KR100520331B1

KR100520331B1 - 다중 경계층 제어기법의 유효성 및 효율성을 증가시키기 위한 항력감소물질 분사 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100520331B1
Application number: KR10-2003-7000940A
Authority: KR
Inventors: 케네쓰 제이. 무어; 토마스 디. 리안; 블라디미르 에이. 고반; 빅터 브이. 바벤코
Original assignee: 코타나 코포레이션; 케네쓰 제이. 무어
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2005-10-13
Also published as: ATE265957T1; US6357374B1; CA2416784C; UA72817C2; EP1305205A2; WO2002008051A3; WO2002008051A2; DE60103160D1; PT1305205E; AU2001273478A1; NO20030293L; DE60103160T2; RU2002133664A; KR20030029787A; JP4044840B2; CA2416784A1; NO335003B1; RU2271960C2; DK1305205T3; TR200401956T4

Abstract

벽에 대해 움직이는 제 1 유체의 항력을 상당히 감소시키기 위한 첨가제를 분사하기 위한 장치 및 방법에 있어서, 항력-감소 물질은 제 2 유체(5)를 야기시킴으로써 조절되며, 이는 항력-감소 물질로서 분산된 고체, 액체 또는 가스를 포함하며, 노즐(13)을 통하여 유동한다. 제 2 유체는 그후 그 부분위에 코안다 표면을 포함하는 개구를 거쳐 제 1 유체로 제 2 유체의 분사이전에 와동 챔버(4)를 통해 통과된다. 부가적인 기법들이 또한 기술되며, 이는 벽에 대해 움직이는 유체로 항력-감소 물질을 분사하는 유효성과 효율성을 증가시며, 그러므로 이는 경계층의 바람직하지 않은 파괴없이 그리고 종래 기술의 분사 기법에서 발생하는 경계층간에 첨가제의 빠른 확산없이 다중층이 형성가능하게 한다.

Description

다중 경계층 제어기법의 유효성 및 효율성을 증가시키기 위한 항력감소물질 분사 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS OF EJECTING A DRAG-REDUCING SUBSTANCE FOR INCREASING THE EFFECTIVENESS AND EFFICIENCY OF MULTIPLE BOUNDARY LAYER CONTROL TECHNIQUES}

본 발명은 유체에 대해 이동하는 플레이트 또는 용기, 및 해양 물분사 추진기들을 통해 이동하는 액체와 같은 내부 유동의 항력을 감소시키기 위한 매우 효율적인 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 경계층의 바람직하지 않은 붕괴 없이 그리고 통상적인 분사 기법의 고유한 경계층을 가로지르는 첨가제의 고속 확산없이 유체의 유동 특성을 수정하도록 첨가제를 경계층의 특정 영역속으로 분사하도록 사용될 수 있다.

과거에는, "외부" 난류 경계층 유동에 비뉴톤 첨가제를 분사하여 얻어진 항력 감소의 유효성 및 효율성은 "내부" 또는 파이프 유동에서 얻어진 유효성 및 효율성에 비해 제한되었다. 높은 레이놀즈 수 난류 파이프 유동에 있어, 70 내지 80 퍼센트의 마찰 항력의 감소가 관측되지만 평판 상의 높은 레이놀즈 수 난류 유동으로의 분사에 대해서는, 관측된 마찰 항력의 최대 감소가 단지 약 40 내지 60 퍼센트였다. 더욱이, 외부 경계층들에 대해 경험된 높은 첨가제 소비율은 해양 운반선상에 첨가제 시스템을 구현하는 경제적 혜택을 제한했다. 첨가제들을 외부 유동에 도입시키기 위한 분사 기법은 또한 불안정성 및, 어느 경우에는, 경계층으로 바람직하지 않은 점성 그레디언트를 제공해서, 분사처리와 관련된 불이익(penalty)들이 크게 감소된 순이득을 초래하도록 했다. 항력 감소를 위한 경계층의 인접벽 영역으로 첨가제들의 보다 효율적인 도입 방법이 필요로된다.

종래 기술에서는, 첨가제 혼합 또는 버블 발생을 향해 진보되었고 이젝터 자체에는 관심이 거의 없었다. 파불라(Fabula) 등에게 허여된 미국 특허 제4,186,679호(1980년2월5일 허여됨)는 이젝터 시스템 그 자체에 제공된 적당한 고려를 나타낸다. 이런 경우, 이젝터는 "다수의 후미로 경사진 분사 개구(ejection aperture)"로 확인된다. 유사하게, 나도링크(Nadolink)의 미국 특허 제4,987,844호(1991년 1월 29일 허여됨)에서는, 다수의 첨가제 또는 현탁액을 혼합하기 위해서, 그리고 분사를 위해 혼합물을 최소 압력 계수의 위치로 향하게 하기 위해서, 솔벤트를 수동적으로 펌프질하는 방법 및 장치에 초점이 맞춰져있다. 분사 장치는 수많은 옵션, 특히 "스크리닝(screening), 메시, 다공질 매체, 천공 물질, 특정 기하구조의 드릴된 홀, 원주 슬롯 등"중 하나이며, 그리고 "분사 장치의 다른 형태들은 본 발명의 결과를 달성하기 위해서 사용되는 것"으로서 확인된다. 리드(Reed) 등의 미국 특허 제5,455,095호에 있어서, 횡방향 리블렛(riblet)들은 폴리머의 확산율을 예상대로 제어하도록 폴리머 분사부와 결합된다. 그러나, 물질이 리블렛들로부터 멀리 완전히 확산하는 최대 하류 거리는, 마린 비이클(marine vehicle)에 대해 센티미터의 차수에 비례하는, 약 400 리블렛 폭이지만, 본 발명에 대한 확산 거리는 약 수십 미터인것으로 나타났다. 다른 발명들과 마찬가지로, 어떠한 특정 분사 기법이 확인되지 않는다; 일련의 "가능한(feasible)" 방법들만이 목록으로 되어 있다. 95년 11월 29일 공고된, 미쯔타케 히데오(Mitsutake Hideo)와 요시다 유키(Yoshida Yuki)의 일본 특허 출원 제09 151913호와 제09 151914호에서, 공기 버블들은 항력(drag)을 감소시키기 위해 배의 물에 담궈진 표면을 따라 분포된다. 첫번째 공고된 특허에서 이젝터들은 간단하게 곧은 튜브들, 공기 버블에 대한 튜브 및 액체에 대한 상류 튜브이다. 상류 "고 카이네틱 에너지" 이젝터의 의도된 목적은 물에 담궈진 표면 근처의 경계층의 내측위의 하류 이젝터로부터 공기 버블을 흡수해서 없애는 것이다. 두번째 공고된 특허는 "Microbubble Generator"로 표제되어 있지만, 핵심적인 요소는 사인파 유체 경로를 지닌 뒤로(상류) 기울어진 가용성 버블 발생기이다. 분사 부분은 버블 발생기의 출구이며, 이는 흐름에 대해 상류로 향한다. 흐름에 대한 첨가제를 분사하거나 또는 안정된 경계층을 고-에너지 벽면 제트(wall jet)로 붕괴시키는 것에 관한 효과는 언급되어 있지 않다.

경계층 이론의 전형적인 논의는, 나비르-스톡스(Navier-Stokes)와 난류 경계층 방정식을 포함하며, 닥터 헤르만 쉬리흐팅(Dr. Hermann Schlichting)에 의해서, 경계층 이론(Boundary-Layer Theory)에 제시되었으며, 1979년, 제7판, 뉴욕, 맥그로 힐(McGraw Hill)에 의해 발표되었다. 난류 흐름에서의 구조와 스케일(scale)의 논의는 제이.오. 힌제(J.O. Hinze)에 의해 저술된 난류(Turbulence), 1975년, 맥그로 힐에 그리고 스티븐 케이. 로빈슨(Steven K. Robinson)에 의해 저술된, "Coherent Motions in the Turbulent Boundary Layer"로 Annual Review of Fluid Mechanics, 1991, Vol.23, 페이지 601내지 639에서 발견될 수 있다. 항력을 감소시키기 위해 장쇄(long-chain) 폴리머 분자의 희석 수용액의 포텐셜은, 현재 톰스의 효과로 공지되었으며, 1984년 암스테르담에서 유동학에 관한 제1회 국제 회의에서 비.에지. 톰스(B.A. Toms)에 의해 소개되었으며 그 회의의 회보에 발표되었다. 피.에스. 비르크(P.S. Virk) 등은 1970년 ASME Journal of Applied Mechanics, 37, 페이지 488내지 493에 발표된, "The Ultimate Asymptote and Mean Flow Structure in Toms' Phenomenon"으로 표제된 논문에 난류관 흐름에서 폴리머 용액으로 항력 감소 한도의 개념을 도입시켰다. 비르크 등은 항력 감소의 레벨을 차례로 파이프 직경에 의해 제한되었던 버퍼 존의 두께에서의 증가와 관련시켰다. 외부 유동에 대해서는, 그러한 물리적 제약조건이 부과되지 않는다. 그러나, 디.티. 워커(D.T. Walker), 그의 교수 더블유.지 티더맨(W.G. Tiederman), 그리고 동료 티.에스. 루치크(T.S. Luchik)는, 1986년에 Experiments in Fluids, 4, 페이서 114내지 120에 발표된, "Optimization of the ejection process for drag-reducing additives"로 표제된 논문에서 채널 유동에서 슬롯 분사에 대한 항력 감소 한도는 파이프 흐름에서 관측되었던 최대 항력 감소보다도 20 내지 40 퍼센트 적다고 획득했다. 이러한 관측은 "Investigation of Drag Reduction Effectiveness with Ejection of Viscoelastic Polymer Solutions"에 대한 기사로 유.에프. 이반유타(Yu.F. Ivanyuta)와 에이.에이. 코미아노프(A.A. Khomyakov)에 의해 확인되었으며, 이는 러시아에서, 페이지 163내지 170, St. Petersburg, 1994년 10월, KRSI, Proceedings of the International Shipbuilding Conference에서 발표되었다.

폴리머의 희석 용액은 층류 유동에서 뉴톤 유체로서 행동하지만, 에이. 기르(A. Gyr)와 에이치.더블유. 베워스도르프(H.W. Bewersdorff)는, 그들의 논제에서, Drag Reduction of Turbulent Flows by Additives, Kluwer Academic Publishers, Kluwer Academic Publisher, 1995, 층류 수축 흐름과 같은 일정한 층류 흐름에서, 폴리머 용액은 비-뉴톤 행동을 나타낸다고 지적한다. 인용된 가설은, 그러한 흐름에서, 난류 유동에서 처럼, 첨가제의 긴 분자들이 유동에서 풀리며(언코일되고 세장되며) 정렬된다는 것이며, 이는 비-뉴톤 행동을 나타내는 용액에 대한 필요한 조건이다. 브이.지. 포그랩니악(V.G. Pogrebnyak), 와이.에프. 이반유타(Y.F. Ivanyuta), 그리고 에스.와이. 프렌벨(S.Y. Frenbel)은, 러시아에서 1992년, Polymer Science USSR, Vol.34, No. 3에 발표된 그들의 논문 "The Structure of the Hydrodynamic Field and Directions of the Molecular Slope of Flexible Polymers Under Free-Converging Flow Conditions"에서, 폴리머 분자들이 항력 감소에서 효과적이도록 언코일되며, 정렬되고 충분하게 신장되는 조건을 정의한다.

씨.에스. 웰스(C.S. Wells)와 제이.지. 스팽글러(J.G. Spangler)에 의해 1967년 9월 The Physics of Fluids, Vol. 10, No. 9, 페이지 1890 내지 1984에 발행된, "Injection of a Drag-reducing Fluid into Turbulent Pipe Flow of a Newtonian Fluid" 논문에 기술되었으며, 엠.엠. 라이쉬만(M.M. Reischman)과 더블유.지. 티더만(W.G. Tiederman)에 의해 1975년, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 70, 파트 2, 페이지 360내지 392에 발행된 "Laser-Doppler Anemometer Measurements in Drag-reducing Channel Flows"에 기술되었으며, 더블유.디. 맥콤스(W.D. McCombs)와 엘.에이치. 래비(L.H. Rabie)에 의해 1982년 7월, AlChe Journal, Vol. 28, No. 4, 페이지 547내지 565에 발행된 "Local Drag Reduction due to Injection of Polymer Solutions into Turbulent Flow in a Pipe"로 파트 I과 II에 기술된 실험들은 폴리머 첨가제들이 버퍼 존으로 공지된 난류 경계층의 근접-벽 영역에 있을 때 항력을 감소시킬 수 있음을 명확히 증명하였다. 점성 벽 단위(이하 y⁺로 명명됨)에서, 이는 마찰 속도와 동적 점성도로 무차원화된 길이 값이며, 범위는 벽으로부터 약 20과 100 점성 벽 단위이다. 항력 감소의 고레벨에서, 버퍼 존은 두꺼우며 몇 백 점성 벽 단위에 이를 수 있음이 언급되었었다. 폴리머가 점성 전단 응력이 레이놀즈 응력보다 우세한 범위, 즉, 약 12 점성 벽 단위로 한정될 때 어떠한 항력 감소 또는 관련 효과들도 관측되지 않았다. 문헌에 사용된 규약은 11.6의 y⁺ 값이다. 1992년에 J. Fluid Mechanics, Vol. 238, 페이지 435내지 466에 발행된, 에이.에이. 폰타이니(A.A. Fontaine), 에이치.엘. 페트리(H.L. Petrie), 그리고 티.에이. 브런가트(T.A. Brungart)의 논문 "Velocity Profile Statistics in a Turbulent Boundary Layer with Soft-Injected Polymer"을 포함하여, 많은 것에 나타난 것처럼, 단위 스팬 당 이 범위를 통하는 유동(Q_s)은 유체의 동적 점성도에 67.3배이다. 기정 유체 및 유체 온도에 대해서, 이러한 유동율은 경계층의 처음부터 자유류(freestream) 속도 및 거리에 무관하다.

경계층내의 항력 감소 대 첨가제 위치의 감도가 1967년 이래 인식되었지만, 1964년, Int. Journal Heat & Mass Transfer, No. 7에 발표된 "Study of Diffusion from a Line Source into Turbulent Boundary Layer"에 관한 엠. 포레(M. Poreh)와 제이.디. 써맥(J.E. Cermak)의 명쾌한 연구는 대부분의 연구원들에게 분사된 유체의 확산이 불가피하며 빠르다고 납득시켰다. 그러므로, 1963년, 잉글랜드 테딩톤에서, Proceedings of 10th Industrial Towing Tank Conference에서 발표된 "Frictional Resistance in Towing Tanks"에 대해 제이.더블유. 호이트(J.W. Hoyt)와 에이.지. 파불라(A.G. Fabula)에 의해, 1966년, 도쿄에서, Transactions of the Eleventh international Towing Tanks Conference of Ship Tank Superintendent에서 발표된 "The Effect in Resistance of Polymer Additives Injected into the Boundary Layer of a Frigate Model"에 대해 티 코왈스키(T Kowalski)에 의해, AEW Report No 11/69에서 발표된 "HMS Highburton Speed Trials with Polyox Injection into the Boundary Layer"에 대해 에이치.엘. 도브(H.L. Dove)와 에이치.제이.에스 칸햄(H.J.S Canham)에 의해, 1980년 7월, Shipbuilding of China, No. 66, 페이지 45내지 57에 발표된 "Drag Reduction by Polymer Ejection Described"에서 더블유. 씨리앙(W. Xiliang), 디. 용쿠안(D. Yongxuan), 엑스. 챵셍(X. Changsheng), 및 더블유. 구이긴(W. Guigin)에 의해, 그리고 1999년 6월, 런던, 조선 기사의 왕립 기관에 의해, Proceedings of Warship 99, Naval Submarine 6에 발표된 논문 "Early Experience of BLC Techniques Usage in Underwater Shipbuilding"에서 비.에프 드로노프(B.F. Dronov)와 비.에이. 바바넬(B.A. Barbanel)에 의해 기술된 것처럼 소비에트 연방의 연구자들에 의해 보고된 것처럼, 조사자들은 전체 경계층을 물에 잠기게 하도록 충분한 물질을 분사시키기 위해서 넓은 어레이의 각진 슬롯 또는 원형 개구를 사용했다. 빠른 확산의 수용때문에, 경계층을 통해서 뿐만 아니라 그 외측에서 조차, 분사된 물질의 양은 그 최대 한도에서 전체 경계층을 물에 잠기게 하도록 계산된 것의 몇 배이다. 분사 속도는 일반적으로 자유류 속도처럼 동일 차수이며 분사된 유도 속도는 종종 100Q_s를 초과한다.

제이. 유(J. Wu)에 의해 1972년 Journal of hydronautics, No. 6에 발표된 "Suppressed Diffusion of Drag-reducing Polymer in a Turbulent Boundary Layer" 논문에서, 그리고 그 후 1973년 7월, 조지아 기술 협회(Georgia Institute of Technology)에서 "A Turbulent Boundary Layer with Slot Injection of Drag-reducing Polymer"로 표제된 디. 콜린스(D. Collins)의 논문에서, 첫 번째 논문은 일반적으로 수용되었던 것보다 폴리머 용액에 대한 낮은 확산속도를 보고했다. 1989년에, 디.티. 워커(D.T. Walker)와 더블유.지. 티더만(W.G. Tiederman)은 1989년 Journal of Laser Applications 1, 페이지 44 내지 48에 발표된 논문 "Simultaneous Laser Velocimeter and Concentration Measurements"와 1989년 Experiments in Fluids, 8, 페이지 86 내지 94에 발표된 논문 "The Concentration Field in a Turbulent Channel Flow with Polymer Injection at the Wall"에서 그러한 관측들을 확인했다. 1990년대 초기에 포에(Poreh)와 써맥(Cermak) 연구는, 확산 동작에 대한 표준으로서 유지되며, 난류 유동에 "패시브(passive)" 오염물의 도입으로만 적용될 수 있다는 인식을 증가시키고 있었다. 특히, 난류의 특성과 확산의 프로세스에 영향을 끼치는 "액티브(active)" 오염물, 이를테면 고분자 중량 폴리머의 다공성 용액들은 동일하게 행동하지 않는다: 확산이 더 점진적일 수 있다. 이는 티.에이. 브런가트(T.A. Brungart), 엘.엘. 페트리(L.L. Petrie), 더블유.엘. 하비슨(W.L. Harbison), 및 씨.엘. 머클(C.L. Merkle)에 의해 "A Fluorescence Technique for Measurement of Slot-injected Fluid Concentration Profiles in a Turbulent Boundary Layer"를 사용하여 그들의 연구에서 확인되었으며, 1991년, Experiments in Fluids에 발표되었다. 다음 해 에스.티. 소머(S.T. Sommer)와 에이치.엘. 페트리(H.L. Petrie)는 Experiments in Fluids에서 "Diffusion of slot-injected polymer solution in a LEBU-modified turbulent boundary layer"를 발표하였으며, 여기서 그들은, 상대적으로 고속 유동에서, 한 쌍의 대와류 분쇄장치(LEBUs)를 지닌 분사슬롯에서 외부 유동 필드의 제어 또는 조절은 경계층 간에 폴리머 확산속도를 더 감소시킴으로 입증하였다. 게다가, 에이.에이. 폰타이니(A.A. Fontaine), 에이치.엘. 페트리(H.L. Petrie), 및 티.에이. 브런가트(T.A. Brungart)는, 1992년, Journal of Fluid Mechanics, 238, 페이지 435내지 466에 발표된 그들의 논문 "Velocity Profile Statistics in a Turbulent Boundary Layer with Slot-injected Polymer"에서, 2가지 요인에 의해 분사된 유체의 질량흐름율(mass flow rate)의 감소와 일정한 폴리머 소비율을 유지시키기 위한 집중의 배가는 확산 속도에서 더욱 감소를 초래함을 나타냈다.

더블유.비. 암피로키브(W.B. Amfilokhiev), 비.에이. 바바넬(B.A. Barbarnel), 및 엔.피. 마제바(N.P. Mazaeva)는, 1997년 3월 16-17일, Tenth European Drag Reduction Working Meeting을 위해 준비한 "The Boundary Layer with slot Injection of Polymer Solutions"에 관한 그들의 논문에서, 매우 고집중의 단일 슬롯은 용기(vessel)의 길이를 따라 다중 슬롯으로부터 분사된 동일량 또는 더 많은 첨가제보다 우수하다는 것을 경험적으로 입증하였음을 지적한다. 이러한 경험적 기반 식견은 티더만(Tiederman), 루치크(Luchik), 및 보가드(Bogard)에 의해 Journal of Fluid Mechanics, Vol.156, 페이지 419 내지 437 (1985)에 발표된 "Wall-Layer Structure and Drag Reduction"에 표현된 그들의 연구에서 입증되었으며, 그들은 균일하며 적당한 배출 속도의 분사가 경계층에 파괴적이며 국부의 외장 마찰 항력, 상류 및 분사 부위의 하류에서 증가를 초래함을 나타냈다. 더블유.엠. 카이스(W.M. Kays) 와 엠.이. 크로포드(M.E. Crawford)는 맥그로-힐, 인코포레이티드(1993), 3판, 페이지 226 내지 230에 발표된 Convective Heat and Mass Transfer에 관한 그들의 논제에서 제2 또는 분사된 유체 평균의 질량 플럭스(mass flux) 대 자유류 또는 제1 유체의 질량 플럭스의 비율이 0.01을 초과할 때, 경계층이 "글자 그대로 벽에서 떨어짐"을 지적한다.

자신의 연구 이외에 가스 분사에 관한 다른 연구자들의 연구의 완전한 요약은 씨.엘. 머클(C.L. Merkle)과 에스. 도이치(S. Deutsch)에 의해 "Drag Reduction in Liquid boundary Layers Gas Injection"의 기사에 소개되었다. 그 기사는 Vol.123, 페이지 351 내지 410에, 디.엠. 부시넬(D.M. Bushnell)과 제이.엔. 헤프너(J.N. Hefner)에 의해 출판된 Viscous Drag Reduction in Boundary Layers의 논제에 포함되며, 1990년 발표되었다.

미국 특허 출원 제09/223,783호, "Method for Reducing Dissipation Rate of Fluid Ejected into a Boundary Layer"는, 1998년 12월 31일 제출되고 미국 특허 제6,138,704호로 허여되었으며, 분사된 항력-감소 유체의 그리고 분사된 항력-감소 유체에 질서 정연한 와류도 상류를 도입하는 방법을 기술한다. 제어되며 바람직한 와류도는 분사된 유체를 근접-벽면 영역에 유지시키며 첨가제의 분자들 또는 구조들을 그것들이 가장 효율적인 구성으로 향하게 하는데 사용된다.

경계층의 근접-벽 영역에 양의(positive) 또는 바람직한 점성 그레디언트를 제공하는 논의와 실험 결과는 1993년 Transactions of the ASME, 115, 페이지 206내지 211에 발표된 제이. 카토(J. Kato), 와이. 후지(Y. Fujii), 에이치. 야마구치(H. Yamaguchi) 및 엠. 미야나가(M. Miyanaga)에 의해 "Frictional Drag Reduction by Injecting High-viscosity Fluid into a Turbulent Boundary Layer"로 표제된 논문에서 이용가능하다. 음의(netative) 점성 그레디언트를 생성하는 부작용은 폴리머를 분사할 때 씨.에스. 웰(C.S. Well)과 제이.지. 스팽글러(J.G. Spangler)(1967)의 이전에 확인된 논문과 제이. 우(J. Wu)와 엠. 투린(M. Tulin)에 의해 1972년, Transactions of the ASME, Journal of Basic Engineering에 발표된 "Drag Reduction by Ejecting Additive Solutions into a Pure Water boundary Layer"의 논문에서 확인되었다. 그들의 사전 인용된 1994년 논문에서(러시아), 유. 에프. 이반유타(Yu. F. Ivanyuta)와 에이.에이. 코미아코프(A.A. Khomyakov)는 양의 점성 그레디언트가 층류 유동에서 안정화를 촉진시킨다고 이론적 논증을 제시한다. 그들은 그후 특별한 이젝터를 사용함으로써 바람직한 점성 그레디언트를 설정하고자 하는 취지에서 난류 유동에서 일련의 실험들로부터의 결과를 제시한다. 바람직한 점성 그레디언트를 달성하기 위해 어떠한 방법의 설명도 분사 시스템의 어떠한 기하구조도 제시되지 않았지만, 개략적인 결과는 예인 저항의 감소는 작은-직경(0.4m)를 제외하고 매우 긴(40m) 본체에 대해 약 50퍼센트에서 약 70퍼센트로 증가되었음을 지시한다. 그들은 또한 국부적인 항력 감소의 측정치가 예인되는 본체의 길이를 따라 그들의 이전 분사 방법에 비례하여 일정한 개선을 지시한다고 보고했다.

경계층 제어를 위해 첨가제를 사용하는 것과 아주 독립적으로, 증가된 항력을 초래하는 유동 분리를 지체 또는 제거하는 기법들이 있다. 에프.오. 필렙(F.O. Fingleb)는 Boundary Layer Control, Vol.1에서 "Separation Control by Trapped Vortices"에 대한 잠재성을 기술했으며, 편집자 지.브이. 래크만(G.V. Lachmann)은 1961년 퍼가몬 프레스(Pergamon Press)에 의해 발표했으며 이외에 "Discussion of Problems Associated with Standing Vortices and their Application"으로 1964년 5월 18-20에 펜실베니아, 필라델피아에서 ASME Symposium on Fully Separate Flows에서 제시했다. 그 개념은 유동 경로가 지속적이지만, 지속적인 표면 또는 벽에서 분리가 기대되는 영역에서 기하 구조의 구성에 갑작스런 변화를 제공하는 것이다. 기하 구조에서, 이를 테면 횡방향 그루브에 의해 야기된 갑작스런 변화는 그루브에서 강한 와동을 야기시킬 수 있다. 그러므로, 와동에 부속한 흐름은 그루브위에 브리지(bridge)하며 부속한 하류를 유지시킨다. 안정한 거품이 제거된 와류도를 야기하는 이러한 기법은 연장된 항력의 분리된 유동을 회피 또는 감소시키는데 사용되어왔다. 때때로 링렙 와류(Ringleb vortices)로서 언급되며, 그것들은 디퓨저(diffuser)에 그리고 무딘 본체의 베이스에 종종 사용된다.

비압축성 난류 유동의 분리를 제어하는 벽 제트의 논의는 폴 케이. 창(Paul K. Chang)에 의해 Control of Flow Separation에서 발견될 수 있으며, 1976년 헤미스피어 퍼블리싱 코포레이션(Hemisphere Publishing Corporation)에 의해 발표되었다. 자유류에서처럼 동일 유체의 제트는 역압력 그레디언트의 영역에 자유류 유동의 거품을 제거하는데 사용된다. 그 개념은 외장 마찰을 초래하는 경계층 모멘텀의 손실을 상쇄시키기 위해 벽 제트의 초과 모멘텀을 사용하는 것이다. 그러나, 2가지 효과의 신중한 조화없이는, 이득이 사라지거나, 또는 상기 제트에 의해 야기된 벽 전단 응력의 증가에 의해 심지어 역전될 수 있다. 제트에 의해 경계층으로 도입된 불안정감때문에 믹싱이 강화된다. 에이.아이. 티시가눅(A.I. Tcygan'uk), 엘.에프. 코즈로프(L.F. Kozlov), 브이.엔. 보크(V.N. Vovk), 및 에스.엘. 맥시모프(S.L. Maximov)는 "Technique for Control of the Near-Wall Layer Flowing Over a Hard Body by the Method of a Control Jet and a Device for Realization of this Technique"로 표제된 발명에서 벽 제트에 의해 도입된 불안정감을 감소시키는 방법 및 장치를 기술하며, 이는 소비에트 발명자의 증명 번호 S.U. 제1585569A1호로서 1990년 8월 15일에 Bulletin #30에 발표되었다. 이 방법 및 장치는 제어 제트가 자유류 유동을 합류시키는 영역에서 와류 존의 생성때문에 경계층의 거품을 제거하도록 의도된 다른 벽멱 제트 시스템과 상이하다. 본 발명은 와류 존이 챔버 길이의 대략 0.28인 제트에 개구부를 가질 때 와류실에 의해 와류 존이 야기됨을 주장한다.

본 발명은 이하 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이다. 첨부된 도면들은 예시만을 위해 주어지고 본 발명을 제한하지 않는다.

도1은 분사 시스템의 기초 이젝터 요소의 개략도이다.

도 2a-2c는 이젝터의 바로 상류에 위치될 수 있는 횡방향 그루브의 다수의 선택적 프로파일을 나타낸다. 도 2a는 타원형 그루브의 프로파일을 나타낸다. 도 2b는 그루브의 하부 하류 코너에 코안다 표면을 지닌 노즐을 통하여 첨가제를 공급할 수 있는 그루브의 프로파일을 나타낸다. 도 2c는 그루브의 상부 상류 에지에서 노즐을 통하여 첨가제를 공급할 수 있는 그루브의 프로파일을 나타낸다.

도 3은 트리플 이젝터 시스템의 일구성의 개략적인 단면도이다. 이러한 구성에서, 타원형 그루브는 제1이젝터 유닛의 상류에 위치되고 제1이젝터의 와류실에 대한 교류용 포트들을 지닌다. 그 포트들은 와류실로부터의 첨가제가 그루브에 공급되도록 하여 그루브에 대한 배관의 필요를 제거한다. 제2이젝터는 제1이젝터로부터 유체 하부에 상이한 첨가제를 분사하도록 위치되어 있다. 제2이젝터의 하류에는 상류 이젝터들로부터 분사된 유체의 층 하부에 분사되는 유체의 질량흐름율로 스케일링된 보다 작은 이젝터가 있다.도 4는 도 3의 유사도이다; 그러나, 그루브 대신에, 작은 손실성 이젝터가 제 1 이젝터 유니트의 상류에 위치된다.

발명의 간단한 요약

본 발명은 유체 유동의 경계층의 인접 벽 영역의 선택된 층으로 비파괴 분사를 할수 있다. 그 제1목적으로서, 본 발명은 그것이 경계층 유동과 통합될 때 첨가제의 초기 확산을 감소시키도록 상류 유동을 예비조정한다. 본 발명의 제2목적은 분사된 스트림 및 분사된 스트림내 첨가제를 예비조절하여 그것이 난류 확산 및 그것이 경계층에 들어감에 따라 분사된 유체 내의 운동량의 손실을 감소시키는데 즉시 효과적이게 한다. 본 발명의 제3목적은 형성된 유동 필드의 바람직하지 않은 파괴를 억제하는 것이다. 본 발명의 제4목적은 비-뉴톤 첨가제 또는 기체-액체 혼합물의 고 농도의 분사에서 고유의 불리한 점성 그래디언트를 제거하는 것이다; 본 발명의 제5목적은 경계층을 가로질러 층내 다중 첨가제의 선택적인 배치를 허용하는 것이다; 제6목적은 인접 벽 유동을 차폐하기 위해 인접 벽 유동 상부의 특정 위치들에 첨가제 또는 유동 구조체를 위치시켜 분사된 첨가제들의 확산을 더욱 감소시키는 것이다. 본 발명의 제7목적은 물질의 최적 농도를 유지하기 위해 다중 이젝터 세트들이 플레이트 또는 베슬의 길이를 따라 위치되어 전체 시스템 효율을 향상시키는 것이다.

본 발명의 경계층 제어 시스템은 예비-분사 처리, 분사 처리, 및 사후-분사 처리를 포함한다. 예비-분사 처리는 첨가제가 완전한 효과를 취할 수 있기 전에 초기 확산의 수준을 감소시키도록 상류 유동을 조절하는 것과 관련된다. 분사 처리는 이젝터에서 난류 확산을 감소시킬시 첨가제의 효과를 가속시키기 위해 분사된 유체를 조절하는 단계와 향하게 하는 단계를 포함하며 경계층, 분사 지점의 상류 및 하류 모두로 불안전성의 도입을 금지시킨다. 분사된 유체의 대략 유동율은 난류의 레벨에서 바람직하지 않은 증가를 회피시키기 위해서 기존 경계층의 근접-벽 유동 변수에 기초하여 선택된다.

분사 처리는 매우 덜 파괴적이므로, 다중 분사 위치는 재래식 첨가제 분사 기술로 관측되는 불이익 없이 동시에 구현될 수 있다. 게다가, 개별 이젝터들은 하류 경계층의 선택된 층들로 다중 첨가제의 분사를 허용하도록 서로 직접적으로 인접하여 위치될 수 있어서, 경계층의 유동학 특성의 제어를 제공하는데, 이를 테면 분사 후 바람직한 점성 그레디언트를 설정 및 유지시킨다. 분사 장치는 횡방향 그루브, 와류실, 코안다 표면(Coanda surface), 내부 노즐 및 칼날(knife-edge)을 포함하는 독특한 배열의 유체 장치를 포함한다.

삭제

본 발명은, 첨가제들의 슬롯 분사로 달성된 항력감소(drag reduction)의 수준 및 효율이 분사 관련 처리의 유리한 그리고 불리한 효과들 모두의 순가치(net value)를 나타냄을 인식하는데 기초한다. 본 발명은 불리한 효과들을 회피 또는 억제하고 유리한 효과들의 개시 및 연장을 가속화시켜 달성 가능한 항력감소의 값을 증가시키고 첨가제의 부피 수비율을 감소시킨다. 폴리머 용액 및 기체 마이크로버블들과의 혼합물들의 고농도 분사의 부정적인 효과는 분사기 주변 국부 영역의 경계층에 추가적인 불안정성의 도입, 난류 수준의 증가, 그리고 벽 영역의 불리한 점성 그래디언트의 전개이다. 이런 효과들은 국부적인 항력의 증가 및 그것이 효과적인 경계층의 영역 외부로의 첨가제의 보다 고속 확산에 기여한다. 특히, 본 발명의 첨가제가 경계층의 버퍼존으로부터 멀어지게 확산하는데 기여하기 보다는 오히려 제한한다.

설정된 경계층의 파괴 및 분사된 첨가제의 고속 확산을 감소시키기 위해, 본발명의 이젝터는 유체공학 기반 구성체의 독특한 조합을 이용한다. 이러한 구성체는 기저부 또는 출구 직경(14)(이하 이젝터의 모든 다른 요소들을 스케일링하기 위해 h₁으로 식별됨)을 갖는 이젝터의 "쓰로트(throat)"의 노즐, 분사 스트림의 하류측 코안다 표면, 분사 스트림의 상류측 와류실, 그리고 분사 스트림이 와류실과 만나는 하나와 그것이 경계층 유동과 만나는 다른 하나의, 두 개의 칼날을 포함한다. 제2칼날은 성능을 희생하지 않고 이런 구성성분의 생산성 및 정비성을 촉진하기 위해 작은 반경의 곡면을 가지는 표면으로 대체될 수 있다.

도 1은 분사 시스템의 기본 이젝터 요소의 개략도이다. 그것은 첨가제를 예비조정하는 노즐(13), 두 개의 반경(1,2)에 의해 한정된 형태 및 스케일을 가지는 요소의 상류측 와류실(4), 와류실(4)과 외벽(7)이 교차하는 위치에서 코안다 표면의 효과를 가지도록 충분히 큰 곡률반경을 가지는 표면 또는 칼날(6), 외벽(10)에 연결되는 이젝터의 하류 에지 상의 반경(9)을 갖는 코안다 표면(8) 및 분사된 스트림(5)이 설정된 경계층 유동(12)과 합쳐지는 개구(11)를 포함한다. 이젝터의 형상의 제한이 존재하는 상황에서, 코안다 표면(8)은 고정된 반경 대신에 복합 반경(compound radius)을 가질 수 있다. 이젝터의 입구에는 노즐(13) 또는 이젝터 스트림(5)으로의 수렴 유동을 발생시키는 다른 장치가 있다. 분사 스트림은 h₁과 동일한 폭을 가진다. 노즐의 목적은 첨가제 분자들을 풀고, 정렬하고 신장시키기에 충분한 층 수축 유동이 형성되어 이들이 효과적일 필요가 있는 상태가 되게 하는 것이다. 이젝터를 통한 유동은, 분사속도가 약 10퍼센트의 자유흐름속도가 되어야 하고 이젝터가 10 Q_s의 질량흐름율을 수용하도록 사이징되어야 하기 때문에 층류(laminar)가 될 것이다. 질량흐름율은 약 2 전후의 계수(factor) 만큼 변경될 수 있고, 처리되는 벽의 길이와 특성(예컨대, 거칠기, 점탄성 특성), 자유흐름속도, 첨가제의 유형과 농도, 그리고 소정의 항력감소 수준에 좌우된다. 가장 통상적으로 사용되는 첨가제들에 대한 이들 파라미터의 범위는 이젝터를 통한 층유동(laminar flow)을 초래한다. 분사된 유체 스트림의 속도는 코안다 표면(8)에 부착되는 분사된 스트림을 유지시키기에 충분한 값으로 하한이 구속되며, 분사된 스트림으로 대체되는 인접-벽 경계층 유동의 속도에 의해 상한이 구속된다. 그 속도를 초과하지 못함으로써, 두 개의 유동은 국부 수준의 난류의 상당한 증가를 발생시키기 않고 통합될 수 있다. 소정의 질량흐름율 및 분사속도는 노즐 또는 슬롯 폭(h₁)을 결정한다. 적절히 구성된 노즐을 사용함으로써, 첨가제는 경계층과 통합시 즉시 유효하여 난류 경계층에서의 확산의 주요 메카니즘인, 난류의 수준에 영향을 미치기 시작한다. 물론 첨가제의 농도는 분사 점에서 가장 높다. 그러므로, 이 위치에서 난류의 수준 감소가 확산 제어 및 분사된 첨가제의 부피의 영향을 최소화하는데 중요하다. 문헌에 기술된 바와 같이, 10밀리미터의 길이 및 노즐 벽들 사이에서 약 10 내지 45도 각을 갖는 노즐은 Polyox WSR-301 같은 폴리머들에 대해 약 초당 1미터의 노즐을 통한 평균 유동율로 첨가제를 예비조절하기에 적정한 것으로 도시되었다.

이하 기술되는 바와 같이, 코안다 표면 및 와류실은 유닛으로 기능한다. 코안다 표면의 목적은 하류 외벽에 부착되는 분사 스트림을 유지하는 것이다. 폴리머 첨가제가 분사될 때, 코안다 표면의 반경(9) 값은 약 4h₁이어야 한다. 이젝터의 하류 에지에서 별개의 영역을 제거하는 것은 통상적인 슬롯 설계에서 고유한, 그러한 별개 부분에 의해 도입되는 불안정성을 회피한다.

경계층에 대해 수직인 분사 스트림의 속도 성분은 코안다 표면 및 낮은 질량흐름율 때문에 거의 0까지 감소된다. 경계층 "분출"(blow-off)를 제거함으로써, 압력 항력의 증가 및 그 현상과 연관된 분사 첨가제의 고속 확산이 회피된다.

이젝터의 상류측에 위치된 와류실의 목적은 설치된 경계층의 파괴에 공헌하여 경계층을 가로지르는 첨가제 확산 속도를 향상시키고 국부 항력을 증가시키는 와류도의 소스를 감소 또는 제거하는 것이다. 와류실의 형태는 두 개의 반경(1,2)으로 한정된다. 반경(1)의 중심점은 칼날(3)의 끝이고 반경(1)의 값은 거의 4h₁이다. 반경(2)의 중심은 칼날(3)로부터 와류실의 대향 벽까지 연장된 라인을 따라 있는 중간쯤에 있다. 반경(2)이 반경(1)의 절반 길이일 때, 두 개의 곡선들이 연속되는 표면을 제공한다. 그 2:1 비가 정밀한 것을 필요로 하지 않지만, 그 비가 변하면 와류실의 프로파일의 변곡점 또는 임의의 불연속성을 회피하기 위해 짧은 벽 세그먼트를 필요로 한다. 와류실의 상부는 반경(1)에 의해 형성된 표면에 접선 연결된 칼날(6)로 형성된다. 전술한 바와 같이, 칼날(6)은 벽의 강도를 증가시키고 제조를 용이하게 하기 위해 작은 곡면으로 교체될 수 있다. 부착된 유동이 자유흐름유동과 통합될 때까지 곡면이 부착된 유동을 유지하기에 충분하다면, 분사성능의 감쇄가 없을 것이다. 전체 스케일 해양 응용과 관련된 파라미터들에 대해, 그 곡선의 반경은 설정된 경계층(12)까지의 개구(11)의 치수가 약 3h₁이 되도록, 외벽의 중심에서 약 0.5h₁이어야 한다.

상류 벽에 내부 와류실의 존재는 곡면 채널의 유동에 대한 유동의 상태를 수정하고, 그렇지 않으면 상류 벽의 곡면에 의해 도입되는 와류를 제거한다. 딘형 또는 괴틀러형 와류도 모두 형성되지 않는다. 분사된 스트림의 이동은 와류실에서 순환을 유발한다. 적절히 형성되고 사이징된 챔버에 대해, 안정한 와류가 그 챔버 내에 형성된다. 분사된 스트림의 상류 경계에서 경계층이 계속해서 전개되지 않는다. 오히려, 챔버의 내부벽 상류에 의해 발생되는 와류도(vorticity)는 챔버 내의 와류에 의해 소멸된다. 내부 스트림의 상류 에지를 따르는 유동이 와류실 없는 경우보다 덜 느려져서, 그것이 설정된 경계층의 인접 벽 영역과 통합됨에 따라 분사된 유체의 보다 안정된 층을 발생시키도록, 분사된 스트림의 속도 프로파일이 설정된 채널 유동에 대해 수정된다. 그래서, 분사된 스트림의 상류 에지에서, 경계층으로 도입된 불안정성이 감소된다.

와류실 없이, 코안다 표면을 형성하기 위해 필요한 곡면은 (오목한 벽 위의) 괴틀러형 와류 또는 (굴곡된 파이프에서) 딘-형(Dean-type) 와류의 생성을 초래할 수 있다. 그러므로, 분사 처리에 대한 코안다 표면의 순효과는, 내부 채널의 상류 에지의 와류도가 와류실에 의해 소멸되기 때문에 개선된다. 또한, 노즐을 통한 수축 유동에 의한 첨가제의 예비조절이 첨가제의 항력감소효과를 일으킨다. 특히, 그 효과는 소규모(small-scale) 와류의 소멸을 포함한다. 이런 분리 메카니즘은, 그것이 설정된 경계층과 통합됨에 따라 분사된 스트림의 양상(behavior)을 개선시키도록 함께 작용한다.

분사된 스트림의 개선된 양상을 분사 처리 동안 첨가제의 예비 조절과 조합하는 것은 난류의 보다 급속한 억제를 초래하여 농축된 첨가제의 확산 감소를 일으킨다. 본 발명에 있어, 농축된 첨가제의 확산은 주 이젝터 바로 상류의 유동을 예비조절함으로써 더욱 감소된다. 불안정한 또는 복잡한 난류 경계층 유동에 대해, 본 발명은 저농도의 첨가제를 분사하도록 구성되며 주 이젝터의 바로 상류에 위치되는 별개의 손실형 첨가제 이젝터를 포함한다. 농도는 10 중량ppm(wppm) 차수일 수 있는데, 이것은 먼 하류에서 효과적인 것이 목적이 아니라, 주 이젝터로부터의 물질의 농도가 가장 큰 (즉, 확산에 대한 패널티가 가장 큰) 위치에서 및 그 바로 상류에서만 효과적이기 때문이다. 그러므로, 적당량의 첨가제의 희생하여 주 이젝터로부터의 훨씬 다량의 첨가제가 인접 벽 영역에 유지될 것이다.

상대적으로 안정한 유동에 대해, 안정한 인트레인된(entrained) 와류 또는 와류 시스템을 발생시키기 위해 적절하게 사이징된, 가로 그루브들로서 구성된 보다 단순한 이젝터들은 주 이젝터의 상류에 위치된다. 안정하고 인트레인된 와류 시스템은 벽에서 생성된 소규모의 와류도를 소멸시킬 것이고 상류 경계층의 전개를 중단시킨다. 안정-인트레인된 와류들을 발생시키는 그루브 프로파일들은 특히 후부(after-body) 별개 제어를 위해 문헌에 공개되었다. 그루브를 적절히 형상화하는데 더하여, 본 발명은 인트레인된 와류의 안정화에 더욱 기여하도록 소량의 첨가제를 도입한다.

상류 그루브 구성의 3개의 프로파일들이 도 2에 주어진다. 도 2A는 주축(15), 부 하프축(16), 및 외벽에 대한 깊이(17)를 가지고 타원형의 가로 그루브 횡단면의 개략도이다. 이런 형태는, 적절하게 크기 조정될 때 (15 > 17), 직사각형 보다 경계층에서 저 수준의 불안정성에 대해 보다 큰 내성적(tolerant)일 수 있다. 도 2B는 그루브의 하단 하류 에지의 코안다 표면(20)을 갖는 노즐(19)을 통해 첨가제를 제공할 수 있는, 폭(18)과 깊이(17)(여기에서, 1718)를 갖는 직사각형 그루브의 개략적인 단면도이다. 이런 구성에 대해, 소량의 첨가제의 추가가 인트레인된 와류의 안정성을 증가시킨다. 도 2C는 그루브의 상부 상류 에지에서 노즐(21)을 통해 첨가제를 제공할 수 있는 유사한 직사각형 그루브의 개략적인 단면도이다. 도 2C에 도시된 바와 같이, 상기 그루브는 그루브의 상부 상류 에지의 노즐을 통하여 그루브에 제공되는 예컨대, 제5유체의 소스와 소통된다. 이런 구성에 대해, 첨가제 소비율이 도 2B의 구성에 대해서 보다 약간 크지만 첨가제가 인트레인된 와류를 안정화시킬 뿐만 아니라 경계층 인접 벽 영역의 소형 스케일 와류도를 억제한다. 모든 경우에, 외부 유동(12)은 왼쪽에서 오른쪽이다.

이런 기법들에 더하여, 주 이젝터의 바로 상류에서 다른 항력 감소 기법을 채용하여 유동 상류를 예비조절하는 것이 또한 가능하다. 이런 기법들은 리블렛(riblet)으로 국한되지 않고, 다양한 형태의 항력 감소 코팅 및 경계층 흡입을 포함한다. 문헌에 기술된 바와 같이, 각각은 상류 유동의 특성에 대해 장점을 가진다.

본 발명의 이젝터가 종래 기술의 이젝터 설계보다 매우 덜 파괴적이기 때문에, 도 3에 도시된 바와 같이, 직렬(tandem) 이젝터들을 사용하여 다른 첨가제들을 계층화하는게 가능하다. 다중 이젝터들을 통해 점성을 달리하는 유체의 분사는 인접 벽 영역의 유리한 점성 그래디언트의 형성을 허용하여 시스템 성능을 개선시킨다. 예를 들어, 약 1의 Q_s값에 대해 스케일링되고 주 이젝터의 바로 하류에 위치된, 유사하지만 보다 소형의 이젝터로부터의 유체의 분사는 첨가제를 상류 이젝터로 부터 벽과 떨어뜨려 그것이 난류의 수준을 감소시키는데 효과적인 영역으로 변위시키도록 작용할 것이다. 기체 마이크로버블들에 대해서, 이것은 분사 동안 거칠기 요소들로 벽에서 작동하도록 버블들의 잠재력(potential)을 또한 감소시킨다. 폴리머의 농축된 용액 및 기체 두 가지 모두에 대해, 그것은 벽에 불리한 점성 그래디언트 보다 오히려 유리한 점성 그래디언트를 제공할 수 있다. 분사된 유체는 물 같은 단독 용매이거나 첨가제의 희석액일 수 있으며, 따라서 점성이 주위 용매와 동일하거나 (가열된 물에 대한 것과 같이) 주위 용매보다 낮다. 예컨대, 제3유체를 가열하여 유체가 가열되지 않는 경우보다 낮은 점성을 유체에 부여할 수 있다. 하류 이젝터에 단지 물이 사용되거나 또는 첨가제가 사용되지 않는 때는, 노즐에 대한 요건이 완화될 수 있다. 하류 이젝터를 통한 유동율이 약 1 Q_s까지 감소되기 때문에, 분사 속도는 자유흐름속도의 약 5%가 되어야 한다. 이것은 더 큰 상류 이젝터의 분사 속도의 약 절반이다. 보다 낮은 분사 속도를 조절하기 위해, 코안다 표면의 대한 슬롯 폭의 직경 비는 그 표면 상의 국부적인 분리의 전개를 방지하기 위해 하류 슬롯 폭(27)의 6 내지 8 배의 값까지 상류 이젝터의 그것 이상으로 증가되어야 한다. 개구(11)의 크기는 약 3 슬롯 폭(27)을 유지해야 한다. 그래서, 챔버의 곡면 벽과 칼날(6) 사이의 세그먼트가 상류 이젝터와 비교하여 확장되어야만 한다.

도 3은 3중 이젝터 시스템의 일 구성의 개략적인 단면도이다. 이 구성에서, 타원형 가로 그루브(22)가 제1 주 이젝터 유닛(23)의 상류에 위치되어 있다. 첨가제가 도 2B 또는 2C에 나타난 것과 동일한 방식으로 타원형 그루브에 제공될 수 있다. 상류 유동의 특성에 따라, 추가적인 그루브(25)들이 제1 주 이젝터의 난류의 수준을 억제하도록 위치될 수 있다. 또는, 이 그루브들 대신에, 도 4에 도시된 것처럼, 5 내지 10 Q_s의 첨가제를 10wppm의 차수의 농도로 분사하도록 스케일링된 소형 손실형 이젝터가 제1 주 이젝터의 난류의 수준을 억제하도록 위치될 수 있다. 또는, 손실형 이젝터는 도 3에 나타난 것처럼 도 2C에 나타난 배열에 유사한 그루브의 상부 상류 에지에 노즐(21)을 통하여 입력되는 제5 유체를 갖는 그루브(25)일 수 있으며, 그루브(25)는 항력감소물질을 포함하는 제5유체를 수신 및 조절하기 위한 도관 및 노즐을 포함할 수 있다. 이런 소량의 첨가제를 "희생하는(sacrificing)" 것은 난류의 수준을 감소시켜 제1 주 이젝터에서의 확산량을 감소시킬 것이다.

제1 주 이젝터로부터의 유체, f₄는 문헌(예를 들어, 머클(Merkle) 및 도이치(Deutsch) 참고)에 따르면, 벽의 300 점성 유닛들 내에서 효과적일 수 있는, 즉, 그 벽으로부터의 대부분의 폴리머들이 유효한, 기체 마이크로버블의 혼합물일 수 있다. 도이치는 마이크로버블 층이 경계층의 외부 영역들의 더 큰 구조체로부터 인접 벽 층을 차폐하도록 작용하는 것으로 보인다고 보고했다. 그래서, 다중 직렬 이젝터들(23,4)은 다른 스케일의 마이크로버블들 및 이들이 유효한 층에서의 다른 분자량 및 구성을 갖는 폴리머들을 위치시키는데 사용될 수 있다. 주 이젝터(23,4)들의 하류에서는, 하류 이젝터로부터 분사되는 질량흐름율의 유체, f₃로 스케일링된 슬롯 폭 h₂(27)를 가지는 소형 이젝터(26)가 있다. 예를 들어, 유리한 점성 그래디언트를 형성할 목적으로, 용매만이 하류 이젝터로부터 분사되도록 의도될 때, 수렴하는 층흐름을 발생시키기 위한 노즐 또는 유사 장치에 대한 요건이 완화될 수 있다. 그러나, 다양한 구성의 노즐들이 종종 요망하는 스케일 마이크로버블들을 발생시키도록 사용된다. 그래서, 특정 노즐 설계들이 마이크로버블 분사 뿐만 아니라 분사 이전에 폴리머를 예비조정하기 위해 필요로 될 것이다.

그래서, 인접벽 유체의 유동 특성을 변경하는데 더하여, 다중 이젝터들은 경계층의 특정 층에서 효과적인 것으로 알려지는, 첨가제들을 계층화도록 채용될 수 있다. 예를 들어, 특정 스케일의 마이크로버블들 같은, 일부 첨가제들은 폴리머들 인 벽으로부터 더욱 효과적인 것으로 간주된다. 소정의 질량흐름율에 대해 각각 스케일링된 3개의 직렬 이젝터들의 세트는 마이크로버블, f₄들이 그 상부로 분사되는 농축액 폴리머, f₂하부에 3중층의 물(저점성), f₃를 제공할 수 있다. 유사하게는, 적절히 스케일링된 버블들의 다층들 또는 다른 종류의 폴리머들의 다층들은 직렬 이젝터들로부터 분사될 수 있다. 이런 유체들 상부로 상류 그루브들 또는 "희생 슬롯", f₅ 으로부터의 첨가제 및 자유흐름 유체, f₁을 유동시킨다.

과거에는, 조선업자들이 고농도 및 단일 이젝터 시스템으로부터의 첨가제의 고유동율이 동일량의 첨가제가 선체의 길이를 따라 분배된 다 분사 부위로부터 분사되는 경우 보다 효율적이었음을 결론지었다. 압력 항력의 증가를 유도하는, 통상의 이젝터들 및 경계층 분사에 의해 생성된 국부 표면 마찰의 증가는, 이런 현상의 공헌자들이다. 그런 효과들을 회피하기 위해, 본 발명은 차량 또는 추진기를 따라 다수 위치들에 이젝터의 세트들을 채용하는 것이 가능하여 벽(차량)의 형태 및 길이의 기능으로서 첨가제의 분배를 최적화한다. 그러므로, 매우 긴 벽들은 효율의 큰 손실 없이도 처리될 수 있다.

이젝터가 유동 상태의 국부적 변화에 적합하기 때문에, 이젝터들은 자유흐름 입사각의 변화동안 분리를 회피하도록 인접 벽 유동을 고무시키도록 구성될 수 있다. 분사후 처리는 이젝터의 하류 첨가제의 확산을 감소시키기 위한 벽의 처리, 벽을 따라서 그리고 임의의 돌출부들 둘레 모두에서 첨가제의 확산을 감소시키기 위한 외부 유동의 처리, 및 보다 효율적인 첨가제 소비율을 달성하기 위해 다른 첨가제들 또는 다른 농도의 첨가제의 하류 분사를 포함한다. 발명의 효과본 발명은 이젝터의 상류 및 하류 에지에 도입된 와류도를 대체로 감소시킨다는 점에서 모든 기존의 첨가제 이젝터들과 상이하다. 본 발명은 이젝터에서 난류와 확산의 레벨을 감소시키는 상류 유동을 조절할 수 있다. 본 발명은 외부 경계층 유동과 융합하기 이전에 풀림, 정렬 및 신장되도록 첨가제를 사전 조절한다. 그리고, 벽에서 떨어져 버블을 유지시키며 폴리머 이젝터의 벽 하류에서 바람직한 점성 그레디언트를 설정함으로써 하류 유동을 조절한다. 종래 기술의 어떠한 분사 시스템도 본 발명에서처럼 경계층의 근접-벽 영역의 특정 층에 다중 첨가제의 비-파괴적 배치를 가능하게 할 수 없었다.

Claims

제1유체의 분출 및 붕괴를 회피하고 상기 제1유체 내 항력감소물질의 확산 속도를 감소시켜, 벽에 대해 이동하는 상기 제1유체의 항력을 감소 시 상기 항력감소물질의 유효성을 증가시키는 방식으로 상기 제1유체 속에 상기 항력감소물질을 분출하는 방법에 있어서,

(a) 상기 항력감소물질을 분산된 고체, 액체 또는 기체 마이크로버블 및 물질 혼합물로서 포함하는 제2유체가 상기 첨가제를 포함하는 상기 제2유체 내에 축방향 속도 그레디언트를 발생시키는 노즐을 통해 유동시켜 항력감소물질의 분자들이 풀리고 정렬하고 연장하도록 하여 상기 항력감소물질을 조절하는 단계;

(b) 와류실 내에서 와류를 형성시켜 상기 제2유체의 와류도를 감소시키기 위해, 상기 제2유체를 와류실을 거쳐 통과시키는 단계; 및

(c) 벽에 개구를 가지며 제1코안다 표면을 그 일부로 포함하도록 형성된 제1이젝터를 통해, 상기 제1유체가 상기 벽을 지나 유동함에 따라 상기 제2유체를 상기 제1유체 속으로 분사하는 단계;

를 포함하는 항력감소물질 분사방법.
제1항에 있어서, 상기 제1코안다 표면이 상기 벽을 지나 상기 유체의 유동에 대해, 상기 개구의 하류 측에 위치되는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사방법.
제1항에 있어서, 상기 와류실은 와류실의 적어도 일부가 제1코안다 표면에 대향하게 위치되는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사방법.
제1항에 있어서, 상기 와류실은 상기 노즐로부터의 제2유체가 상기 와류실과 만나는 영역에 칼날을 포함하는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사방법.
제1항에 있어서, 상기 와류실 표면이 상기 와류실이 벽과 만나는 영역에 칼날을 형성하는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사방법.
제1항에 있어서, 상기 벽과 상기 와류실 사이의 영역이 제2곡면을 포함하는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사방법.
제1항에 있어서, 상기 제1이젝터의 하류에 있는 개구를 가지며 그 하류 측에 코안다 표면 및 상기 코안다 표면에 대향해 그 일부를 가지도록 위치된 와류실을 가지는 제2이젝터를 통해, 제3유체를 분사하는 단계를 더 포함하는 항력감소물질 분사방법.
제7항에 있어서, 제2이젝터가 제1이젝터와 상이한 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사방법.
제1항에 있어서, 상기 제1개구의 상류에 있고 그 하류 측에 코안다 표면 및 상기 코안다 표면에 대향해 적어도 그 일부를 가지도록 위치된 와류실을 가지는 제3개구를 통해, 제4유체를 분사하는 단계를 더 포함하는 항력감소물질 분사방법.
제9항에 있어서, 제3개구가 제1개구와 상이한 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사방법.
제1항에 있어서, 그루브가 제1개구의 상류에 위치되어, 제1유체가 상기 그루브를 지나서 유동함에 따라 상기 제1유체로부터 와류도를 제거하는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사방법.
제11항에 있어서, 상기 그루브는 코안다 표면을 통해 상기 그루브의 하류 바닥 위치의 상기 그루브에 입력되는 제5유체의 소스와 연통되는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사방법.
제11항에 있어서, 상기 그루브는 그루브의 상부 상류 에지의 노즐을 통하여 그루브에 제공되는 제5유체의 소스와 소통되는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사방법.
제7항에 있어서, 상기 제3유체는 상기 제2유체보다 낮은 점도를 가지는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사방법.
하나 이상의 항력감소물질들을, 기선택된 벽에 대해 유동하는 제1유체의 경계층의 다중층으로 배출하는 방법에 있어서,

상기 제1유체의 유동 경로를 따라 순차적으로 위치되는 다중 개구들을 통해 하나 이상의 항력감소물질을 분사시키는 단계를 포함하며,

하나 이상의 상기 개구들은 노즐, 하나 이상의 상기 유체를 와류실에서 발생시키도록 노즐을 통과하는 유체에 의해 활성화되도록 위치되는 와류실 및 상기 와류실에 대향한 코안다 표면과 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 배출방법.
제15항에 있어서, 하나 이상의 항력감소물질이 상이한 농도의 다중 개구들을 통해 분사되는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 배출방법.
제15항에 있어서, 유체들이 상기 다중 개구들을 통해 분사되는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 배출방법.
제14항에 있어서, 제3유체를 가열하여, 상기 유체가 가열되지 않는 경우보다 낮은 점성을 상기 유체에 부여하는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 배출방법.
제1유체의 항력감소물질의 확산속도를 감소시켜, 벽(즉, 표면)에 대해 이동하는 상기 제1유체의 항력을 감소 시 상기 항력감소물질의 유효성을 증가시키는 방식으로 상기 제1유체 속에 상기 항력감소물질을 분사하는 방법에 있어서,

a) 내부에 분산된 기체를 가지는 제4유체가 마이크로버블 발생기로 구성된 노즐을 통해 유동되게 하는 단계;

b) 와류실 내에 와류를 형성시켜 와류실 내에 분산된 가스를 갖는 유체의 와류도를 감소시키기 위해, 와류실 내에 분사되는 가스를 갖는 유체를 통과시키는 단계; 및

c) 상기 제1유체가 상기 개구를 지나 유동됨에 따라, 그 일부에 제1코안다 표면을 포함하는 개구를 통해 그 내에 분산된 가스를 갖는 유체를 제1유체로 분사하는 단계;

를 포함하는, 항력감소물질 분사방법.
제1유체의 항력감소물질의 확산속도를 감소시켜, 벽(즉, 표면)에 대해 이동하는 상기 제1유체의 항력을 감소 시 상기 항력감소물질의 유효성을 증가시키는 방식으로 상기 제1유체 속에 상기 항력감소물질을 분사하는 장치에 있어서,

a) 제2유체가 통과되며, 통과되는 제2유체 내에 축방향 속도 그래디언트를 발생시키는 노즐;

b) 상기 노즐을 통과하는 상기 제2유체에 의해 활성화되어 와류실의 상기 제2유체 내에 와류 또는 와류들의 시스템을 형성하도록 위치되는 와류실; 및

c) 제2유체를 제1유체의 유동으로 분사하기 위한 개구로서 그것의 일부가 코안다 표면을 포함하도록 형성된 개구를 가지는 제1이젝터;

를 포함하는 항력감소물질 분사장치.
제20항에 있어서, 상기 코안다 표면은, 상기 개구를 지나는 상기 유체의 유동에 대해, 상기 개구의 하류 벽에 인접 위치되는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사장치.
제20항에 있어서, 상기 와류실은 와류실의 적어도 일부가 상기 코안다 표면에 대향하도록 위치되는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사장치.
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제20항에 있어서, 제2유체를 분사하기 위해 개구의 하류에,

a) 제3유체가 통과되며, 통과되는 제3유체 내에 축방향 속도 그래디언트를 발생시키는 노즐;

b) 상기 노즐을 통과하는 상기 제3유체에 의해 활성하되어 와류실의 상기 제3유체 내에 와류 또는 와류들의 시스템을 형성하도록 위치되는 와류실; 및

c) 제2이젝터를 지나 상기 제1 및 제2유체의 유동 하에서 제3유체를 분사하며, 그 일부로서 코안다 표면을 포함하도록 형성된 개구를 가지는 제2이젝터;

를 더 포함하는 항력감소물질 분사장치.
제20항에 있어서, 제2유체를 분사하기 위해 개구의 상류에,

a) 제4유체가 그것을 통과함에 따라 상기 제4유체 내에 축방향 속도 그래디언트를 발생시키는 노즐;

b) 상기 노즐을 통과하는 상기 제4유체에 의해 활성화되어 와류실의 상기 제4유체 내에 와류 또는 와류들의 시스템을 형성하도록 위치되는 와류실; 및

c) 상기 개구를 지나 상기 제1유체의 유동 속으로 그리고 상기 개구 하류의 상기 제2 및 제3유체의 유동 상부에 상기 제4유체를 분사하며, 그 일부로서 코안다 표면을 포함하도록 형성된 개구;

를 더 포함하는 항력감소물질 분사장치.
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제20항에 있어서, 그루브가 상기 개구의 상류에 위치되는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사장치.
제30항에 있어서, 상기 개구의 상류에 위치된 그루브가 항력감소물질을 포함하는 제5유체를 수신 및 조절하기 위한 도관 및 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사장치.
제31항에 있어서, 상기 도관이 코안다 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사장치.
제30항에 있어서, 상기 그루브가 타원형 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사장치.
제20항에 있어서, 제1이젝터의 상류에:

a) 상기 노즐을 통과할 때 손실형 제5유체 내에 축방향 속도 그레디언트를 발생시키는 노즐;

b) 상기 노즐을 통과하는 제5유체에 의해 활성화되어 와류실의 제5유체 내에 와류 또는 와류들의 시스템을 형성하도록 위치되는 와류실; 및

c) 개구를 지나는 제1유체의 유동으로 제5유체를 분사하며, 그 일부로서 코안다 표면을 포함하도록 형성되는 개구;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사장치.
제9항에 있어서, 그루브가 상기 그루브를 지나 유동할 때 제1유체로부터의 와류도를 제거할 목적으로 상기 제3개구의 상류에 위치되는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사 방법.
제28항에 있어서, 상기 제1이젝터의 상류에는:

a) 상기 노즐을 통과할 때 손실형 제5 유체내에 축방향 속도 그레디언트를 발생시키는 노즐;

b) 상기 노즐을 통과하는 제5유체에 의해 활성화되어 와류실의 제5유체 내에 와류 또는 와류들의 시스템을 형성하도록 위치되는 와류실; 및

c) 개구를 지나는 제1유체의 유동으로 제5유체를 분사하며, 그 일부로서 코안다 표면을 포함하도록 형성되는 개구;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 항력감소물질 분사장치.
제1유체의 방출 및 파괴를 회피하고 상기 제1유체 내 항력감소물질의 확산 속도를 감소시켜, 표면에 대해 이동시 상기 제1유체의 항력을 감소 시 상기 항력감소물질의 유효성을 증가시키는 방식으로 상기 제1유체 속에 상기 항력감소물질을 분출하는 방법에 있어서,

a) 상기 항력감소물질을 분산된 고체, 액체, 또는 기체 마이크로버블 및 물질 혼합물, 또는 액체 및 가스 마이크로버블 혼합물로서 포함하는 제2유체가 첨가제를 혼합물로서 포함하는 제2유체 또는 용액에 축방향 속도 그래디언트를 발생시키는 노즐을 통해 유동시켜 항력감소물질의 분자들이 풀리고 정렬하고 연장하도록 하여 상기 항력감소물질을 조절하는 단계;

b) 와류실 내에 와류를 형성하여 제2유체의 와류도를 감소시키기 위해 제2유체를 와류실을 거쳐 통과시키는 단계; 및

(c) 제2유체를 상기 표면에 제1코안다 표면을 그 일부로서 포함하도록 형성된 개구를 갖는 제1이젝터를 통해, 상기 제1유체가 상기 표면을 지나 유동할 때 제1유체로 분사하는 단계;

를 포함하는 항력감소물질 분사법.