NO313545B1

NO313545B1 - Embodiments on the surface of a body

Info

Publication number: NO313545B1
Application number: NO20010580A
Authority: NO
Inventors: Hans Oeigarden; Fred Olsen
Original assignee: Fred Olsen
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2002-10-21
Also published as: NO20010580D0; NO20010580L

Description

Den foreliggende opprinnelse vedrører utforminger på overflaten av legemer for å redusere motstanden i forhold til et medium som legemet befinner seg i eller inntil, i samsvar med ingressen til det etterfølgende krav 1. Spesielt vedrører oppfinnelsen utforminger som reduserer vann- og/eller luftmotstanden til en farkost, spesielt et skip. Oppfinnelsen har imidlertid også anvendelse på innsiden av rør som gjennomstrømmes av gass og/eller væske, for eksempel i ventilasjonsanlegg, væsketransportrør, slik som transportrør for hydrokarboner, nedløpsrør til vannkraftverk eller i forbindelse med bølgekraftverk. The present origin relates to designs on the surface of bodies to reduce the resistance in relation to a medium in which the body is located or next to, in accordance with the preamble of the subsequent claim 1. In particular, the invention relates to designs that reduce the water and/or air resistance of a craft, especially a ship. However, the invention also has application to the inside of pipes through which gas and/or liquid flows, for example in ventilation systems, liquid transport pipes, such as transport pipes for hydrocarbons, downspouts for hydroelectric power plants or in connection with wave power plants.

Fra naturen er det kjent en rekke dyr som har overflateutforminger som reduserer strømningsmotstanden. Fugler har fjær som skaper er ru overflate og fisk, haier og rokker har skjell. Felles for disse overflateutformingene er at de bryter de laminære luft-eller vannstrømmene langs kroppsoverflaten og skaper små turbulenser. De laminære strømmene skaper stor strømningsmotstand fordi strømningsmediets hastighet i forhold til legemet er tilnærmet lik null nær overflaten. Det dannes derfor en tynn film av strømningsmediet nær overflaten, som utøver en motstand på legemet. En ru overflate vil bryte denne filmen og skape små turbulente strømninger. Derved reduseres strømningsmotstanden vesentlig. A number of animals are known from nature that have surface designs that reduce flow resistance. Birds have feathers that create a rough surface and fish, sharks and rays have scales. What these surface designs have in common is that they break the laminar air or water flows along the body surface and create small turbulences. The laminar flows create great flow resistance because the velocity of the flow medium relative to the body is approximately equal to zero near the surface. A thin film of the flow medium is therefore formed near the surface, which exerts a resistance on the body. A rough surface will break this film and create small turbulent flows. Thereby, the flow resistance is significantly reduced.

Det er kjent flere overflateutforminger som drar nytte av denne effekten. Several surface designs are known which take advantage of this effect.

US 3184185 viser utforminger på oversiden av flyvinger. Det er stanset ut hull i overflaten. Den utstansede delen av hullet rager ut som en tunge på skrå i forhold til overflaten. På grunn av hullenes utforming vil luft trekkes ut gjennom disse fra innsiden av vingen. Denne luftstrømmen skaper en oppadrettet kraft, som gir løft. US 3184185 shows designs on the upper side of aircraft wings. Holes are punched in the surface. The punched part of the hole protrudes like a tongue at an angle to the surface. Due to the design of the holes, air will be drawn out through them from the inside of the wing. This air flow creates an upward force, which provides lift.

US 3451645 beskriver en anordning som ligner på foregående. Her er det anordnet buede lameller på oversiden av vingen. Det er dannet en spalte mellom hver av lamellene. Luft strømmer ut gjennom denne spalten fra innsiden av vingen og deretter langs lamellens bue. US 3451645 describes a device similar to the previous one. Here, curved slats are arranged on the upper side of the wing. A gap is formed between each of the slats. Air flows out through this gap from the inside of the wing and then along the arc of the slat.

US 4753401 beskriver elementer som er påsatt overflaten på et legeme. Hver av elementene har åpninger 8 og over disse er det anordnet ribber 4 med grunne spor 5 mellom ribbene. Flere elementer er plassert etter hverandre slik at åpningene og ribbene ligger på linje. Mellom hvert av elementene dannes det en slisse 9 som står i forbindelse med en kanal 6B på tvers av kanalen 6A dannet av åpningene 8. Når fluid med lavt trykk strømmer forbi vil fluid trekkes ut fra kanalene 6A og 6B. Når fluid med høyt trykk strømmer forbi vil fluid strømme inn i kanalen 6A og 6B. Dette skal så resultere i redusert strømningsmotstand. US 4753401 describes elements which are attached to the surface of a body. Each of the elements has openings 8 and above these are arranged ribs 4 with shallow grooves 5 between the ribs. Several elements are placed one after the other so that the openings and ribs are aligned. Between each of the elements, a slot 9 is formed which is in connection with a channel 6B across the channel 6A formed by the openings 8. When fluid with low pressure flows past, fluid will be drawn out from the channels 6A and 6B. When fluid with high pressure flows past, fluid will flow into channels 6A and 6B. This should then result in reduced flow resistance.

US 5386955 beskriver en overflate med fremspring i form av generelt trekantede ribber. Det er utformet enkelte relativt store ribber og et større antall mindre ribber mellom disse. I en utførelsesform er det anordnet trekantede ribber med økende tverrsnitt i strømningsretningen. US 5386955 describes a surface with projections in the form of generally triangular ribs. Individual relatively large ribs and a larger number of smaller ribs between these are designed. In one embodiment, triangular ribs are arranged with an increasing cross-section in the direction of flow.

US 5476056 beskriver ulike utforminger på overflaten av et skipsskrog. I noen utførelsesformer er disse bølgeformede fremspring. I andre utførelsesformer er disse mer irregulære fremspring. Luft tilføres overflaten for å danne en luftfilm. US 5476056 describes various designs on the surface of a ship's hull. In some embodiments, these are wavy projections. In other embodiments, these are more irregular projections. Air is supplied to the surface to form an air film.

Selv om noen av de kjente overflateutformingene gir en viss effekt med hensyn på reduksjon av strømningsmotstanden, er de likevel beheftet med en rekke ulemper. Anordningene ifølge US 3184185 og US 3451645 er avhengig av at det finnes er hulrom innenfor overflaten, som luft kan strømme ut fra. US 5386955 beskriver anordning av svært små generelt trekantede ribber med en høyde på i størrelsesorden 70 um, som i noen utførelsesformer er anordnet på tvers av sfrørnningsretningen og i andre utførelsesformer på langs. Selv om det skapes noe turbulens ved disse ribbene blir denne turbulensen av begrenset effekt p.g.a. ribbenes størrelse. Disse ribbene egner seg utelukkende ved svært høye hastigheter, rundt Mach 0,5. Ved lavere hastigheter, slik som man finner ved skip og hurtiggående båter, vil disse ribbene ha liten eller ingen effekt. Dessuten vil ribbene fullstendig dekkes av bunnstoff som påføres skroget og redusere effekten til null. Even if some of the known surface designs provide a certain effect with regard to reducing the flow resistance, they are nevertheless burdened with a number of disadvantages. The devices according to US 3184185 and US 3451645 are dependent on there being cavities within the surface, from which air can flow out. US 5386955 describes the arrangement of very small generally triangular ribs with a height of the order of 70 µm, which in some embodiments are arranged across the direction of flow and in other embodiments longitudinally. Although some turbulence is created at these ribs, this turbulence is of limited effect due to the size of the ribs. These ribs are only suitable at very high speeds, around Mach 0.5. At lower speeds, such as are found on ships and fast boats, these ribs will have little or no effect. In addition, the ribs will be completely covered by bottom material applied to the hull and reduce the effect to zero.

US 5476056 foreskriver at det tilføres luft til skrogoverflaten. Dette krever installasjon av kostbart pumpeutstyr og energi for å drive dette. US 5476056 prescribes that air is supplied to the hull surface. This requires the installation of expensive pumping equipment and energy to run it.

US 4753401 er antageligvis den beste utformingen av de ovennevnte, men er langt fra optimal og er dessuten svært komplisert å fremstille. US 4753401 is probably the best design of the above, but is far from optimal and is also very complicated to manufacture.

Den foreliggende oppfinnelse tar sikte på å overvinne de ovennevnte ulemper og dessuten å optimalisere effekten, både med hensyn på virkningsgrad, økonomi, produserbarhet og vedlikehold. Det tas også sikte på å tilveiebringe overflateutforminger som egner seg for bruk ved lave og moderate hastigheter, slik som man finner ved skip, hurtiggående båter, vannkraftrør, men også ved passasjerfly i moderate hastigheter. Dette oppnås ved de trekk som ifølge den foreliggende oppfinnelse er angitt i den kjennetegnende del av krav 1. The present invention aims to overcome the above-mentioned disadvantages and also to optimize the effect, both with regard to efficiency, economy, manufacturability and maintenance. The aim is also to provide surface designs that are suitable for use at low and moderate speeds, such as are found on ships, fast boats, hydropower tubes, but also on passenger aircraft at moderate speeds. This is achieved by the features which, according to the present invention, are stated in the characterizing part of claim 1.

Fordelaktige utførelsesformer er angitt i de uselvstendige krav. Advantageous embodiments are indicated in the independent claims.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere under henvisning til de vedlagte figurer, der: figur 1 viser et utsnitt av overflateutformingene ifølge den foreliggende oppfinnelse, sett i perspektiv og The invention will now be described in more detail with reference to the attached figures, where: figure 1 shows a section of the surface designs according to the present invention, seen in perspective and

figur 2 viser overflateutformingene sett fra siden. figure 2 shows the surface designs seen from the side.

I figurene 1 og 2 er det vist et utsnitt, h.h.v. i perspektiv og sett fra siden, av en sammenstilling av overflateutforminger som er innrettet til å plasseres for eksempel under vannlinjen på et skipsskrog. Overflateutformingene består av et antall lister 1,2, 3, som i sin tur består av en fotplate 4, hvorpå det er anordnet en rekke av fremspring 5. Fremspringene 5 består av et steg 6 og et hode 7. Steget 6 har liten utstrekning i bredden, d.v.s. i fotplatens 4 lengderetning, men har en større utstrekning i dybden, d.v.s. i fotplatens 4 bredderetning. Stegene 6 strekker seg generelt på skrå i dybderetningen. Figures 1 and 2 show a section, respectively in perspective and seen from the side, of an assembly of surface designs designed to be placed, for example, below the waterline of a ship's hull. The surface designs consist of a number of strips 1,2, 3, which in turn consist of a foot plate 4, on which a series of projections 5 are arranged. The projections 5 consist of a step 6 and a head 7. The step 6 has a small extent in the width, i.e. in the longitudinal direction of the foot plate 4, but has a greater extent in depth, i.e. in the footplate's 4 width direction. The steps 6 generally extend obliquely in the depth direction.

Fremspringenes 5 hode 7 har et første parti 7a som strekker seg generelt i fortsettelsen av steget 6, og et andre parti 7b, som strekker seg generelt på skrå mot fotplaten 4, slik at det dannes en vinkel mellom det første partiet 7a og det andre partiet 7b. Hodet 7 har en betydelig utstrekning i bredden, d.v.s. i fotplatens 4 lengderetning. Mellom hvert av hodene 7 dannes det en forholdsvis liten spalte 8. Spalten 8 utvider seg mot fotplaten 4 til en åpning 9 mellom hosliggende steg 6. The head 7 of the protrusions 5 has a first part 7a which extends generally in the continuation of the step 6, and a second part 7b, which generally extends obliquely towards the foot plate 4, so that an angle is formed between the first part 7a and the second part 7b. The head 7 has a considerable extent in width, i.e. in the footplate's 4 longitudinal direction. A relatively small gap 8 is formed between each of the heads 7. The gap 8 widens towards the foot plate 4 to an opening 9 between adjacent steps 6.

Listene 1, 2, 3 anordnes slik at fremspringene 5 forskyves i forhold til hverandre i hosliggende lister 1, 2, 3, slik at et hodeparti står rett overfor en spalte 8 i den hosliggende listen. The strips 1, 2, 3 are arranged so that the protrusions 5 are displaced in relation to each other in adjacent strips 1, 2, 3, so that a head portion is directly opposite a slot 8 in the adjacent strip.

Listene anordnes på skipsskrogets overflate slik at forbistrømmende vann strømmer i retning pilen A. Vann vil da både strømme på oversiden av hodene 7 og på undersiden av disse gjennom åpningene 9. Siden stegene 6 har liten utstrekning i bredden vil vannet som strømmer gjennom åpningene 9 strømme forholdsvis uhindret. Derved vil det strømme omtrent like mye vann på oversiden som på undersiden av hodene 7. Stegene 6 bør har så lite areale i strømningsretningen som mulig, men samtidig må disse være tilstrekkelig sterke til å opprettholde konstruksjonens integritet. Forholdet mellom arealet av stegene 6 og åpningene 9 i strømningsretningen bør derfor fortrinnsvis ligge innenfor området 1/10 til 1/100. The strips are arranged on the surface of the ship's hull so that passing water flows in the direction of arrow A. Water will then both flow on the upper side of the heads 7 and on the underside of these through the openings 9. Since the steps 6 have a small extent in width, the water that flows through the openings 9 will flow relatively unhindered. Thereby, approximately the same amount of water will flow on the upper side as on the lower side of the heads 7. The steps 6 should have as little area in the direction of flow as possible, but at the same time they must be sufficiently strong to maintain the integrity of the construction. The ratio between the area of the steps 6 and the openings 9 in the flow direction should therefore preferably lie within the range 1/10 to 1/100.

Vannet som strømmer på undersiden av hodene 7 vil treffe det andre partiet 7b på undersiden av dette og det skapes en liten turbulens ved enden av partiet 7a, som antydet ved pilen B. Vannet som strømmer på oversiden av hodet 7 vil gis en liten turbulens idet det passerer det høyeste punktet i overgangen mellom det første partiet 7a og det andre partiet 7b, som antydet ved pilen C. Når disse to turbulensene B og C treffer hverandre skapes en ytterligere komplisert turbulens, som antydet ved pilen D. The water flowing on the underside of the heads 7 will hit the other part 7b on the underside of this and a small turbulence is created at the end of the part 7a, as indicated by the arrow B. The water flowing on the upper side of the head 7 will be given a small turbulence as it passes the highest point in the transition between the first part 7a and the second part 7b, as indicated by arrow C. When these two turbulences B and C hit each other, a further complicated turbulence is created, as indicated by arrow D.

I tillegg strømmer det en liten mengde vann gjennom spalten 8. Dette vannet settes også i turbulens. Dessuten har hodene en liten avfasing eller avrunding 10a og 10b på hver side, som bidrar til å øke turbulensen rundt spaltene 8. In addition, a small amount of water flows through the slot 8. This water is also put into turbulence. In addition, the heads have a small chamfer or rounding 10a and 10b on each side, which helps to increase the turbulence around the slits 8.

Listene 1, 2, 3 med foten 4 og fremspringene 5 kan fremstilles enkelt ved ekstrudering. Flere typer materialer egner seg for ekstrudering, bl.a. aluminium, magnesium og andre lettmetaller og ulike typer plaster. Enkelte stållegeringer kan også ekstruderes. Etter ekstruderingen kan hver av åpningene 9 og spaltene 8 freses ut i én operasjon; samtidig kan også avfasingene 10a og 10b freses. The strips 1, 2, 3 with the foot 4 and the projections 5 can be produced simply by extrusion. Several types of materials are suitable for extrusion, e.g. aluminium, magnesium and other light metals and various types of plastic. Certain steel alloys can also be extruded. After the extrusion, each of the openings 9 and the slits 8 can be milled out in one operation; at the same time, the chamfers 10a and 10b can also be milled.

Listene 1, 2, 3 kan limes til de aktuelle partiene på skrogoverflaten. Man kan også feste listene ved hjelp av skruer eller nagler. Dersom listene 1,2, 3 er fremstilt av et sveisbart materiale og skroget er laget av et likeledes sveisbart materiale, foretrekkes det imidlertid å punktsveise listene 1,2, 3 til skroget. The strips 1, 2, 3 can be glued to the relevant parts on the hull surface. The strips can also be attached using screws or rivets. If the strips 1,2,3 are made of a weldable material and the hull is made of a similarly weldable material, it is however preferred to spot weld the strips 1,2,3 to the hull.

En ytterligere fordel ved utformingen av fremspringene ifølge oppfinnelsen, er at den åpne strukturen gir enkel tilgang for rengjøring. Rengjøringen kan for eksempel foretas ved høytrykksspyling. A further advantage of the design of the protrusions according to the invention is that the open structure provides easy access for cleaning. The cleaning can be carried out, for example, by high-pressure washing.

Listene kan på enkel måte fjernes, dersom skipet skal gjennom en reparasjon av skroget på det stedet hvor listene er montert, ved at punktsveisene slipes bort. Nye eller de samme listene kan så sveises på plass igjen etter fullført reparasjon. The strips can be easily removed, if the ship is to undergo a repair of the hull at the place where the strips are mounted, by grinding away the spot welds. New or the same strips can then be welded back in place after the repair has been completed.

Som nevnt innledningsvis kan den foreliggende oppfinnelse kan også brukes på innsiden av rør, både for eksisterende rørgater eller lignende. I for eksempel ventilasjonsrør kan det tapes fast strimler med de beskrevne overflateutformingene. Her kan strimlene være fremstilt i for eksempel plast. I nye rør med væskeføring kan disse ha påmontert tilsvarende overflateutforminger som en ring i innstrømningsenden av røret, slik at man får en turbulensring ved hver rørskjøt. Jo tettere disse ringene står jo høyere vil strømningshastigheten bli. Materialet, for eksempel plasten må være så stiv at den bryter det laminære skiktet. Dersom disse turbulensringene er utført i for mykt materiale vil effekten forsvinne. As mentioned at the outset, the present invention can also be used on the inside of pipes, both for existing pipe streets or the like. In, for example, ventilation pipes, strips with the described surface designs can be taped. Here, the strips can be made of, for example, plastic. In new pipes with liquid flow, these can have similar surface designs fitted as a ring at the inflow end of the pipe, so that a turbulence ring is obtained at each pipe joint. The closer these rings are, the higher the flow rate will be. The material, for example the plastic, must be so stiff that it breaks the laminar layer. If these turbulence rings are made of material that is too soft, the effect will disappear.

Overflateutformingene kan også benyttes på forkanten av flyvinger eller vindmølleblad. The surface designs can also be used on the leading edge of airplane wings or wind turbine blades.

Claims

1. Design on the surface of a body to reduce the movement resistance between the body and a medium in which the body is located or next to, where the design comprises at least one row of generally angular projections (5) comprising a spacing step (6), which is connected to the surface of the body , and a head (7) connected to the step (6), opposite the surface, the head having an underside generally facing the surface and an upper side facing away from the surface, where between adjacent step (6) and between the surface and the head (7 ) are designed openings (9) for the flow of medium, characterized in that the area of the steps (6) in the direction of flow is small compared to the area of the openings (9), to achieve the largest possible flow area, such that the speed of the medium that flows on the underside of the heads (7) becomes approximately as great as the speed of the medium flowing on the upper side of the heads (7).

2. Design according to claim 1, characterized in that the ratio between the area of the steps (6) and the area of the openings (9) is between 1/10 and 1/100.

3. Design according to claim 1 or 2, characterized in that each of the steps (6) has an extent in the direction of flow that is greater than the extent across the direction of flow.

4. Designs according to claim 1, 2 or 3, characterized in that each of the steps has a surface facing upstream which extends obliquely towards the head (7) in relation to the direction of flow.

5. Designs according to claim 4, characterized in that each of the heads (7) comprises a first part (7a), which extends in continuation of the upstream surface of the step (6).

6. Designs according to claim 5, characterized in that each of the heads (7) has a second part (7b) which extends at an angle in relation to the first part (7a).

7. Designs according to claim 6, characterized in that the first (7a) and the second (7b) parts are plate-shaped.

8. Designs according to one of the preceding claims, characterized in that slots (8) are formed between adjacent heads (7), each of which is in connection with one opening (9).

9. Designs according to one of the preceding claims, characterized by adjacent rows that projections (5) are offset in relation to each other, so that an opening (9) in a first row faces a step (6) in a second row.

10. Designs according to one of the preceding claims, characterized in that one row of the projections (5) is arranged on a plate-like foot (4).

11. Designs according to claim 10, characterized in that the projections (5) and the base (4) are produced in one piece by arch extrusion.