ES2222386T3 - Metodo y aparato para aumentar la eficacia y el rendimiento de tecnicas de control de multiples capas limites. - Google Patents
Metodo y aparato para aumentar la eficacia y el rendimiento de tecnicas de control de multiples capas limites.Info
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Abstract
Un método de eyección de una sustancia reductora de la resistencia al avance en un primer fluido, de una manera que evita el rompimiento y la "descarga" del primer fluido y reduce la velocidad de difusión de la sustancia reductora de resistencia al avance en el primer fluido, para incrementar con ello la efectividad de la sustancia reductora de resistencia al avance reduciendo la resistencia al avance del primer fluido en movimiento con relación a una pared, comprendiendo dicho método las etapas que siguen, realizadas en el orden que se indica: a) acondicionar la sustancia reductora de resistencia al avance, haciendo que un segundo fluido, que incluye la sustancia reductora de resistencia al avance, como sólido, líquido microburbujas de gas dispersado, y mezcla de esa sustancia, fluya a través de una boquilla que produce un gradiente de velocidad axial dentro del segundo fluido que contiene el aditivo como mezcla o en solución, para desenrollar con ello, alinear y extender las moléculas dela sustancia reductora de resistencia al avance; b) hacer pasar el segundo fluido por una cámara de vórtice, para establecer un vórtice dentro de la cámara de vórtice, reduciendo con ello la vorticidad del segundo fluido; c) eyectar el segundo fluido a través de un primer eyector, que tiene una abertura en una pared, en el primer fluido, según circula dicho primer fluido más allá de la citada pared, estando formada dicha pared de modo que incluye una primera superficie de Coanda como parte de la misma.
Description
Método y aparato para aumentar la eficacia y el
rendimiento de técnicas de control de múltiples capas límites.
Esta invención se refiere a un método y un
aparato mucho más eficaces, para reducir la resistencia al avance
de planchas o buques que se mueven en relación a un fluido, y de
los flujos internos tales como los líquidos que se mueven a través
de propulsores marinos de chorro de agua. La invención puede ser
utilizada para eyectar aditivos en zonas específicas de la capa
límite, para modificar las propiedades reológicas del fluido sin el
rompimiento de la capa límite, y sin la difusión rápida del aditivo
a través de la capa límite inherente a las técnicas de eyección
tradicionales.
Con anterioridad, la eficacia y el rendimiento de
reducción de la resistencia al avance obtenidos mediante la eyección
de aditivos no Newtonianos en los flujos de la capa límite
turbulenta "externa", se han visto limitados en relación a la
eficacia y el rendimiento observados en los flujos de conducto o
"internos". En flujos de conducto turbulentos de alto número
de Reynolds la reducción de la resistencia al avance por fricción ha
sido solamente de alrededor del 40 al 60 por ciento. Además, los
elevados precios de coste del aditivo experimentados por las capas
límite externas, han limitado el beneficio económico de implementar
sistemas de aditivo en una embarcación de transporte marítimo. Las
técnicas de eyección para introducir aditivos en flujos externos han
introducido también gradientes de viscosidad inestables y, en
algunos casos, desfavorables, en la capa límite, de tal modo que
las inconveniencias asociadas al proceso de eyección han dado como
resultado un beneficio neto enormemente reducido. Se necesita un
método más eficaz de introducción de aditivos en la zona de pared
próxima de la capa límite para reducción de la resistencia al
avance.
En la técnica anterior, los avances han estado
dirigidos a la mezcla de aditivo o a la generación de burbujas, y
se ha prestado poca atención al propio eyector. La Patente U.S.
núm. 4.186.679 de Fabula et al (que fue concedida el 5 de
Febrero de 1980), es representativa de la modesta atención prestada
al propio sistema eyector. En este caso, el eyector está
identificado como "una pluralidad de aberturas de eyección
enfiladas hacia atrás". De manera similar, en la Patente U.S.
núm. 4.987.844 de Nadolink (que fue concedida el 29 de Enero de
1991), el foco se centra en métodos y aparatos para bombear
solvente pasivamente, para mezclar múltiples aditivos o
suspensiones, y para dirigir la mezcla hasta la posición de mínimo
coeficiente de presión para la eyección. El aparato de eyección está
identificado solamente como una de las muchas opciones,
específicamente "cualquier pantalla, malla, un medio poroso,
material perforado, orificios taladrados con geometría específica,
una ranura circunferencial, etc," y que "se pueden emplear
otras formas de aparatos de eyección .... para conseguir el
resultado de la presente invención". En la Patente U.S. núm.
5.445.095 de Reed et al (que fue concedida el 29 de Agosto
de 1995), nervaduras longitudinales se combinan con la eyección de
polímero para controlar de forma pronosticable la velocidad de
difusión del polímero. Sin embargo, la máxima distancia corriente
abajo a la que el material se ha difundido completamente por fuera
de las nervaduras, fue identificada como de alrededor de 400 veces
la anchura de las nervaduras, lo que asciende hasta un orden de
centímetros para un vehículo marino, mientras que la distancia de
difusión para la presente invención se ha demostrado que es del
orden de decenas de metros. Al igual que con las otras invenciones,
no se identifica ninguna técnica de eyección específica; solamente
se relacionan una serie de métodos "factibles". En las
solicitudes de Patente japonesas abiertas al público núms. 09 151913
y 09 151914, de Mitsutake Hideo y Yoshida Yuki, respectivamente,
ambas publicadas el 29-11-95, las
burbujas de aire se distribuyen a lo largo de la superficie
sumergida de un barco para reducir la resistencia al avance. En la
primera solicitud de Patente abierta al público, los eyectores son
simplemente tubos rectos, uno para burbujas de aire, y uno corriente
arriba para un líquido. El objetivo pretendido del eyector corriente
arriba de "alta energía cinética" consiste en arrastrar las
burbujas de aire desde el eyección corriente abajo sobre el interior
de la capa límite cerca de la superficie sumergida. La segunda
solicitud de Patente abierta al público, se titula "Microbubble
Generator, Generador de Microburbujas", pero un componente clave
consiste en un generador de burbujas flexible inclinado hacia atrás
(corriente arriba), con una trayectoria de fluido sinusoidal. El
puerto de eyección es la salida del generador de burbujas, que se
enfrenta corriente arriba contra el flujo. Los efectos con relación
a la eyección de aditivos contra el flujo o el rompimiento de la
capa límite con un chorro de pared de lata energía, no se
discuten.
Una discusión clásica de la teoría de capa
límite, que incluye la formulación de Navier-Stokes
y ecuaciones de capa límite turbulenta, se proporciona en
Boundary-Layer Theory (Teoría de Capa Límite), de
Dr. Hermann
\hbox{Schlichting,}publicada por McGraw Hill, Nueva York, séptima edición, 1979. Se puede encontrar una discusión de estructuras y escalas en los flujos turbulentos en Turbulence (Turbulencia), 1975, McGraw Hill, escrita por J.O. Hinze, y en
"Coherent Motions in the Turbulent Boundary Layer, Movimientos Coherentes en la Capa Límite Turbulenta", en Annual Review of Fluid Mechanics, 1991, Volumen 23, pp. 601 a 639, escrita por Steven K. Robinson. El potencial de soluciones acuosas diluidas en moléculas de polímero de cadena larga para reducir la resistencia al avance, conocido ahora como Efecto de Toms, fue introducido por B.A. Toms en el Primer Congreso Internacional sobre Reología en Ámsterdam en 1948, y fue publicado en los procedimientos de esas conferencia. P.S. Virk et al, introdujo el concepto de límites reducción de resistencia al avance con soluciones de polímero en flujos de conducto turbulentos, en un documento titulado "The Ultimate Asymptote and Mean Flow Structures in Toms' Phenomenon, La Asíntota Última y las Estructuras de Flujo Medio en el Fenómeno de Toms", publicado el ASME Journal of Applied Mechanics, 37, páginas 488 a 493, en 1970. Virk et al relacionó el nivel de reducción de resistencia al avance con un incremento del espesor de la zona amortiguadora, la cual, a su vez, estaba limitada por el diámetro del conducto. Para flujos externos, no se impuso ninguna de esas limitaciones físicas. Sin embargo, D.T. Walker, su profesor W. Tiederman, y su compañero T.S. Luchik, en un documento titulado "Optimization of the ejection process for drag-reducing additives, Optimización del proceso de eyección para aditivos reductores de la resistencia de avance", que fue publicado en Experiments in Fluids (Experimentos en Fluidos), 4, páginas 114 a 120, en 1986, obtuvieron que los límites de reducción de resistencia al avance para la eyección por ranura en un flujo de canal eran del 20 al 40 por ciento menos que la reducción máxima de resistencia al avance observada en los flujos de conductos. Estas observaciones fueron confirmadas por otros, tal como Yu. F. Ivanyuta y A.A. Khomyakov en su artículo "Investigation of Drag Reduction Effectiveness with Ejection of Viscoelastic Polymer Solutions, Investigación de la Efectividad de Reducción de la Resistencia al Avance con la Eyección de Soluciones Viscoelásticas de Polímero", que fue publicado en el Proceedings of the International Shipbuilding Conference, KRSI, Octubre, 1994, St. Petersburgo, páginas 163 a 170, en Rusia.
Mientras que las soluciones diluidas de polímero
se comportan como fluidos Newtonianos en flujos laminares, A. Gyr y
H.W. Bewersdorff, en su texto Drag Reduction of Turbulent Flows by
Additives (Reducción de Resistencia al Avance de Flujos Turbulentos
mediante Aditivos), Kluwer Academic Publishers, 1995, puntualizan
que en determinados flujos laminares, tales como los flujos de
contracción laminar, las soluciones de polímero presentan un
comportamiento no Newtoniano. La hipótesis citada consiste en que
en un flujo de ese tipo, como en el flujo turbulento, las moléculas
largas del aditivo resultan estiradas (desenrolladas y alargadas),
y alineadas en el flujo, lo que son condiciones necesarias para que
la solución presente un comportamiento no Newtoniano. V.G.
Pogrebnyak, Y.F. Ivanyuta, y S.Y. Frenbel, en su documento "The
Structure of the Hydrodinamic Field and Directions of the Molecular
Slope of Flexible Polymers Under Free-Converging
Flow Conditions, Estructura del Campo Hidrodinámico y Direcciones
de la Inclinación Molecular de Polímeros Flexibles Bajo Condiciones
de Flujo de Convergencia Libre", definen las condiciones bajo las
que las moléculas de polímero pueden ser desenrolladas, alineadas y
extendidas suficientemente como para que resulten efectivas en la
reducción de la resistencia al avance.
Los experimentos de C.S. Wells y J.G. Spangler,
descritos en su documento "Injection of a
Drag-reducing Fluid into Turbulent Pipe Flow of a
Newtonian Fluid, Inyección de un Fluido Reductor de Resistencia al
Avance en un Flujo de Conducto Turbulento de un Fluido
Newtoniano", publicado en The Physics of Fluids, Vol. 10, núm.
9, páginas 1890 a 1894, Septiembre de 1967, de M.M. Reischman y W.G.
Tiederman, describían en un artículo
"Laser-Doppler Anemometer Measurements in
Drag-reducing Channel Flows, Mediciones de
Anemómetro Láser-Doppler en Flujos de Canal de
Reducción de Resistencia al Avance", publicado en el Journal of
Fluid Mechanics, Vol. 70, parte 2, páginas 360 a 392, en 1.975, y
por W.D. McCombs y L. Rabie en "Local Drag Reduction Due to
Injection of Polymer Solutions into Turbulent Flow in a Pipe,
Reducción Local de Resistencia al Avance Debido a la Inyección de
Soluciones de Polímero en un Flujo Turbulento en un Conducto",
Partes I y II, publicado en el AIChE Journal, Vol. 28, núm. 4,
páginas 547 a 565, en Julio de 1982, han demostrado claramente que
los aditivos polímeros pueden reducir la resistencia al avance
cuando están en la zona de pared próxima de la capa límite
turbulenta, conocida como zona amortiguadora. En unidades de pared
viscosa, denominadas en lo que sigue y^{+}, que son valores de
longitud no dimensionados con velocidad de fricción y viscosidad
cinemática, la zona estuvo entre alrededor de 20 y 100 unidades de
pared viscosa desde la pared. Se ha observado que a niveles altos de
reducción de resistencia al avance, la zona amortiguadora está
regruesada y puede extenderse hasta varios cientos de unidades de
pared viscosa. No se observó ninguna reducción de resistencia al
avance ni efectos relativos cuando el polímero fue confinado a la
zona en la que los esfuerzos compartidos viscosos dominan sobre los
esfuerzos de Reynolds, es decir, dentro de alrededor de 12 unidades
de pared viscosa. La nomenclatura utilizada en la literatura es un
valor y^{+} de 11,6. Según han mostrado muchos autores, incluyendo
A.A. Fontaine, H.L. Petrie, y T.A. Brungart en su documento
"Velocity Profile Statistics in a Turbulent Boundary Layer with
Soft-Injected Polymer, Estadística de Perfil de
Velocidad en una Capa Límite Turbulenta con Polímero Inyectado
Suave", publicado en J. Fluid Mechanics, Vol. 238, páginas 435 a
466 en 1992, el flujo a través de esta zona por trayecto unitario,
Q_{s}, es igual a 67,3 veces la viscosidad cinemática del fluido.
Para un fluido dado y una temperatura del fluido, esta velocidad de
flujo es independiente de la velocidad de la corriente libre y de la
distancia desde el comienzo de la capa límite.
Mientras que la sensibilidad de reducción de la
resistencia al avance a la posición del aditivo dentro de la capa
límite, ha sido reconocida desde 1967, el elegante trabajo de M.
Poreh y J.E. Cermak en relación con el "Study of Diffusion from a
Line Source into a Turbulent Boundary Layer, Estudio de Difusión a
partir de una Fuente Lineal en una Capa Límite Turbulenta",
publicado en el Int. Journal Heat and Mass Transfer, núm. 7, en
1964, convenció a la mayor parte de los investigadores de que la
difusión del fluido eyectado era inevitable y rápida. Así, según
informó J.W. Hoyt y A.G. Fabula en "Frictional Resistance in
Towing Tanks, Resistencia Friccional en Tanques de Arrastre",
publicado en el Proceedings of 10^{th} Industrial Towing Tank
Conference, en Teddington, Inglaterra, en 1963, por T Kowalski sobre
"The Effect in Resistance of Polymer Additives Injected into the
Boundary Layer of a Frigate Model, El Efecto en la Resistencia de
Aditivos Polímeros Inyectados en la Capa Límite de un Modelo de
Fragata", publicado en el Transactions of the Eleventh
International Towing Tanks Conference of Ship Superintendent en
Tokio, en 1966, por H.L. Dove y H.J.S. Canham sobre HMS Highburton
Speed Trials with Polyox Injection into the Boundary Layer (Pruebas
de Velocidad de Highburton HMS con Inyección de Polióxido en la Capa
Límite), publicado en AEW Informe núm. 11/69, por W. Xiliang, D.
Yongxuan, X. Changshen, y W-. Guigin en "Drag Reduction by Polymer
Ejection Described, Reducción de Resistencia al Avance mediante
Eyección de Polímero Descrita", publicado en Shipbuilding of
China, núm. 66, página 45 a 57 en Julio de 1980, y por los
investigadores de la Unión Soviética como han descrito B.F. Dronov y
B.A. Barbanel en su documento "Early Experience of BLC Techniques
Usage in Underwater Shipbuilding, Experiencia Prematura de la
Utilización de Técnicas BLC en la Construcción de Barcos
Submarinos", publicado en el Proceedings of Warship 99, Naval
Submarine 6, por el Royal Institute of Naval Architects, Londres, en
Junio de 1999, los investigadores utilizaron una amplia gama de
ranuras en ángulo o aberturas circulares para eyectar material
suficiente para inundar la capa límite en su totalidad. Debido a la
aceptación de difusión rápida, no sólo a través, sino incluso por
fuera, de la capa límite, la cantidad de material eyectado fue con
frecuencia varias veces el calculado para inundar la capa límite
completa en su mayor extensión. Las velocidades de eyección fueron
normalmente del mismo orden que la velocidad de corriente libre, y
las velocidades de flujo masivo eyectado excedió con frecuencia de
100 Q_{s}.
En el documento "Suppressed Diffusion of
Drag-reducing Polymer in a Turbulent Boundary Layer,
Difusión Contenida de Polímero de Reducción de Resistencia al Avance
en una Capa Límite Turbulenta", publicado en el Journal of
Hydronautics, núm. 6, en 1972, J. Wu, y después D. Collins en su
tesis titulada "A Turbulent Boundary Layer with Slot Injection of
Drag-reducing Polymer, Una Capa Limite Turbulenta
con Inyección por Ranura de Polímero Reductor de Resistencia al
Avance", en el Georgia Institute of Technology en Julio de 1973,
informó primero de una velocidad de difusión más baja para
soluciones de polímero que fue aceptada en general. En 1989, D. T.
Walker y W.G. Tiederman confirmaron esas observaciones en sus
documentos "Simultaneous Laser Velocimeter and Concentration
Measurements, Mediciones de Concentración y Velocímetro Láser
Simultáneo", publicado en el Journal of Laser
Applications 1, páginas 44 a 48 en 1989, y "The Concentration Field in a Turbulent Channel Flow with Polymer Injection at the Wall, Campo de Concentración en un Flujo de Canal Turbulento con Inyección de Polímero en la Pared", publicado en Experiments in Fluids, 8, páginas 86 a 94 en 1989. En los recientes años 90, existió un reconocimiento creciente de que el trabajo de Poreh y Cermak, mantenido como estándar en cuanto a comportamiento de difusión, pudo ser aplicado solamente a la introducción de contaminantes "pasivos" en flujos turbulentos. Específicamente, los contaminantes "activos", tales como las soluciones acuosas de polímeros de alto peso molecular, que afectan al carácter de turbulencia y, por ello, al proceso de difusión, no se comportan del mismo modo: la difusión puede ser más gradual. Esto fue confirmado por T.a. Brungart, L.L. Petrie, W.L. Harbison, y C.L. Merkle en su trabajo utilizando "A Fluorescence Technique for Measurement of Slot-Injected Fluid Concentration Profiles in a Turbulent Boundary Layer, Una Técnica de Fluorescencia para la Medición de Perfiles de Concentración de Fluido Inyectado por Ranura en una Capa Límite Turbulenta", y publicado en Experiments in Fluids, 11, en 1991. El siguiente año, S.T. Sommer y H.L. Petrie publicaron "Diffusion of slot-injected drag-reducing polymer solution in a LEBU-modified turbulent boundary layer, Difusión de solución de polímero de reducción de resistencia al avance inyectado por ranura en una capa límite turbulenta modificada con LEBU", en Experiments in Fluids, 12, en el que demostraron, en flujos a velocidad relativamente alta, que el control o la modificación del campo de flujo externo en la ranura de inyección con un par de dispositivos de rompimiento de remolino grande (LEBUs), reducía adicionalmente la velocidad de difusión de polímero a través de la capa límite. Además, H.L. Petrie y T.A. Brungart, en su documento "Velocity Profile Statistics in a Turbulent Boundary Layer with Slot-injected Polymer, Estadística de Perfil de Velocidad en una Capa Límite Turbulenta con Polímero Inyectado por Ranura", publicado en el Journal of Fluid Mechanics, 238, páginas 435 a 466 en 1992, demostraron que una reducción de la velocidad de flujo masivo del fluido eyectado, en un valor de dos, y una duplicación de las concentraciones para mantener una velocidad de consumo de polímero constante, producían una reducción adicional de la velocidad de difusión.
Applications 1, páginas 44 a 48 en 1989, y "The Concentration Field in a Turbulent Channel Flow with Polymer Injection at the Wall, Campo de Concentración en un Flujo de Canal Turbulento con Inyección de Polímero en la Pared", publicado en Experiments in Fluids, 8, páginas 86 a 94 en 1989. En los recientes años 90, existió un reconocimiento creciente de que el trabajo de Poreh y Cermak, mantenido como estándar en cuanto a comportamiento de difusión, pudo ser aplicado solamente a la introducción de contaminantes "pasivos" en flujos turbulentos. Específicamente, los contaminantes "activos", tales como las soluciones acuosas de polímeros de alto peso molecular, que afectan al carácter de turbulencia y, por ello, al proceso de difusión, no se comportan del mismo modo: la difusión puede ser más gradual. Esto fue confirmado por T.a. Brungart, L.L. Petrie, W.L. Harbison, y C.L. Merkle en su trabajo utilizando "A Fluorescence Technique for Measurement of Slot-Injected Fluid Concentration Profiles in a Turbulent Boundary Layer, Una Técnica de Fluorescencia para la Medición de Perfiles de Concentración de Fluido Inyectado por Ranura en una Capa Límite Turbulenta", y publicado en Experiments in Fluids, 11, en 1991. El siguiente año, S.T. Sommer y H.L. Petrie publicaron "Diffusion of slot-injected drag-reducing polymer solution in a LEBU-modified turbulent boundary layer, Difusión de solución de polímero de reducción de resistencia al avance inyectado por ranura en una capa límite turbulenta modificada con LEBU", en Experiments in Fluids, 12, en el que demostraron, en flujos a velocidad relativamente alta, que el control o la modificación del campo de flujo externo en la ranura de inyección con un par de dispositivos de rompimiento de remolino grande (LEBUs), reducía adicionalmente la velocidad de difusión de polímero a través de la capa límite. Además, H.L. Petrie y T.A. Brungart, en su documento "Velocity Profile Statistics in a Turbulent Boundary Layer with Slot-injected Polymer, Estadística de Perfil de Velocidad en una Capa Límite Turbulenta con Polímero Inyectado por Ranura", publicado en el Journal of Fluid Mechanics, 238, páginas 435 a 466 en 1992, demostraron que una reducción de la velocidad de flujo masivo del fluido eyectado, en un valor de dos, y una duplicación de las concentraciones para mantener una velocidad de consumo de polímero constante, producían una reducción adicional de la velocidad de difusión.
W.B. Amfilokhiev, B.A. Barbarnel, y N.P. Mazaeva,
en su documento sobre "The Boundary Layer with Slot
Injection of Polymer Solutions, Capa Límite con Inyección por
Ranura de Soluciones Polímeras", preparado para el Décimo
Encuentro Europeo sobre Trabajos de Reducción de Resistencia al
Avance, del 16 al 17 de Marzo de 1967, puntualizaron que la
experiencia ha demostrado que una simple ranura con una
concentración muy alta, era superior a la misma cantidad o superior
de aditivo eyectado desde múltiples ranuras a lo largo de la
longitud del buque. Este punto de vista de base empírica, fue
validado por Tiederman, Luchik, y Bogard en su trabajo representado
en
"Wall-Layer Structure and Drag-Reduction", publicado en el Journal of Fluid Mechanics, Vol. 156, páginas 419 a 437 (1985), en el que demostraron que la eyección incluso a velocidades de descarga modestas, era disruptiva frente a la capa límite, y daba como resultado un incremento de la resistencia al avance por fricción superficial local, corriente arriba en, y corriente bajo del, lugar de eyección. W.M. Kays y M.E. Crawford, en su texto sobre Convective Heat and Mass Transfer (Transferencia de Masa y Calor de Convección), publicado por McGraw-Hill, Inc. (1993), tercera edición, páginas 226 a 230, puntualizaban que cuando la relación del flujo masivo de un segundo fluido, o eyectado, normal al flujo masivo del primer fluido, o corriente libre, excede de 0,01, la capa límite se ve "literalmente expulsada de la superficie de pared".
"Wall-Layer Structure and Drag-Reduction", publicado en el Journal of Fluid Mechanics, Vol. 156, páginas 419 a 437 (1985), en el que demostraron que la eyección incluso a velocidades de descarga modestas, era disruptiva frente a la capa límite, y daba como resultado un incremento de la resistencia al avance por fricción superficial local, corriente arriba en, y corriente bajo del, lugar de eyección. W.M. Kays y M.E. Crawford, en su texto sobre Convective Heat and Mass Transfer (Transferencia de Masa y Calor de Convección), publicado por McGraw-Hill, Inc. (1993), tercera edición, páginas 226 a 230, puntualizaban que cuando la relación del flujo masivo de un segundo fluido, o eyectado, normal al flujo masivo del primer fluido, o corriente libre, excede de 0,01, la capa límite se ve "literalmente expulsada de la superficie de pared".
Un buen resumen sobre su propia investigación,
así como también de la investigación de otros experimentos con
inyección de gas, es el presentado por C.L. Merkle y S. Deutsch en
su artículo "Drag Reduction in Liquid Boundary Layers by Gas
Injection, Reducción de Resistencia al Avance en Capas límite
Líquidas mediante Inyección de Gas". Este artículo está incluido
en el texto Viscous Drag Reduction in Boundary Layers (Reducción
Viscosa de Resistencia al Avance en Capas Límite), editado por D.M.
Bushnell y J.N. Hefner, vol. 123, páginas 351 a 410, y fue publicado
en 1990.
La solicitud de Patente U.S. núm. 09/223.783,
"Método para Reducir la Velocidad de Disipación de Fluido Eyectado
en una Capa Límite", que fue depositada el 31 de Diciembre de
1998, y que fue concedida como Patente U.S. núm. 6.138.704,
describe un método para introducir vorticidad ordenada corriente
arriba de, y en, fluidos reductores de resistencia al avance
eyectados. La vorticidad controlada y favorable se emplea para
mantener el fluido eyectado en la zona próxima a la pared y para
orientar las moléculas o estructuras del aditivo en la
configuración en la que son más efectivas.
Una discusión, y los resultados experimentales de
proporcionar un gradiente de viscosidad positivo o favorable en la
zona próxima a la pared de la capa límite, se encuentra disponible
en el documento de J. Kato, Y. Fujii, H. Yamguchi, y M. Miyanaga,
titulado "Frictional Drag Reduction by Injecting
High-viscosity Fluid into a Turbulent Boundary
Layer, Reducción de Resistencia al Avance por Fricción mediante
Inyección de Fluido de Alta Viscosidad en una Capa Límite
Turbulenta", publicado en Transactions of the ASME, 115, páginas
206 a 211, en Junio de 1993. El efecto adverso de producir un
gradiente de viscosidad negativo cuando se eyecta polímero, fue
identificado en el documento identificado anteriormente por C.S.
Well y J.G. Spangler (1967) y en los documentos de J. Wu y M.
Tulin, tal como "Drag Reduction by Ejecting Additive Solutions
into a Pure Water Boundary Layer, Reducción de Resistencia al
Avance mediante Eyección de Soluciones de Aditivo en una Capa Límite
de Agua Pura", que fue publicado en el Transactions of the ASME,
journal of Basic Engineering, en 1972. En su documento de 1994
citado anteriormente (en ruso), Yu. F. Ivanyuta y A.A. Khomyakov
presentan el argumento teórico de que un gradiente de viscosidad
positivo promoverá la estabilización en flujo laminar. Éstos
presentan los resultados de una serie de experimentos en flujo
turbulento, en los que dan a entender el establecimiento de un
gradiente de viscosidad favorable con la utilización de un eyector
especial. No se presentó ninguna geometría del sistema de eyección,
ni tampoco detalles del método para conseguir el gradiente de
viscosidad favorable, pero los resultados representados indicaban
que la reducción de la resistencia arrastrada se incrementó desde
alrededor del 50 por ciento hasta alrededor el 70 por ciento sobre
su cuerpo de longitud muy larga (40 m), pero de diámetro pequeño
(0,4 m). También informaron de que sus mediciones de la reducción
local de resistencia al avance indicaban una mejora constante (mayor
reducción de resistencia al arrastre), en relación con su método de
eyección anterior, a lo largo de la longitud del cuerpo
arrastrado.
Completamente apartadas del uso de aditivos para
el control de la capa límite, están las técnicas de retardar o
eliminar la separación de flujo que, en otro caso, conducirían a
incrementar la resistencia al avance. F.O. Ringleb describió el
potencial para el "Separation Control by Trapped Vortices,
Control de Separación mediante Vórtices Atrapados", en el texto
Boundary Layer Control (Control de Capa Límite), Vol. 1, G.V.
Lachmann, editor, publicado por Pergamon Press en 1961, así como
también en una "Discussion of Problems Associated with Standing
Vortices and their Applications, Discusión de Problemas Asociados a
Vórtices Verticales y sus Aplicaciones", presentado en el
Simposio ASME sobre Flujos Completamente Separados en Filadelfia,
PA, del 18 al 20 de Mayo de 1964. El concepto consiste en
proporcionar un cambio brusco de geometría de configuración en una
zona en la que la trayectoria de flujo es en otro caso continua,
pero donde debe esperarse una separación sobre la superficie o
pared continua. Un cambio brusco de la geometría, tal como el
producido mediante una ranura transversal, puede producir un fuerte
vórtice en la ranura. De este modo, el flujo anexo por encima de los
vórtices puentea la ranura y se mantiene unido corriente abajo.
Esta técnica de producción de vorticidad arrastrada estable ha sido
utilizada para evitar, o reducir, una estela extensa de flujo
separado. Conocidos a veces como vórtices de Ringleb, se utilizan
con frecuencia en difusores y en la base de cuerpos romos.
Las discusiones sobre los chorros de pared para
controlar la separación de flujo turbulento incomprimible, puede ser
encontrada en Control of Flow Separation (Control de Separación de
Flujo), de Paul K. Chang, publicado por Hemisphere Publishing
Corporation, en 1976. Se utilizan chorros del mismo fluido que en la
corriente libre para arrastrar el flujo de la corriente libre en
zonas de gradiente de presión negativo. El concepto consiste en
utilizar el momento excesivo del chorro de pared para desviar la
pérdida de momento de capa límite resultante de la fricción
superficial. Sin embargo, sin un cuidadoso equilibrio de los dos
efectos, se puede reducir el beneficio, o incluso ser invertido
mediante el incremento del esfuerzo compartido de pared producido
por el chorro. La mezcla se incrementa debido a la inestabilidad
introducida en la capa límite por el chorro. A.I. Tcygan'uk, L.F.
Kozlov, V.N. Vovk, y S.L. Maximov describieron un método y un
dispositivo para reducir la inestabilidad introducida por un chorro
de pared en su invención titulada "Technique for Control of the
Near-wall Layer Flowing Over a Hard Body by a
Method of a Control Jet and a Device for Realization of this
Technique, Técnica para el Control de la Capa Cercana a la Pared
que Fluye Sobre un Cuerpo Duro mediante un Método de Chorro de
Control y Dispositivo para la Realización de Esta Técnica", la
cual fue publicada en el Boletín #30 del 15 de Agosto de 1990, como
Certificado de Inventor Soviético núm. S.U. 1585569 A1. Este método
y dispositivo difieren de otros sistemas de chorro de pared
previstos para transportar la capa límite en virtud de la creación
de una zona de vórtice en la región en que el chorro de control se
une con el flujo de corriente libre. La invención reivindica el
hecho de que la zona de vórtice se produce mediante una cámara de
vórtice cuando posee una abertura para el chorro que es
aproximadamente 0,28 la longitud de la cámara.
La presente invención permite la eyección no
disruptiva de fluidos en estratos seleccionados de la zona próxima a
la pared de una capa límite de un flujo de fluido. Como primer
objetivo, la presente invención pre-acondiciona el
flujo corriente arriba para reducir la difusión inicial de aditivo
cuando se funde con el flujo de capa límite. El segundo objeto de la
invención consiste en pre-acondicionar la corriente
eyectada y el aditivo dentro de la corriente eyectada, de tal modo
que es inmediatamente efectiva en la reducción de la difusión
turbulenta y en la pérdida de momento dentro del fluido eyectado
según entra en la capa límite. Un tercer objeto de la invención
consiste en inhibir el rompimiento indeseado del campo de flujo
establecido. Otro objeto de la invención consiste en eliminar el
gradiente de viscosidad desfavorable inherente a la eyección de
concentraciones altas de aditivo no newtoniano o mezcla de
gas-líquido; el quinto objeto de la invención
consiste en permitir la colocación selectiva de múltiples aditivos
en estratos a través de la capa límite; el sexto objeto consiste en
disponer aditivo o estructura de flujo en posiciones específicas por
encima del flujo próximo a la pared para apantallar el flujo próximo
a la pared, reduciendo adicionalmente con ello la difusión de los
aditivos eyectados. El séptimo objeto de la invención consiste en
permitir que se dispongan múltiples aparatos eyectores a lo largo de
la longitud de la plancha o buque para mantener una concentración
óptima de material, aumentando con ello la eficacia global del
sistema.
El sistema de control de capa límite de la
presente invención incluye procesos de pre-eyección,
procesos de eyección, y procesos de post-eyección.
Los procesos de pre-eyección se refiere al
acondicionamiento del flujo corriente arriba para reducir el nivel
de difusión inicial antes de que el aditivo pueda surtir un efecto
completo. Los procesos de eyección incluyen el acondicionamiento y
direccionamiento del fluido eyectado, para acelerar el efecto del
aditivo para reducir la difusión turbulenta en el eyector e impedir
la introducción de inestabilidad en la capa límite, tanto corriente
arriba como corriente abajo del punto de eyección. La velocidad de
flujo masivo del fluido eyectado se selecciona en base a los
parámetros de flujo próximo a la pared de la capa límite
establecida, con el fin de evitar el incremento indeseado del nivel
de turbulencia.
Puesto que el proceso de eyección es mucho menos
disruptivo, se pueden implementar simultáneamente múltiples
posiciones de eyección sin las dificultades observadas con las
técnicas tradicionales de eyección de aditivo. Además, los eyectores
individuales pueden ser colocados de forma inmediatamente adyacentes
unos con otros, para permitir la eyección de múltiples aditivos en
estratos seleccionados de la capa límite corriente abajo,
proporcionando con ello el control de las características reológicas
de la capa límite, tal como estableciendo y manteniendo un gradiente
de viscosidad favorable tras la eyección. El aparato de eyección
comprende una disposición única de dispositivos fluídicos que
incluyen ranuras transversales, cámaras de vórtice, superficies de
Coanda, boquillas internas, y bordes de cuchillo.
La presente invención es diferente de todos los
eyectores de aditivo anteriores debido a que reduce sustancialmente
la vorticidad introducida sobre el borde corriente arriba y
corriente abajo del eyector. La misma acondiciona el flujo corriente
arriba con el fin de reducir el nivel de turbulencia y, con ello, la
difusión en el eyector. La misma pre-acondiciona el
aditivo de modo que se desenrolla, alinea y extiende con
anterioridad a su fusión con el flujo de la capa límite externa. Y,
la misma acondiciona el flujo corriente abajo manteniendo burbujas
por fuera de la pared y estableciendo un gradiente de viscosidad
favorable en la pared, inmediatamente corriente abajo del eyector de
polímero. Ningún sistema de la técnica anterior permite la
disposición no disruptiva de múltiples aditivos en estratos
específicos de la zona próxima a la pared de la capa límite, como en
la presente invención.
La presente invención podrá ser mejor comprendida
a partir de la descripción detallada que se proporciona en lo que
sigue. Los dibujos que se acompañan se proporcionan únicamente a
título ilustrativo, y por lo tanto no son limitativos de la
presente invención, en los que:
La Figura 1 es una vista esquemática de un
elemento eyector básico del sistema de eyección;
Las Figuras 2A-2C presentan un
número de perfiles opcionales de ranuras transversales que pueden
ser posicionadas justamente corriente arriba del eyector. La Figura
2A muestra el perfil de una ranura configurada elípticamente. La
Figura 2B muestra el perfil de una ranura que puede ser alimentada
con un aditivo a través de una boquilla con una superficie de
Coanda en la esquina inferior corriente abajo de la ranura. La
Figura 2C muestra el perfil de una ranura que puede ser alimentada
con un aditivo a través de una boquilla en el borde superior
corriente arriba de la ranura;
La Figura 3 es una vista esquemática, en sección
transversal, de una configuración de un sistema eyector triple. En
esta configuración, una ranura elíptica se encuentra situada
corriente arriba de la primera unidad eyectora y posee puertos de
comunicación con la cámara de vórtice del primer eyector. Los
puertos permiten que se alimente aditivo desde la cámara de vórtice
hasta la ranura, y eliminar así la necesidad de conductos hasta la
ranura. un segundo eyector se encuentra dispuesto para eyectar un
aditivo diferente bajo el fluido desde el primer eyector. Corriente
abajo del segundo eyector, se encuentra un eyector más pequeño,
escalado en cuanto a la velocidad del flujo masivo del fluido que
será eyectado bajo el estrato del fluido eyectado desde los
eyectores corriente arriba, y
La Figura 4 es una vista similar a la Figura 3;
sin embargo, en lugar de la ranura, se ha dispuesto un pequeño
eyector sacrificial corriente arriba de la primera unidad
eyectora.
La presente invención está basada en el
reconocimiento de que el nivel y la eficacia de la reducción de
resistencia al avance conseguidos con la eyección por ranura de
aditivos, representa un valor neto de ambos efectos favorable y
desfavorable de los procesos relacionados con la eyección. Esa
invención evita, o suprime, los efectos desfavorables, y acelera la
iniciación, y la prolongación, de los efectos favorables,
incrementando con ello el valor de la reducción de resistencia al
arrastre alcanzable y reduciendo la velocidad de consumos en volumen
de aditivo. Los efectos negativos de la eyección de altas
concentraciones de soluciones polímeras y sus mezclas con
microburbujas de gas, consisten en la introducción de inestabilidad
adicional en la capa límite de la región local alrededor del
eyector, un incremento del nivel de turbulencia, y el desarrollo de
un gradiente de viscosidad desfavorable en la zona de pared. Estos
efectos contribuyen al incremento de la resistencia al avance local,
y a una difusión más rápida del aditivo fuera de la región de la
capa límite donde es efectivo. Específicamente, la invención limita,
en vez de contribuir a, la difusión del aditivo hacia fuera de la
zona amortiguadora de la capa límite.
Para reducir el rompimiento de la capa límite
establecida y la rápida difusión de aditivo eyectado, el eyector de
la presente invención aprovecha una combinación única de
configuraciones de base fluídica. Las configuraciones incluyen una
boquilla en la base o "garganta" del eyector con un diámetro 14
de salida (identificado en lo que sigue como h_{1} a efectos de
dimensionamiento de todos los demás elementos del eyector), una
superficie de Coanda sobre el lado corriente abajo de la corriente
de eyección, una cámara de vórtice sobre el lado corriente arriba
de la corriente de eyección, y dos bordes de cuchillo, uno de ellos
donde la corriente de eyección se encuentra con la cámara de
vórtice, y el segundo donde se encuentra con el flujo de capa
límite establecido. El segundo borde de cuchillo puede ser
sustituido por una superficie que tenga un radio de curvatura
pequeña, para facilitar la productividad y mantenibilidad de este
componente, sin sacrificar el rendimiento.
La Figura 1 es una vista esquemática de un
elemento eyector básico del sistema de eyección. Éste incluye una
boquilla (13) que pre-acondiciona el aditivo, una
cámara (4) de vórtice por el lado de corriente arriba del elemento,
que tiene una forma y un dimensionamiento definidos por dos radios
(1) y (2), un borde de cuchillo (3) donde intersectan la cámara (4)
y la corriente de eyección (5), ya sea un borde de cuchillo o ya sea
una superficie que tiene un radio de curvatura (6) suficientemente
grande como para presentar el efecto de una superficie de Coanda en
la posición en la que intersectan la cámara (4) y la pared externa
(7), una superficie de Coanda (8) de radio (9) en el borde corriente
abajo del eyector que conecta con la pared (10) externa, y una
abertura (11) a través de la cual se une la corriente (5) eyectada
con el flujo (12) de capa límite establecido. En situaciones en las
que existen limitaciones respecto a la geometría del eyector, la
superficie de Coanda (8) puede tener un radio compuesto en lugar de
un radio fijo. A la entrada del eyector se encuentra la boquilla
(13) u otro dispositivo que produce un flujo convergente en la
corriente (5) eyectora. La corriente de eyección tiene una anchura
que es igual a h_{1}. El objeto de la boquilla consiste en
establecer un flujo de contracción laminar, suficiente como para
desenrollar, alinear y extender las moléculas de aditivo, de tal
modo que se encuentren en las condiciones necesarias para resultar
efectivas. El flujo a través del eyector deberá ser laminar, puesto
que la velocidad de eyección debe ser de alrededor del diez por
ciento de la velocidad de la corriente libre, y el eyector debe
estar dimensionado para acomodar velocidades de flujo masivo de
10Q_{s}. La velocidad de flujo masivo puede variar en un factor de
alrededor de dos, mayor o menor, y dependerá de la longitud y el
carácter (por ejemplo, propiedades de rugosidad y viscoelásticas) de
la pared que se ha de tratar, la velocidad de la corriente libre, el
tipo y la concentración de aditivo, y el nivel de reducción de
resistencia al avance deseado. La gama de dichos parámetros para los
aditivos más comúnmente utilizados, dará como resultado el flujo
laminar a través del eyector. La velocidad de la corriente de fluido
eyectado está vinculada al extremo bajo mediante un valor suficiente
para mantener la corriente eyectada unida a la superficie de Coanda
(8). La misma está vinculada al extremo superior por la velocidad
del flujo de capa límite próxima a la pared que se desplaza
mediante la corriente eyectada. No excediendo esa velocidad, los
dos flujos pueden fundirse sin producir un incremento significativo
del nivel local de turbulencia. La velocidad de flujo masivo
deseada y la velocidad de eyección, determinan la anchura h_{1}
de la boquilla o ranura. Utilizando una boquilla configurada
apropiadamente, el aditivo será efectivo inmediatamente después de
la fusión con la capa límite, y así para afectar al nivel de
turbulencia, el cual constituye el principal mecanismo de difusión
en una capa límite turbulenta. La concentración del aditivo es, por
supuesto, mayor en el punto de eyección. De este modo, la reducción
del nivel de turbulencia en esta posición es crítica para el
control de la difusión y optimización del efecto del volumen del
aditivo eyectado. Según ha sido descrito en la literatura, una
boquilla con una longitud del orden de diez milímetros, y un ángulo
de alrededor de 10 a 45 grados entre las paredes de la boquilla, ha
demostrado ser adecuada para pre-acondicionar el
aditivo a velocidades de flujo medias a través de la boquilla de
alrededor de un metro por segundo para polímeros tales como Polyox
WSR-301.
Según se describe más adelante, la superficie de
Coanda y la cámara de vórtice funcionan como una sola unidad. El
propósito de la superficie de Coanda es el de mantener la corriente
eyectada unida a la pared externa corriente abajo. Cuando se eyecta
el aditivo polímero, el valor del radio de la superficie (9) de
Coanda debe ser de alrededor de 4h_{1}. Eliminando la zona de
separación en el borde corriente abajo del eyector, se evita la
inestabilidad introducida por dicha separación, la cual es inherente
a los diseños de ranura tradicionales.
La componente de velocidad de la corriente
eyectada normal a la capa límite, se reduce a casi cero debido a la
superficie de Coanda y a la baja velocidad de flujo masivo.
Eliminando la "descarga" de la capa límite, el incremento del
arrastre de presión y la difusión rápida del aditivo eyectado,
asociados a ese fenómeno, quedan eliminados.
El propósito de la cámara de vórtice, situada en
el lado corriente arriba del eyector, consiste en reducir o
eliminar las fuentes de vorticidad que, en otro caso, podrían
contribuir al rompimiento de la capa límite establecida,
incrementando con ello la resistencia al avance local y aumentando
la velocidad de difusión de aditivo a través de la capa límite. La
forma de la cámara está definida por dos radios (1) y (2). El punto
central para (1) es la punta del borde de cuchillo (3), y el valor
de (1) es de aproximadamente 4h_{1}. El centro de (2) está a
medio camino a lo largo de una línea que se extiende desde el borde
de cuchillo (3) hasta la pared opuesta de la cámara. Cuando (2) es
la mitad de la longitud (1), las dos curvas proporcionarán una
superficie continua. Mientras que no se necesita una relación
precisa de 2:1, las variaciones a partir de esa relación requerirán
un corto segmento de pared para evitar cualquier punto de
discontinuidad o inflexión en el perfil de la cámara. La parte
superior de la cámara está formada por un borde de cuchillo (6) de
conexión tangente con la superficie formada por (1). Según se ha
mencionado en lo que antecede, el borde de cuchillo, en (6), puede
ser sustituido por una pequeña superficie curva para facilitar la
fabricación y la resistencia de la pared. Si la curvatura es
suficiente para mantener el flujo unido hasta que se funde con el
flujo de corriente libre, no existirá degradación alguna en el
rendimiento de la eyección. Para los parámetros asociados a
aplicaciones marinas a escala completa, el radio de esa curva podría
ser de alrededor de 0,5h_{1}, con su centro sobre la pared
externa, de tal modo que la dimensión de la abertura (11) para la
capa (12) límite establecida es de alrededor de 3h_{1}.
La presencia de una cámara de vórtice interna
sobre la pared modifica el comportamiento del flujo en relación con
el flujo en un canal curvo, y elimina los vórtices que en otro caso
serían introducidos por la curvatura de la pared corriente arriba.
No se forman vórtices de tipo Dean ni de tipo Goertler. El
movimiento de la corriente eyectada induce circulación en la cámara
de vórtice. Para una cámara dimensionada y formada apropiadamente,
se establece un vórtice estable en el interior de la cámara. La
capa límite sobre el límite corriente arriba de la corriente
eyectada, no sigue desarrollándose. Por el contrario, la
vorticidad, que es producida por la pared interna corriente arriba
de la cámara, se disipa por medio del vórtice transportado por la
cámara. El perfil de velocidad de la corriente eyectada se modifica
en relación con el flujo de canal establecido, de tal modo que el
flujo a lo largo del borde corriente arriba de la corriente interna
se rebaja menos que sin la cámara de vórtice, produciendo con ello
una capa más estable de fluido eyectado según se funde con la zona
próxima a la pared de la capa límite establecida. Por ello, se
reduce la inestabilidad introducida en la capa límite en el borde
corriente arriba de la corriente eyectada.
Sin la cámara de vórtice, la curvatura necesaria
para formar la superficie de Coanda podría dar como resultado la
producción de vórtices de tipo Goertler (sobre una pared cóncava) o
de tipo Dean (en un conducto curvo). Por ello, el efecto neto de la
superficie de Coanda sobre el proceso de eyección, se mejora debido
a que la vorticidad en el borde corriente arriba del canal interno
se disipa mediante la cámara de vórtice. También, el
pre-acondicionamiento del aditivo mediante el flujo
de contracción a través de la boquilla, inicia el efecto de
reducción de resistencia al avance del aditivo. Específicamente,
ese efecto incluye la disipación de la vorticidad a pequeña escala.
Estos mecanismos separados trabajan juntos para mejorar el
comportamiento de la corriente eyectada según se funde con la capa
límite establecida.
La combinación del comportamiento mejorado de la
corriente eyectada con el pre-acondicionamiento del
aditivo durante el proceso de eyección, da como resultado una
supresión más rápida de la turbulencia, y con ello, una reducción de
la difusión del aditivo concentrado. En la presente invención, la
difusión del aditivo concentrado se reduce además mediante el
pre-acondicionamiento del flujo justamente corriente
arriba del eyector principal. Se pueden emplear varias técnicas.
Para flujos de capa límite turbulenta inestables o complejos, la
presente invención incluye un eyector de aditivo separado,
sacrificial, que se ha configurado para que eyecte una concentración
baja de aditivo, y que está situado justamente corriente arriba de
un eyector principal. La concentración puede ser del orden de 10
partes por millón en peso (wppm), ya que el propósito no es el de
ser efectivo corriente abajo, sino sólo inmediatamente corriente
arriba de, y en la posición en que, la concentración del material
procedente de un eyector principal es más grande (es decir, donde
la dificultad para la difusión es mayor). De este modo, por el
coste (es decir, el sacrificio) de una pequeña cantidad de aditivo,
se mantendrán cantidades mucho mayores de aditivo procedentes del
eyector principal, en la zona próxima a la pared.
Para un flujo relativamente estable, eyectores
más simples, configurados como ranuras transversales, dimensionados
apropiadamente para producir un sistema de vórtice o un vórtice
arrastrado estándar, se sitúan corriente arriba del eyector
principal. Un sistema de vórtice arrastrado y estable, disipará la
vorticidad a pequeña escala producida en la pared, e interrumpirá
el desarrollo de la capa límite corriente arriba. Los perfiles de
ranura que producen vórtices arrastrados-estables,
específicamente para el control de separación por detrás del
cuerpo, se encuentran publicados en la literatura. En adición a la
configuración apropiada de la ranura, la presente invención
introduce pequeñas cantidades de aditivo con el fin de contribuir
mejor a la estabilización del vórtice arrastrado.
En la Figura 2 se proporcionan tres perfiles de
configuración de ranura corriente arriba. La Figura 2A es una vista
esquemática de una sección transversal de una ranura transversal de
forma elíptica, con un eje mayor (15), un semieje menor (16) y una
profundidad (17), en relación con la pared externa. Esta
configuración, cuando se planifica apropiadamente (15 > 17),
puede ser más tolerante de los bajos niveles de estabilidad de la
capa límite que en el caso de una configuración rectangular. La
Figura 2B es una vista esquemática de una sección transversal de
una ranura rectangular de anchura (18) y profundidad (17) (donde 17
= 18), que puede ser alimentada con un aditivo a través de la
boquilla (19) con superficie de Coanda (20) en el borde corriente
abajo inferior de la ranura. Con esta configuración, la adición de
pequeñas cantidades de aditivo incrementará la estabilidad del
vórtice arrastrado. La Figura 2C es una vista esquemática de una
sección transversal realizada en una ranura rectangular similar, que
puede ser alimentada con aditivo a través de una boquilla (21)
dispuesta en el borde corriente arriba superior de la ranura. Con
esta configuración, la velocidad de consumo de aditivo será
ligeramente mayor que con la configuración de la Figura 2B, pero el
aditivo suprimirá la vorticidad a pequeña escala en la zona próxima
a la parte de la capa límite, así como también estabilizará el
vórtice arrastrado. En todos los casos, el flujo externo (12) va de
izquierda a derecha.
Adicionalmente a estas técnicas, también es
posible pre-acondicionar el flujo corriente arriba
empleando otras técnicas de reducción de resistencia al avance
justamente corriente arriba de un eyector principal. Estas técnicas
incluyen, aunque sin limitación nervaduras, recubrimientos
reductores de resistencia al avance de varios tipos, y succión de
capa límite. Según ha sido escrito en la literatura, cada uno de
ellos tiene sus ventajas en relación con las características del
flujo corriente arriba.
Puesto que el eyector de la presente invención es
mucho menos disruptivo que los diseños de eyector de la técnica
anterior, resulta posible estratificar diferentes aditivos con la
utilización de eyectores en tándem. La eyección de fluidos de
diferentes viscosidades a través de múltiples eyectores permite el
establecimiento de un gradiente de viscosidad favorable en la zona
próxima a la pared, aumentando con ello el rendimiento del sistema.
Por ejemplo, la eyección de fluido desde un eyector similar pero más
pequeño, situado inmediatamente corriente abajo de un eyector
principal y dimensionado para un valor de Q_{s} de alrededor de
uno, actuará de modo que desplaza el aditivo desde el eyector
corriente arriba, hacia fuera de la pared, y por la zona en que
resulta efectivo para reducir el nivel de turbulencia. Para las
microburbujas de gas, éste reduce también el potencial de las
burbujas para actuar sobre la pared como elementos de rugosidad
durante la eyección. Para ambas soluciones de polímero gaseosa y
concentrada, puede proporcionar un gradiente de viscosidad favorable
en vez de desfavorable, en la pared. El fluido eyectado puede ser
el solvente sólo, por ejemplo agua, o una solución diluida del
aditivo, de tal modo que la viscosidad sea la misma o menor (tal
como para agua caliente) que el solvente ambiental. Cuando se
utiliza solamente agua o ningún aditivo, en el eyector corriente
abajo, se puede mitigar la necesidad de una boquilla. Puesto que la
velocidad de flujo a través del eyector corriente abajo se reduce a
alrededor de una Q_{s}, la velocidad de eyección debe ser de
alrededor del cinco por ciento de la velocidad de la corriente
libre. Ésta es aproximadamente la mitad de la velocidad de eyección
el eyector corriente arriba más grande. Para acomodar la velocidad
de eyección más baja, la relación del diámetro de la superficie de
Coanda respecto a la anchura de la ranura debe ser aumentada sobre
la del eyector corriente arriba hasta un valor de 6 a 8 veces la
anchura (26) de la ranura corriente arriba, para inhibir el
desarrollo de separación local sobre esa superficie. El tamaño de la
abertura (11) debe mantenerse en alrededor de tres anchuras (26) de
ranura; con ello, el segmento entre la pared curva de la cámara y el
borde (6) debe ser extendido en comparación con el eyector corriente
arriba.
La Figura 3 es una vista esquemática en sección
transversal de una configuración de sistema de triple eyector. En
esta configuración, una ranura (22) transversal elíptica se
encuentra situada corriente arriba de la primera unidad (23) de
eyector. El aditivo puede ser alimentado a la ranura elíptica de la
misma manera que se muestra en la Figura 2B o en la Figura 2C.
Dependiendo del carácter del flujo corriente arriba, se pueden
disponer ranuras (25) adicionales para suprimir el nivel de
turbulencia en el primer eyector principal. O, en vez de las
ranuras, según se ha ilustrado en la Figura 4, se puede disponer un
pequeño eyector 29 sacrificial, dimensionado para eyectar de 5 a 10
Q_{s} de aditivo a una concentración del orden de 10 wppm, para
suprimir el nivel de turbulencia en el primer eyector principal. O
en eyector sacrificial puede ser una ranura 25, como se muestra en
la Figura 3, que tenga una quinta entrada de fluido a través de una
boquilla 21 situada en el borde superior corriente arriba de la
ranura, de forma similar a la disposición mostrada en la Figura 2C.
"Sacrificando" esta pequeña cantidad de aditivo, se reducirá el
nivel de turbulencia, y con ello la cantidad de difusión en el
primer eyector principal.
El fluido, f_{4}, procedente del primer eyector
principal, puede consistir en una mezcla de microburbujas de gas
que, de acuerdo con la literatura (véase Merkle y Deutsch, por
ejemplo), puede ser efectiva dentro de 300 unidades viscosas de la
pared, es decir, allá en la pared donde la mayor parte de los
polímeros son efectivos. Deutsh informa también de que la capa de
microburbujas parece actuar como pantalla sobre la capa próxima a
la pared respecto a estructuras más grandes de las zonas externas de
la capa límite. De este modo, se pueden utilizar múltiples
eyectores (23) y (4) tándem para posicionar microburbujas de
diferentes tamaños y polímeros de diferentes pesos moleculares y
configuraciones en el estrato en el que sean efectivos. Corriente
abajo de los principales eyectores (23 y 4) se encuentra un eyector
(26) más pequeño, que tiene una anchura h_{2} de ranura (27) que
está dimensionada para la velocidad de flujo masivo del fluido,
f_{3}, que se eyecta desde este eyector corriente abajo. Cuando
se pretende solamente eyectar el solvente desde el eyector
corriente abajo, por ejemplo, a efectos de establecer un gradiente
de viscosidad favorable, se puede reducir la necesidad de una
boquilla o dispositivo similar para producir un flujo laminar
convergente. Sin embargo, se utilizan con frecuencia boquillas de
diversas configuraciones diferentes para producir las microburbujas
de la dimensión deseada; por ello, es probable que se precisen
diseños específicos de boquilla para la eyección de microburbujas,
así como también para pre-acondicionar el polímero
con anterioridad a la eyección.
De este modo, en adición a la modificación de las
características reológicas del fluido próximo a la pared, se pueden
emplear múltiples eyectores para estratificar aditivos, que se
conoce que son efectivos en estratos específicos de la capa límite.
Por ejemplo, algunos aditivos, tales como las microburbujas de un
tamaño particular, se considera que son más efectivos más distantes
de la pared de lo que son los polímeros. En la Figura 3, un
conjunto de tres eyectores tándem, cada uno de ellos dimensionado
para la velocidad de flujo masivo deseado, podrían proporcionar un
estrato de agua de tres filas (baja viscosidad), f_{3}, bajo una
solución concentrada de polímero, f_{2}, sobre la que se eyectan
las microburbujas, f_{4}. De manera similar, se pueden eyectar
múltiples capas de burbujas dimensionadas apropiadamente, o
múltiples capas de diferentes tipos de polímeros desde eyectores
tándem. Sobre estos fluidos, fluye el aditivo desde las ranuras
corriente arriba o "ranura sacrificial", f_{5}, y el fluido
de corriente libre, f_{1}.
Con anterioridad, los constructores de barcos han
llegado a la conclusión de que altas concentraciones y altas
velocidades de flujo del aditivo procedente de un único sistema
eyector, eran más eficaces que si se eyecta la misma cantidad de
aditivo desde múltiples posiciones de eyección distribuidas a lo
largo de la longitud del casco. El incremento de la fricción
superficial local producido por los eyectores tradicionales y por
la descarga de la capa límite, que conduce a un incremento de la
resistencia al avance por presión, contribuyeron a este fenómeno.
Evitando esos efectos, la presente invención hace que resulte
posible emplear conjuntos de eyectores en múltiples posiciones a lo
largo de un vehículo propulsor, y optimizar con ello la distribución
de aditivo en función de la forma y longitud de la pared
(vehículo). De este modo, se pueden tratar paredes muy largas sin
pérdida significativa de eficacia.
Los eyectores pueden estar también configurados
para energizar el flujo próximo a la pared para evitar la separación
durante los cambios en el ángulo de incidencia de la corriente
libre, puesto que el eyector es adaptable a cambios locales en las
condiciones del flujo. Los procesos post-eyección
incluyen el tratamiento de la pared para reducir la difusión del
aditivo corriente abajo del eyector, tratamiento del flujo externo
para reducir la difusión del aditivo tanto a lo largo de la pared
como alrededor de cualesquiera protuberancias, y la eyección
corriente abajo de cualesquiera aditivos diferentes o de una
concentración distinta de aditivo para conseguir una velocidad más
eficiente de consumo de aditivo.
Claims (32)
1. Un método de eyección de una sustancia
reductora de la resistencia al avance en un primer fluido, de una
manera que evita el rompimiento y la "descarga" del primer
fluido y reduce la velocidad de difusión de la sustancia reductora
de resistencia al avance en el primer fluido, para incrementar con
ello la efectividad de la sustancia reductora de resistencia al
avance reduciendo la resistencia al avance del primer fluido en
movimiento con relación a una pared, comprendiendo dicho método las
etapas que siguen, realizadas en el orden que se indica:
a) acondicionar la sustancia reductora de
resistencia al avance, haciendo que un segundo fluido, que incluye
la sustancia reductora de resistencia al avance, como sólido,
líquido microburbujas de gas dispersado, y mezcla de esa sustancia,
fluya a través de una boquilla que produce un gradiente de velocidad
axial dentro del segundo fluido que contiene el aditivo como mezcla
o en solución, para desenrollar con ello, alinear y extender las
moléculas de la sustancia reductora de resistencia al avance;
b) hacer pasar el segundo fluido por una cámara
de vórtice, para establecer un vórtice dentro de la cámara de
vórtice, reduciendo con ello la vorticidad del segundo fluido;
c) eyectar el segundo fluido a través de un
primer eyector, que tiene una abertura en una pared, en el primer
fluido, según circula dicho primer fluido más allá de la citada
pared, estando formada dicha pared de modo que incluye una primera
superficie de Coanda como parte de la misma.
2. El método de la reivindicación 1, en el que la
primera superficie de Coanda se sitúa, en relación con el flujo del
primer fluido pasada dicha pared, en el lado corriente abajo de la
abertura.
3. El método de la reivindicación 1, en el que
dicha cámara de vórtice se sitúa de modo que tiene al menos una
porción de la misma opuesta a la primera superficie de Coanda.
4. El método de la reivindicación 1, en el que la
cámara de vórtice incluye un borde de cuchillo en una zona en la que
el segundo fluido procedente de la boquilla se encuentra con la
cámara de vórtice.
5. El método de la reivindicación 1, en el que la
superficie de la cámara de vórtice forma un borde de cuchillo en la
zona en que la cámara de vórtice se encuentra con la pared.
6. El método de la reivindicación 1, en el que
una zona entre la pared y la cámara de vórtice incluye una segunda
superficie curva.
7. El método de la reivindicación 1,
comprendiendo además dicho método: eyectar un tercer fluido a través
de un segundo eyector que tiene una abertura que está corriente
abajo de dicho primer eyector, teniendo el segundo eyector una
superficie de Coanda en su lado corriente abajo y una cámara de
vórtice posicionada de modo que tiene al menos una porción de la
misma opuesta a la superficie de Coanda.
8. El método de la reivindicación 7, en el que el
segundo eyector es de tamaño diferente, pero en cualquier caso es
de diseño similar, a dicho primer eyector.
9. El método de la reivindicación 1,
comprendiendo además dicho método: eyectar un cuarto fluido a través
de una tercera abertura que está corriente arriba de dicha primera
abertura, teniendo la tercera abertura una superficie de Coanda en
su lado corriente abajo, y una cámara de vórtice posicionada de modo
que tiene al menos una porción de la misma opuesta a la superficie
de Coanda.
10. El método de la reivindicación 9, en el que
la tercera abertura es de tamaño distinto, pero en cualquier de
diseño similar, a dicha primera abertura.
11. El método de la reivindicación 1, en el que
se ha dispuesto una ranura corriente arriba de dicha primera
abertura a efectos de eliminar la vorticidad del primer fluido según
fluye pasada dicha ranura.
12. El método de la reivindicación 11, en el que
dicha ranura está en comunicación con una fuente de suministro de un
quinto fluido que se introduce en la ranura por medio de la
superficie de Coanda por la posición inferior corriente abajo de la
ranura.
13. El método de la reivindicación 11, en el que
dicha ranura está en comunicación con una fuente de suministro de un
quinto fluido que se introduce en la ranura a través de una boquilla
del borde superior corriente arriba de la ranura.
14. El método de la reivindicación 7, en el que
el tercer fluido tiene una viscosidad más baja que la de dicho
segundo fluido.
15. Un método de liberación de una o más
sustancias reductoras de resistencia al avance en estratos
múltiples, preseleccionados, de la capa límite de un primer fluido
que circula con relación a una pared, comprendiendo dicho método la
etapa siguiente:
eyectar al menos una sustancia reductora de
resistencia al, avance a través de múltiples aberturas que están
situadas secuencialmente a lo largo de una trayectoria de flujo del
primer fluido, en la que al menos una de dichas aberturas está en
comunicación de fluido con: una boquilla, una cámara de vórtice que
está dispuesta para ser activada por el fluido que ha pasado a
través de la boquilla con el fin de establecer uno o más vórtices
del fluido en la cámara de vórtice, y una superficie de Coanda
opuesta a la cámara de vórtice.
16. El método de la reivindicación 15, en el que
se eyecta al menos una sustancia reductora de resistencia al avance
a través de las múltiples aberturas, a diferentes
concentraciones.
17. El método de la reivindicación 15, en el que
las velocidades a las que son eyectados los fluidos a través de las
múltiples aberturas, varían dependiendo de los parámetros de flujo
del primer fluido, del nivel deseado de reducción de resistencia al
avance, y de la longitud de dicha pared.
18. El método de la reivindicación 14, en el que
se calienta el tercer fluido, para proporcionar con ello que dicho
fluido presente una viscosidad más baja que el que no se
calienta.
19. Un método de eyección de una sustancia
reductora de resistencia al avance en un primer fluido, de manera
que reduce la velocidad de difusión de la sustancia reductora de
resistencia al avance en el primer fluido para incrementar con ello
la efectividad de la sustancia reductora de resistencia al avance en
cuanto a la reducción de la resistencia al avance del primer fluido
en movimiento con respecto a una pared, comprendiendo dicho método
las etapas siguientes, realizadas por el orden que se indica:
a) hacer que el fluido que tiene gas dispersado
en el mismo, circule a través de una boquilla configurada a modo de
generador de microburbujas;
b) hacer pasar el fluido que tiene gas dispersado
en el mismo, por una cámara de vórtice, para establecer un vórtice
dentro de la cámara de vórtice, reduciendo con ello la vorticidad
del fluido que tiene gas dispersado en el mismo, y
c) eyectar el fluido que tiene gas dispersado en
el mismo, a través de una abertura, en el primer fluido según fluye
dicho primer fluido pasada la citada abertura, incluyendo dicha
abertura una primera superficie de Coanda sobre una porción de la
misma.
20. Un aparato para eyectar una sustancia
reductora de resistencia al avance en un primer fluido, de una
manera que reduce la velocidad de difusión de la sustancia reductora
de resistencia al avance en el primer fluido para incrementar con
ello la efectividad de la sustancia reductora de resistencia al
avance en cuanto a la reducción de la resistencia al avance del
primer fluido en movimiento con respecto a una pared, comprendiendo
dicho aparato:
a) una boquilla que produce un gradiente de
velocidad axial en el interior de un segundo fluido que se hace
pasar a través de dicha boquilla;
b) una cámara de vórtice, que está situada de
modo que sea activada por el segundo fluido que se hace pasar a
través de la citada boquilla, para formar con ello un vórtice o un
sistema de vórtices dentro del segundo fluido en la cámara de
vórtice, y
c) un primer eyector que tiene una abertura para
eyectar el segundo fluido en un flujo del primer fluido pasada dicha
abertura, estando formada dicha abertura de modo que incluye una
superficie de Coanda como una porción de la misma.
21. El aparato de la reivindicación 20, en el que
la superficie de Coanda está posicionada, en relación con el flujo
del primer fluido pasada dicha abertura, adyacente a la pared
corriente abajo de la citada abertura.
22. El aparato de la reivindicación 20, en el que
la cámara de vórtice está situada de modo que tiene al menos una
porción de la misma opuesta a la superficie de Coanda.
23. El aparato de la reivindicación 20,
incluyendo además dicho aparato, corriente abajo de la abertura para
eyectar el segundo fluido:
a) una boquilla que produce un gradiente de
velocidad axial dentro de un tercer fluido que se hace pasar a
través de la citada boquilla;
b) una cámara de vórtice que se ha situado de
modo que sea activada por el tercer fluido que ha pasado a través de
la citada boquilla, para formar con ello un vórtice o sistema de
vórtices dentro del tercer fluido, en la cámara de vórtice, y
c) un segundo eyector, para eyectar un tercer
fluido por debajo del flujo del primer y del segundo fluidos pasado
dicho segundo eyector, teniendo el citado segundo eyector una
abertura formada de modo que incluye una superficie de Coanda como
una porción de la misma.
24. El aparato de la reivindicación 20,
incluyendo dicho aparato además, corriente arriba de dicha abertura
para eyectar el segundo fluido:
a) una boquilla que produce un gradiente de
velocidad axial dentro de un cuarto fluido según se hace pasar el
cuarto fluido a través de la citada boquilla;
b) una cámara de vórtice, que está situada de
modo que es activada por el cuarto fluido que ha pasado a través de
la citada boquilla, para formar con ello un vórtice o sistema de
vórtices dentro del cuarto fluido en la cámara de vórtice, y
c) una abertura para eyectar el cuarto fluido en
el flujo del primer fluido pasada la citada abertura y por encima
del flujo del segundo fluido, corriente abajo de la citada abertura,
estando formada dicha abertura de modo que incluye una superficie de
Coanda como una porción de la misma.
25. El aparato de la reivindicación 20, en el que
se dispone una ranura corriente arriba de dicha abertura.
26. El aparato de la reivindicación 25, en el que
la ranura que se sitúa corriente arriba de dicha abertura, incluye
un conducto y una boquilla para recibir y acondicionar un quinto
fluido que incluye una sustancia reductora de resistencia al
avance.
27. El aparato de la reivindicación 26, en el que
dicho conducto incluye una superficie de Coanda.
28. El aparato de la reivindicación 25, en el que
dicha ranura tiene sección transversal elíptica.
29. El aparato de la reivindicación 20,
incluyendo además dicho aparato corriente arriba de dicho primer
eyector:
a) una boquilla que produce un gradiente de
velocidad axial dentro de un quinto fluido sacrificial según se hace
pasar a través de la citada boquilla;
b) una cámara de vórtice que se dispone de modo
que sea activada por el quinto fluido que ha pasado a través de la
citada boquilla, para formar con ello un vórtice o sistema de
vórtices dentro del quinto fluido en la cámara de vórtice, y
c) una abertura para eyectar el quinto fluido en
el flujo del primer fluido pasada la citada abertura, estando dicha
abertura formada de modo que incluye una superficie de Coanda como
una porción de la misma.
30. El método de la reivindicación 9, en el que
se sitúa una ranura corriente arriba de dicha tercera abertura, a
efectos de separar la vorticidad del primer fluido según fluye
pasada la citada ranura.
31. El aparato de la reivindicación 4, incluyendo
además dicho aparato, corriente arriba de dicho primer eyector:
a) una boquilla que produce un gradiente de
velocidad axial dentro de un quinto fluido sacrificial según pasa a
través de la citada boquilla;
b) una cámara de vórtice que está situada de modo
que sea activada por el quinto fluido que ha pasado a través de
dicha boquilla, para formar con ello un vórtice o sistema de
vórtices dentro del quinto fluido en la cámara de vórtice, y
c) una abertura para eyectar el quinto fluido en
el flujo del primer fluido pasada dicha abertura, estando dicha
abertura formada para que incluya una superficie de Coanda como una
porción de la misma.
32. Un método de eyección de una sustancia
reductora de resistencia al avance en un primer fluido, de una
manera que evita el rompimiento y la descarga del primer fluido y
reduce la velocidad de difusión de la sustancia reductora de
resistencia al avance en el primer fluido, para incrementar con ello
la efectividad de la sustancia reductora de resistencia al avance en
cuanto a la reducción de resistencia al avance del primer fluido en
movimiento con respecto a una superficie, comprendiendo dicho método
las etapas que siguen, realizadas en el orden que se indica:
a) acondicionar la sustancia reductora de
resistencia al avance haciendo que un segundo fluido, que incluye la
sustancia reductora de resistencia al avance en forma de sólido,
líquido o microburbujas de gas dispersado y de mezcla de sustancia,
o mezcla de líquido y microburbujas de gas, fluya a través de una
boquilla que produce un gradiente de velocidad axial dentro del
segundo fluido que contiene el aditivo en mezcla o en solución, para
desenrollar con ello, alinear y extender las moléculas de la
sustancia reductora de resistencia al avance;
b) hacer pasar el segundo fluido por una cámara
de vórtice, para establecer un vórtice dentro de la cámara de
vórtice, reduciendo con ello la vorticidad del segundo fluido;
c) eyectar el segundo fluido a través de un
primer eyector, que tiene una abertura en la citada superficie, en
el primer fluido, según fluye el citado primer fluido pasada dicha
superficie, estando formada la citada abertura de modo que incluye
una primera superficie de Coanda como una porción de la misma.
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