ES2222386T3 - Metodo y aparato para aumentar la eficacia y el rendimiento de tecnicas de control de multiples capas limites. - Google Patents

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.

Campo técnico

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.

Técnica anterior

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.

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".

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.

Breve sumario de la invención

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.

Breve descripción de los dibujos

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.

Descripción detallada

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.