Fahrzeuges befinden, wo die Grenzschichten viel dicker sind, werden dadurch unterdrückt und besitzen nur einen kleinen Einfluß auf die Stabilität derartiger Grenzschichten. Diese dikken Grenzschichten besitzen Jedoch eine kleinere Stabilität bezüglich der Aufrechterhaltung einer laminaren Strömung. Die Geschwindigkeit sprofile dieser dicken Grenzschichten machen diese Schichten anfälliger für das Auftreten einer Turbulenz und für die durch diese bewirkte Erhöhung des Fahrtwiderstandes (s. auch Boundary Layer Theory von Dr. Herman Schlichting, Seiten 423 bis 428, veröffentlicht I960 durch McGraw Hill Book Company, bezüglich der Saugwirkung auf den übergang in einer Grenzschicht).

Die Wirksamkeit der viskoelastischen Polymere bei der Verkleinerung des Reibungswiderstandes (Strömungswiderstandes) eines Schiffskörpers wird gesteigert, wenn die Scherkräfte in den Grenzschichten, in denen diese viskoelastischen Polymere fließen, groß sind. Diese großen Scherkräfte existieren in der Nähe der Schiffsoberfläche und insbesondere in den stromaufwärts gelegenen Abschnitten in der Nähe der Eintrittskante. Demzufolge würden derartige Additive in diesen Bereichen besonders wirksam sein. Die Wirkung der Verminderung des Reibungswiderstandes wird jedoch in dem Maße ungünstiger, wie die Dicke der Grenzschicht zunimmt, da die Scherkräfte darin verkleinert werden.

Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Neuerung, einen Schiffskörper zu schaffen, bei dem eine im wesentlichen laminare Strömung entlang seiner sich relativ zu einer Wassermasse bewegenden Oberfläche zu erzeugen und aufrecht erhalten wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Schiffskörper der eingangs genannten Are neuerungsgemäß dadurch gelöst, daß stromabwärts von der Einspritzeinrichtung auf der Oberfläche des Schiffskörpers zahlreiche Absaugplatten mit einer Vielzahl von öffnungen angeordnet sind,durcn/

ein Teil des Strömungsmittels an der Schiffskörper/Wasser-Grenzschicht absaugbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Neuerung ergeben sich aus den Schutzansprüchen.

Die mit der Neuerung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine Vergrößerung der Dicke der Grenzschicht in Längsrichtung des Schiffskörpers begrenzt wird. Dadurch wird die Stabilität der Grenzschicht vergrößert und eine laminare Strömung aufrechterhalten.

Die Neuerung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und Zeich· nung eines schematisch dargestellten U-Bootes als AusfUhrungsbeispiel eines Schiffskörpers näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Ansicht von oben auf ein U-Boot mit der neuerungsgemäßen Vorrichtung zur Reibungsverminderung.

Figur 2 zeigt einen Seitenschnitt des in Figur 1 gezeigten U-Bootes.

Figur 3 zeigt eine vergrößerte Detailansicht der in Figur 2 gezeigten Absaugvorrichtung.

Das in Figur 1 gezeigte U-Boot enthält eine Mischvorrichtung 2 zur Mischung einer Flüssigkeit, die vorzugsweise aus dem das Fahrzeug umgebenden Medium entnommen wird, mit einem linearen Polymer großen Molekulargewichts. Die Mischvorrichtung 2 kann beispielsweise Mittel umfassen, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 17 75 73^.5 beschrieben worden sind. Diese Patentanmeldung beschreibt eine Vorrichtung, die Umgebungsflüssigkeit abzieht, die Flüssigkeit als einen Hochdruckstrahl in eine Mischkammer pumpt, ein polymeres Additiv in einer Flüssigkeitssuspension mittlerer Dichte in den Strahl drückt und das polymere Additiv teilweise mit der Flüssigkeit mischt. Von der Mischkammer gelangt die frisch gemischte Lösung in eine bienenwabenförmige

Kammer, wo die Mischung im wesentlichen abgeschlossen wird. Beispiele für geeignete, in der Erfindung verwendbare Additive sind Polyäthylenoxide, Polyacrylamide und Guargummi. Nach der Mischung des Polymers wird die Lösung durch eine Leitung 3 zu einem ringförmigen Kanal H in dem Bug 5 in der Nähe der Vorderfläche oder stromaufwärts gelegenen Fläche des U-Bootes 1 geleitet und durch eine poröse ringförmige Injektionsplatte 6 in die das U-boot umgebende Flüssigkeit injiziert. Die ringförmige Injektionsplatte kann ein poröses Material, mehrere Schlitze oder eine Vielzahl von Löchern mit relativ großer hydraulischer Impedanz enthalten, damit Anstellwinkel gebildet sind, ohne daß die auf dem Umfang erfolgende Verteilung des injizierten Materials unterbrochen wird.

Stromabwärts von der Injektionsplatte 6 sind gemäß den Figuren 1 und 2 in dem Bereich, in dem sich die Grenzschicht wesentlich zu verdicken beginnt, ringförmige Absaugkanäle 10 angeordnet, die jeweils eine ringförmige Absaugplatte 11 aufweisen. Ein vergrößerter Schnitt des Absaugkanals 10 und der Absaugplatte 11 ist in Figur 3 dargestellt. Diese Absaugplatten können ebenfalls poröses Material, mehrere Schlitze oder eine Vielzahl von Löchern relativ hoher hydraulischer Impedanz enthalten. Derartige Strukturen sind in der Technik allgemein bekannt und werden für derartige Absaugzwecke verwendet. Diese Strukturen schaffen eine relativ glatte Oberfläche, während sie es gleichzeitig ermöglichen, daß ein in der Nähe oder direkt vorbeiströmendes Strömungsmittel durch die Poren in dem porösen Material und durch die Schlitze und Löcher in den anderen Materialien abgezogen wird. Der Einfachheit halber sind die ringförmigen Absaugplatten 11 mit der gleichen Längsausdehnung und dem gleichen Abstand dargestellt. Der tatsächliche Abstand, die Größenausdehnung und die Strömung hängen jedoch "von der Aufrechterhaltung einer stabilen Strömung ab und sie sind deshalb von der Geschwindigkeit des Schiffskörpers, seiner Geometrie und der Konzentration des Polymers in der Grenzschicht abhängig. Im allgemeinen werden die ringförmigen Absaugplatten 11 stromabwärts näher beieinander angeordnet werden, da in dieser Richtung die Konzentration des polymeren Materials abnimmt.

leres Geschwindigkeitsprofil, wie es durch ein Absaugen mit geringerem Energieverlust erhalten wird, die Grenzschicht weniger

Jeder der ringförmigen Absaugkanäle 10 ist über Leitungen mit |[ einem Verteiler 12 verbunden, der über eine Rohrleitung an den ^!j Einlaß 13 einer Pumpe I^ angeschlossen ist. Der Auslaß 15 der | Pumpe IM ist an den Einlaß der Mischvorrichtung 2 angeschlossen, um das verdünnte viskoelastische Material, das durch die Injektionsplatte 6 eingespritzt worden ist, anzureichern und erneut zu verwenden. In den Rohrleitungen von den Absaugkanälen 10 zu dem Verteiler 12 kann eine hydraulische Impedanz vorgesehen sein, um zur Erzeugung der Stabilität in der Grenzschicht für das erwünschte Absaugmaß an der Oberfläche der Absaugplatten 11 zu sorgen.

Im Betrieb wird während der Bewegung des U-Bootes durch das Wasser das in der Mischvorrichtung 2 hergestellte Additiv dem Kanal M zugeführt, von dem aus das Additiv durch die ringförmige poröse Injektionsplatte 6 hindurch in die Grenzschicht eingeleitet wird. Diese Einströmung des Additivs in die Grenzschicht verkleinert die Reibung einer derartigen Schicht auf dem U-Boot und stabilisiert ferner die Grenzschicht an der vorderen oder stromaufwärts gelegenen Oberfläche dadurch, daß das Additiv die Aufrechterhaltung der laminaren Strömung in der Grenzschicht ermöglicht, selbst wenn auf der Oberfläche Unregelmäßigkeiten vorhanden sind. Die seitliche Ausdehnung der Grenzschicht nimmt in Richtung stromabwärts zu. In dem Maße, wie die Grenzschicht in der Ausdehnung oder Breite anwächst, wird sie jedoch anfälliger für eine nicht-laminare Strömung. Die Pumpe IM verringert den Druck in den Absaugkanälen 10 und zieht einen Tei2 des Strömungsmittels von der Grenzschicht ab, und zwar insbesondere das langsamer strömende Strömungsmittel in unmittelbarer Nähe der Oberfläche des Schiffskörpers. Demzufolge wird die Dicke der Grenzschicht verkleinert oder an ihrer Ausdehnung auf ein solches Maß gehindert, das eine derartige Schicht instabil machen würde.

Dünne Grenzschichten sind stabiler als dicke Grenzschichten, wie es bereits oben ausgeführt worden ist. Desgleichen macht ein vol- |

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anfällig für die Ausbildung einer Turbulenz. In derartigen Grenzschichten bestehen größere Scherkräfte. Viskoelactiache Additive» wie sie oben genannt worden sind, sind für die Verminderung des Fahrtwiderstandes am wirkungsvollsten, wenn sie großen Scherkräften ausgesetzt sind. Wenn also das viskoelastische Strömungsmittel an einer derartigen Grenzschicht entlangfließt, wird es großen Scherbeanspruchungen ausgesetzt, die durch das Absaugen auf der Grenzschicht erzeugt werden. Dadurch wird die Wirkung des viskoelastischen Additivs für die Verminderung des Fahrt <-widerstandes am besten.

Somit schafft die vorliegende Neuerung eine Kombination von Mit« teln, die jeweils so angeordnet sind, daß sie auf entsprechende Bereiche einer Strömung einwirken, wo sie für eine Verminderung des Fahrtwiderstandes besonders geeignet sind. Eine derartige Kombination verbessert nicht nur die gesamte Fahrtwideratands-Verminderung durch die einzelnen Beiträge der Mittel; sie ist vielmehr auch durch die Kombinationswirkung der Mittel über den Absaugabschnitten verbessert.

Claims (3)

G 69 29 11O9-RDCD-46 Schutzansprüche

1. Schiffskörper, insbesondere U-Boot, mit einer Vorrichtung

zur Verminderung des Reibungswiderstandes, die eine Einspritzeinrichtung am Bug des Schiffskörpers zum Einspritzen eines wasserlöslichen, linear vlskoelastIschen Polymers mit hohem Molekulargewicht in die Schiffskörper/Wasser-Grenzschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts von der Einspritzeinrichtung (6) auf der Oberfläche des Schiffskörpers (1) zahlreiche Absaugplatten (11) mit einer Vielzahl von öffnungen angeordnet sind, durch die ein Teil des Strömungsmittels an der Schiffskörper/Wasser-Qrenzschicht absaugbar ist.

2. Schiffskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die öffnungen in den Absaugplatten (11) durch die Poren poröser Materialien oder eine Vielzahl von Schlitzen oder Löchern gebildet sind.

3. Schiffskörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Absaugplatten (11) in stromabwärt ige r Richtung näher beieinander angeordnet sind.

Jrper/Wasser-Qrenz· fmittel zur Einspritzeinrichtung

zeichnet , schicht ab