UA72817C2 - Method and apparatus for increase of efficiency and economy of use of complex methods of control of boundary layer - Google Patents

Description

Тигршепі Ріре Ріом/ ої а Меміопіап Ріцід", надрукованій в Тпе РПпузіс5 ої Ріцід5, Мої.10, Мо.9, рр.1890-1894,

М.М. Кеїзсптап і МУ. Тіеєдептап, описані в статті "Газег-Юборріеєг Апетотеїег Меазигетепів іп Огад- гедисіпд Спаппе! Ріомув", опублікованій в УЧоигпаї ої Ріцій Меспапіс5.МоІ.70. Рап2, рр.3600-392 у 1975р.; і

М.О. МеСотрз і Г.Н. Кабріє у "Госа! Огад Кедисіїоп Оце о Іпіесіоп ої Роїутег Зоішіопв іпіо Тигршепі Біржу їп а Ріре", Рагіз І апа ІІ, опублікованій в АІСп дошигпаї, МоІ.28, Мо.4, рр.547-565, дшШу 1982, ясно показали, що добавки полімеру можуть знижувати опір, коли вони знаходяться в пристінній області турбулентного пограничного шару, відомій як буферна зона. У в'язких пристінних одиницях, далі позначених у", що є значеннями довжини, обезрозміреної по динамічній швидкості і кінематичній в'язкості, ця область знаходилася на відстані приблизно від 20 до 100 в'язких одиниць від стінки. Було відзначено, що при високому рівні зниження опору буферна зона товщає і простирається до декількох сотень в'язких довжин.

Не було помічено ніякого зниження опору чи зв'язаних з ним ефектів у випадку, коли полімер був обмежений областю, де в'язкі напруження зсуву переважають над напруженням Рейнольдса, тобто до відстані близько 12 в'язких довжин. Загальноприйняте в літературі значення у" дорівнює 11.6. Як показано багатьма, включаючи А.А. Еопіаїіпе, Н.Г. Реїгіє, Т.А. Вгипдагі у статті "Меіосйу Ргойе 5іайвзнсв іп а Тигршепі

Вошипаагу Іауєг мій Бой-Іпіессоей Роїутег", опублікованій в 9. Рішій Меспапіс5, МоІ.238, рр.435-466, 1992, потік через цю область на одиниці розмаху Оег дорівнює величині 67.3, помноженій на кінематичну в'язкість рідини. Для даної рідини при даній температурі ця витрата не залежить від швидкості вільного потоку і відстані від початку пограничного шару.

У той час як чутливість зниження опору до розміщення добавки усередині пограничного шару визнається з 1967 року, елегантна робота М. Рогей і У.Е. Сегтак, опублікована в Іпі Уоигпаї! Неаї «є Маз5

Тгапетег, Мо.7 у 1964 році, переконала більшість дослідників, що дифузія ежектованої рідини була небажаною і швидкою. Тому, як викладено в роботах УЛ. Ноуї, А.О. Рарша, "Ргісйоп Огад Кевзівіапсе іп

Томіпд Тапкв", опублікованій в Ргосеєдіпд5 ої 1017 |Іпдивігіа! Томіпд Тапк Сопіегепсе, Тедаіпдіоп Епдіапа у 1963, Т. КомаївКкі "Те ЕПесі іп Незізіапсе ої Роїутег Адайімез Іпіеєсієй іпіо (Ше Вошпаагу ГІ ауег ої а Еіідасе

Моае!", опублікованій в Тгапзасіп5 ої Ше ЕІемепій Іпіегпайопа! Томіпд Тапке Сопієгепсе ої Зпір Тапк зЗиреїгіпіепаєпі, Токуо, 1966, Н.І. Юоме Н.Ю). Саппат НМ5 Нідприпопореєа Тпаїв мн Роїуох Іпіесйоп іп (пе

Вошипаагу І ауег, опублікованій в АЕММ Керогі Мо.11/69, МУ. Хійапд, ОО. Мопд2цап, Х. Спапозпепод, МУ. Схцідіп "Огад Кедисіїоп ру Роїутег Іпіесіоп Резсгіреай", опублікованій в Зпіррийдіпд ої Спіпе, Мо.66, рр.45-57, дшу 1980, і радянських дослідників, описаних у В.Р. Огопом, В.А. Ваграпе! "Еапу Ехрегіепсе ої ВІ С Тесппідце

Оваде іп Опаепмаїег Зпірриїйаіпд", Ргосеєдіпд5 ої УуагзПпір 99, Мама! Зиртагпе 6, Воуаї Іпзійше ої Мамаї

Агспіїесі5, Гопдаоп, дипе 1999, дослідники використовували широку матрицю похилих щілин чи кругових отворів, щоб ежектувати достатньо речовини для наповнення всього пограничного шару. Унаслідок визнання швидкої дифузії не тільки в пограничному шарі, але навіть поза ним, кількість ежектованого матеріалу могла бути часто в кілька разів більша, ніж розраховано для наповнення всього пограничного шару при його найбільшому протязі. Швидкості ежекції були звичайно одного порядку зі швидкістю вільного потоку, і масова витрата впорснутого потоку часто перевищувала 100Оє.

У статті "Бирргеззей Рійивіоп ої Огад-гедисіпд Роїутег іп а Тигршепі Вошипаагу І ауег", опублікованій в

Щоигпаї ої Нудгопашісв.Мо.6. 9. Ми, і потім О. СоїІйп5 у тезах "А Тигошепі Вошпаагу І ауег м/п Біої Іпіесіоп ої

Огад-гедисіпд Роїутег" у Сеогдіа Іпзійше ої Тесппоіоду у липні 1973 року, уперше доповіли про більш низьку швидкість дифузії для розчину полімеру, ніж було загальновизнано. У 1989 році О.Т. УмаїКег і УМ...

Тіедегттпап підтвердили ці спостереження в статтях "Зітийапеои5 Іазег МеІосітеїег апа Сопзепігайоп

Меазигетепів", опублікованій в дошигпаї ої ІГазег Арріїсайіоп5 1, рр.44-48 у 1989р., і "Тпе Сопсепігайоп Рівїа їп а Тигошепі Спаппеї! Ріо м/п Роїутег Іпіесіоп аг пе Умаї", опублікованій в Ехрегітепіз іп Ріцід5, 8, рр.86-94 у 1989р. На початку 1990-х зростало розуміння, що робота Рогей і Септак, узята як стандарт для поведінки дифузії може бути застосовна тільки для введення "пасивних" домішок у турбулентний потік. Тобто "активні" домішки, такі як водяні розчини полімерів з високою молекулярною вагою, що впливають на характер турбулентності і, таким чином, на процес дифузії, не поводяться подібним чином; дифузія може бути більш поступовою. Це було підтверджено Т.А. Вгипдап, С.Г. Реїпе, М.С. Нагрізоп, С.Г. Мегсіє у їхній роботі "А Ріпогезсепсе Тесппідце ог Меазигетепів ої Біої-іпієсієй Рішіа Сопсепігайоп Ргойіез іп а Тигошепі

Вошипаагу І ауег", опублікованій в Ехрегітепів іп Ріцід5, 11 у 1991. У наступному році 5.Т. Зотгпегі С.Г. Рей опублікували "рійивіоп ої в5іої-іп)есієд агад-гедисіпд роїутег зоїшіоп іп а ГЕВО-тоайей штршепі рошпадагу

Іауег" у Ехрегітепів іп Ріцід5, 12, де вони показали для відносно високошвидкісних потоків, що контроль або модифікація поля зовнішнього потоку біля ежектуючого струменя за допомогою пари пристроїв, що руйнують великі вихори, (ЕВ), далі знижує швидкість дифузії полімеру в пограничному шарі. А.А.

Еопіаїіпе, С.Г. Реїгіє і Т.А.гипдай у статті "Меіосйу Ргойе еїайівііс5 іп а Тигршепі Воипдагу Гауег жмйй 5Іої- іпіестеа Роїутег!", опублікованій в Уоцгпа! ої Рішій Меспапіс5, 238, рр.435-466 у 1992р., показали, що зниження масової витрати ежектованої рідини в два рази і подвоєння концентрації для підтримки постійної швидкості витрати полімеру давали подальше зниження швидкості дифузії.

М.В. АтіоКПпіем, В.А. Ваграпеї, М.Р. Магаема у статті "Тпе Вошпадагу І ауег мййп Зіої Іпіесіоп ої Роїутег зоішіопв5", підготованій для Еигореап Огад Кедисіоп Мееїіпд, 16-17 Магсп, 1997, підкреслювали, що досвід показав, що одна щілина з дуже великою концентрацією працювала набагато краще, ніж якщо таку ж чи більшу кількість добавки було ежектовано через набір щілин уздовж довжини судна. Емпірично обгрунтоване уявлення було підтверджено Тіедегтап, І испік, Водага у роботі "УмМаїІ-І ауег Бігисшге апа Огад

Кедисійоп", опублікованій в Уошгпаї ої Ріцід Меспапісв, 156, рр.419-437 (1985), де вони показали, що ежекція навіть з помірною швидкістю подачі була руйнівною для пограничного шару і викликала збільшення локального опору тертя в місці ежекції, вище і нижче по потоку. МУ.М. Кауз і М.Е. Стгамлога у тексті

Сопумесіме Неаї апа Мав55 Тгапетег, опублікованому МеОгам'-НІЇЇ, Іпс.(1993), їпіга еайіоп, рр.226-230, підкреслюють, що якщо відношення потоку маси другої, або ежектованої, рідини до потоку маси рідини у вільному потоці, або першої, перевищує 0.01, то пограничний шар "буквально зметається з поверхні стінки".

Добре резюме своїх досліджень, а також досліджень інших експериментаторів з інжекцією газу, представили С.Ї. МегкІе і 5. ЮОеці5сп у статті "Огад Кедисійоп іп Гідціїй Воипаагу ауег5 Бу Савз Іпіесійоп".

Стаття включена в текст Мізсои5 Огад Кедисійоп іп Вошпаагу ІГауег5 під ред. О.М. Визппеї! і 9У.М. Неїпег,

МоІ.123, рр.351-410, і опублікована в 1990р.

Заявка 0.5. раїепі арріїсайноп, серійний номер 09х2236783, "Меїщтоа ог Недисіпд Оіввірайоп Наїе ої Ріціа

Е)есдеа іп а Вошипаагу І ауег", подана 31 грудня 1998р., і виданий на неї патент О.5.Раїепі Мо.6,138,704 описують метод введення упорядкованої завихреності в ежектовані знижуючі опір рідини і вище по потоку від них. Керована і сприятлива швидкість використовується для того, щоб затримати ежектовану рідину в пристінній області й орієнтувати молекули чи структури добавки в такій конфігурації, у якій вони найбільш ефективні.

Дискусію й експериментальні результати по забезпеченню позитивного чи сприятливого градієнта в'язкості в пристінній області можна знайти в роботі .-). Каїю, У. Еції, Н. Матадисні, М. Міуапада "Епсіопаї!

Огад ВРедисіоп бу Іпієстєа Нідп-мізсозйу Ріціа іп'о а Тигошепі Воцпаагу Гауег", опублікованій в Тгапзасійоп ої,

Ше АЗМЕ, 115, рр.206-211, Уипе 1993. Зворотний ефект виникнення негативного градієнта в'язкості при інжекції полімеру був зафіксований у зазначеній вище статті С.5. УмеїЇсп і 9.5. Зрападіег (1967) і в статтях 9. муч, М. Тип, таких як "Огад Кедисіоп ру Е)есіїпд Адайіме БоіІшіоп5 іп(о а Риге М/аїег Вошипаагу Гауег", опублікована в Тгапзасіюп ої Ше АБМЕ, Уошгпа! ої Вазіс Едіпеегіпд у 1972р. У згаданій вище статті 1994 року російською мовою Ми.Р. Імапуша і А.А. Кпотуаком представили теоретичний аргумент, що позитивний градієнт в'язкості буде сприяти стабілізації ламінарного потоку. Потім вони представили результати серії експериментів у турбулентному потоці, метою яких було встановити сприятливий градієнт в'язкості, використовуючи спеціальний ежектор. Не були представлені ні геометрія системи ежекції, ні подробиці методу одержання сприятливого градієнта в'язкості, але наведені графіки показують, що зниження буксировочного опору збільшилося приблизно з 5095 до 7095 на дуже довгому (40м), але з малим діаметром (0.Ам) тілі. Вони також повідомляли, що їхні вимірювання локального зниження опору показали постійне поліпшення (більше зниження опору) уздовж довжини буксированого тіла в порівнянні з їх попереднім методом ежекції.

Цілком окремо від використання добавок для керування пограничним шаром існують методики уповільнення чи виключення відриву потоку, що інакше приводить до підвищеного опору. Р.О. Кіпдіер описав потенційні і можливості "Зерагайноп Сопігої ру Тгаррей Мопісев" у тексті Вошпаагу Гауег Сопігої, Мої.1, під ред. С.М. Гасптапп, опублікованому Регдатоп Ргез5 у 1961, а також у "Оізсиввіоп ої Ргобіет Авзосіагей мії егапаїпд Мопісе5 апа Тпеїг арріїсайопв", представленій на АБМЕ Зутрозішт оп Ешіу Зерагаїей Ріомуз іп

Рпуїаде!рніа, РА, 18-20 Мау, 1964. Концепція полягає в тім, щоб забезпечити різку зміну геометрії в області, де траєкторія потоку в іншому випадку є неперервною, але де очікувався б відрив на неперервній поверхні чи стінці. Різка зміна геометрії, така як трансверсальна канавка, може генерувати сильний вихор у канавці.

Тому приєднаний потік над вихром огинає канавку і залишається приєднаним нижче по потоку. Ця методика генерації стійкого захопленого вихру використовується для усунення чи зменшення протяжного сліду відривного потоку. Називані іноді вихрами Ринглеба, вони часто використовуються в дифузорах і на тупих тілах.

Обговорення використання пристінних струменів для керування відривом нестисливого турбулентного потоку можна знайти в Сопігої! ої РІом/ Зерагаїййоп, автор Раці К. Спапод, опублікованій Нетізрпеге Рибіїзпіпа

Согрогайоп у 1976бр. Струмені тієї ж рідини, що й у вільному потоці, використовуються для того, щоб перенести вільний потік в область зворотного градієнта тиску. Концепція полягає у використанні надлишку імпульсу пристінного струменя для компенсації втрати імпульсу в пограничному шарі, викликаної поверхневим тертям. Однак без точного балансу цих двох ефектів користь цього методу може бути зменшена чи навіть дати зворотний результат через зростання напружень зсуву на стінці, викликане струменем. Перемішування підсилюється внаслідок того, що струмінь вносить нестійкість у пограничний шар. А.І. Тсудатптик, СР. Коліом, М.М. МомкК, 5.Ї. Махітом описали метод і пристрій для зменшення нестійкості, внесеної пристінним струменем, у винаході "Тесппідце ог Сопігої! ої їе Меаг-маї! Іауег Ріоміпд

Омега Нага Воду Бу пе Меїпоа ої а Сопігої! Уеї апа а Оємісе г Веаїїгайоп ої піз Тесппідне", опублікованому в ВиПеїіп Ж30, 30 А!Єцдиві, 1990 як Радянське Авторське Свідоцтво 5.0. 1585569 А1. Цей метод і пристрій відрізняються від інших систем пристінних струменів для захоплення пограничного шару, оскільки створює вихрову зону в області, де керуючий струмінь приєднується до вільного потоку. Винахід стверджує, що вихрова зона генерується вихровою камерою, коли вона має вихід у струмінь, рівний приблизно 0.28 довжини камери.

Даний винахід дозволяє робити неруйнівну ежекцію рідин у визначені шари пристінної області пограничного шару в потоці рідини. Як перший об'єкт, даний винахід підготовлює течію вище по потоку для зменшення початкової дифузії добавки, коли вона поглинається потоком у пограничному шарі. Другий об'єкт винаходу - це підготовка ежектованого потоку і добавки усередині ежектованого потоку таким чином, щоб вона негайно ставала ефективною для зниження турбулентної дифузії і втрат імпульсу усередині ежектованої рідини, коли вона входить у пограничний шар. Третій об'єкт винаходу - це придушення небажаного руйнування сталого поля течії. Четвертий об'єкт винаходу - це виключення несприятливого градієнта в'язкості, властивого ежекції високо концентрованої неньютоновської добавки чи газо-рідинної суміші. П'ятий об'єкт винаходу - це можливість вибіркового розміщення різних добавок у шарах пограничного шару; шостий об'єкт винаходу - помістити добавку чи структуру потоку у визначеному місці над пристінним потоком, щоб захистити пристінний потік, і тим самим далі знизити дифузію ежектованих добавок. Сьомий об'єкт винаходу - уможливити розміщення багатьох наборів ежекторів уздовж довжини пластини чи судна для підтримки оптимальної концентрації матеріалу, тим самим поліпшуючи загальну ефективність системи. Система керування пограничним шаром даного винаходу включає перед-ежекційні процеси, процеси ежекції і після-ежекційні процеси. Перед-ежекційні процеси зв'язані з підготовкою течії вище по потоку для зменшення рівня початкової дифузії до того, як добавка починає діяти в повну силу.

Процеси ежекції включають підготовку і напрямлення ежектованої рідини для прискорення дії добавки по зниженню турбулентної дифузії біля ежектора і придушення внесення нестійкості в пограничний шар, як вище, так і нижче по потоку від місця ежекції. Масова витрата ежектованої рідини вибирається на підставі параметрів пристінного потоку сталого пограничного шару так, щоб уникнути небажаного збільшення рівня турбулентності.

Оскільки процес ежекції буде набагато менш руйнівним, ежекцію можна застосовувати одночасно в декількох місцях без негативних ефектів, які спостерігаються при традиційних методиках ежекції добавок.

Далі, індивідуальні ежектори можна розміщувати прилегло один до одного, щоб дозволити ежекцію різних добавок у визначені шари пограничного шару вниз по потоку, тим самим забезпечуючи контроль реологічних характеристик пограничного шару, таких як встановлення і підтримання сприятливого градієнта в'язкості після ежекції. Ежектуючий апарат містить унікальний набір рідинних пристроїв, включаючи трансверсальні виїмки, вихрові камери, поверхні Коанда, внутрішні сопла і гострі кромки.

Даний винахід відрізняється від усіх попередніх ежекторів добавок тим, що істотно знижує завихреність, внесену вгору і вниз по потоку від краю ежектора. Воно підготовлює течію вище по потоку, щоб знизити рівень турбулентності і, тим самим, дифузію біля ежектора. Воно приводить добавку в стан, коли вона є розгорнутою, вирівняною і розтягнутою перед тим, як вона потрапляє в зовнішній потік пограничного шару.

Також, воно створює умови вниз по потоку, утримуючи бульбашки вдалині від стінки і встановлюючи сприятливий градієнт в'язкості на стінці безпосередньо вниз по потоку від ежектора. Жодна система ежекції з прототипів не дозволяє неруйнівне введення добавок у визначені шари пристінної області пограничного шару, як у даному винаході.

Даний винахід стане більш зрозумілим з детального опису, поданого нижче, і супровідних малюнків, що подані винятково з метою ілюстрації і не є обмежуючими для даного винаходу, де:

Фіг.1 - це схема основного ежектуючого елемента системи ежекції.

Фіг2А-2С представляють деякі можливі профілі трансверсальних виїмок, що можуть бути розміщені безпосередньо вниз по потоку від ежектора. Фіг1А показує профіль еліптичної канавки. Фіг.18 показує профіль виїмки, що може наповнюватися добавкою через сопло з поверхнею Коанда в нижньому по потоку донному куті виїмки. Фіг.2С показує профіль виїмки, що може наповнюватися добавкою через сопло на верхній по потоку кромці виїмки.

Фіг.3 - це схематичний поперечний переріз однієї з можливих конфігурацій з потрійним ежектором. У цій конфігурації еліптична виїмка розміщена нагору по потоку від першого ежектора і має сполучення з вихровою камерою першого ежектора. Це дозволяє добавці з вихрової камери наповнювати виїмку і робить непотрібним влаштування подаючого каналу до виїмки. Другий ежектор розміщений для упорскування іншої добавки під рідину з першого ежектора. Нижче по потоку від другого ежектора знаходиться менший ежектор, розмір якого відповідає масовій витраті рідини, що буде впорснуто під шар рідини, ежектованої з двох ежекторів вище по потоку.

Фіг.4 - це система, подібна до фіг.3; але, замість виїмки, маленький ежектор розміщений вище по потоку від першого ежектора.

Даний винахід базується на уявленні, що рівень і ефективність зниження опору, досягнутого за допомогою щілинної ежекції добавок, є сумарним результатом сприятливих і несприятливих ефектів, зв'язаних із процесом ежекції. Цей винахід виключає чи придушує несприятливі ефекти і прискорює ініціювання і подовження сприятливих ефектів, тим самим збільшуючи значення досяжного зниження опору і скорочуючи об'ємну витрату добавки. Негативні ефекти ежекції високих концентрацій розчинів полімеру і сумішей з газовими мікробульбашками - це введення додаткової нестійкості в пограничному шарі в локальній області навколо ежектора, збільшення рівня турбулентності, і розвиток несприятливого градієнта в'язкості в області стінки. Ці ефекти сприяють збільшенню локального опору і більш швидкій дифузії добавки з області пограничного шару, де вона ефективна. Зокрема, винахід обмежує, а не сприяє дифузії добавки з буферної зони пограничного шару.

Щоб зменшити руйнування сталого пограничного шару і швидку дифузію ежектованої добавки, ежектор даного винаходу використовує унікальну комбінацію заснованих на струминній техніці конфігурацій.

Конфігурації включають сопло в основі або "горлі" ежектора з діаметром виходу 14 (позначається надалі як

Ні з метою обчислення всіх інших елементів ежектора), поверхню Коанда в ежектованому потоці нижче за течією, вихрову камеру вище за течією, і дві гострі кромки, одна в місці входу ежектованого потоку у вихрову камеру, і друга в місці виходу потоку в сталий потік у пограничному шарі. Друга гостра кромка може бути замінена поверхнею, що має маленький радіус кривизни, щоб полегшити виготовлення і посилити міцність цього компонента, без втрат в ефективності.

Фіг.1 - це схемне рішення базисного ежектуючого елемента системи ежекції. Воно включає сопло (13), що підготовлює добавку, вихрову камеру (4) на верхній за течією стороні елемента, яка має форму і розмір, визначені двома радіусами (1) і (2), гостру кромку (3), де перетинаються вихрова камера (4) і ежектований потік (5), або гостру кромку, або поверхню, що має радіус кривизни (б) досить великий, щоб діяти як поверхня Коанда в місці, де вихрова камера (4) і зовнішня стінка (7) перетинаються, поверхню Коанда (8) радіуса (9) на нижній по потоку стороні ежектора, яка з'єднується з зовнішньою стінкою (10), і щілина (11), через яку ежектований потік (5) приєднується до сталого потоку в пограничному шарі (12). У випадках, коли є обмеження на геометрію ежектора, поверхня Коанда (8) може мати складений радіус замість фіксованого радіуса. У вході ежектора знаходиться сопло (13) чи інший пристрій, що генерує конвергентний потік, який переходить у ежектований потік (5). Ежектований потік має ширину Пі. Призначення сопла полягає в тому, щоб установити ламінарний потік, що звужується, достатній для того, щоб розмотати, вирівняти і розтягти молекули добавки до такого стану, коли вони ефективні. Потік через ежектор буде ламінарним, оскільки швидкість ежекції повинна складати приблизно десять відсотків від швидкості вільного потоку, і ежектор повинний бути такого розміру, щоб давати масову витрату в 10025. Масова витрата може мінятися приблизно в два рази, більше чи менше, і буде залежати від довжини і властивостей (наприклад, шорсткості і в'язкопружних властивостей) стінки, швидкості вільного потоку, типу і концентрації добавки, і рівня бажаного зниження опору. Діапазон цих параметрів для зазвичай використовуваних добавок приведе до ламінарного потоку через ежектор. Швидкість ежектованого потоку рідини обмежена знизу значенням, достатнім для того, щоб ежектований потік залишався приєднаним до поверхні Коанда (8). Зверху вона обмежена швидкістю пристінного потоку в пограничному шарі, витиснутого ежектованим потоком. Якщо не перевищувати цю швидкість, два потоки можуть з'єднуватися без значного збільшення локального рівня турбулентності. Необхідна масова витрата і швидкість ежекції визначають ширину сопла чи щілини Пі.

Якщо використовувати добре конфігуроване сопло, добавка буде ефективна відразу після об'єднання з пограничним шаром і почне впливати на рівень турбулентності, що є головним механізмом дифузії в турбулентному пограничному шарі. Концентрація добавки, звичайно, найбільша в місці ежекції. Таким чином, зменшення рівня турбулентності в цьому місці є критичним для керування дифузією і максимізації ефективності ежектованої кількості добавки. Як описано в літературі, було показано, що сопло з довжиною порядку десяти міліметрів і кутом між стінками сопла приблизно від 10 до 45 градусів є адекватним для підготовки добавки при середніх витратах через сопло в приблизно один метр за секунду для полімерів типу Роїуох М/У5К-301.

Як описано нижче, поверхня Коанда і вихрова камера працюють як єдиний модуль. Призначення поверхні Коанда полягає в тому, щоб зберегти ежектований потік приєднаним до зовнішньої стінки нижче по потоку. Коли ежектується полімерна добавка, радіус поверхні Коанда (9) повинен бути близько 4пПч1.

Усунення області відриву на нижній по потоку кромці ежектора дозволяє уникнути нестійкості, внесеної таким відривом, і яка властива традиційним моделям щілини.

Компонента швидкості ежектованого потоку, нормальна до пограничного шару, зменшується майже до нуля внаслідок поверхні Коанда і низької масової витрати. Усуваючи "зметення" пограничного шару, можна уникнути збільшення опору тиску і швидкої дифузії ежектованої добавки, зв'язаних з цим явищем.

Призначення вихрової камери, розміщеної на верхній по потоку стороні ежектора, полягає в тому, щоб зменшити чи усунути джерела завихреності, що інакше сприяла б руйнуванню сталого пограничного шару, тим самим збільшуючи локальний опір і підсилюючи швидкість дифузії добавки в пограничному шарі.

Форма камери визначається двома радіусами, (1) і (2). Центром для (1) є кінчик гострої кромки (3), величина (1) дорівнює приблизно 4Пп1. Центр (2) - середина лінії, побудованої від гострої кромки (3) до протилежної стінки камери. Якщо (2) - половина довжини (1), дві криві будуть давати неперервну поверхню.

Хоча таке відношення 2:1 не обов'язково повинно бути точним, відхилення від нього вимагають короткого сегмента стінки, щоб уникнути будь-якого розриву чи точки перегину в профілі камери. Верхня частина камери утворена прямою, що з'єднує гостру кромку (6) з поверхнею, утвореною (1). Як згадано вище, гостра кромка в (6) може бути замінена маленькою вигнутою поверхнею, щоб полегшити виготовлення і збільшити міцність стінки. Якщо кривизна є достатньою для того, щоб зберегти приєднаний потік до місця його з'єднання з вільним потоком, ефективність ежекції не буде знижуватися. Для параметрів, які застосовуються у морській техніці в повному масштабі, радіус цієї кривої повинен бути близько 0.5Пч1, з центром на зовнішній стінці, так що розмір щілини (11) у бік сталого пограничного шару (12) дорівнює близько ЗП.

Присутність внутрішньої вихрової камери на верхній за течією стінці змінює поведінку потоку в порівнянні з потоком у вигнутому каналі й усуває вихори, внесені інакше кривизною стінки вище за течією.

Ні вихри Діна, ні вихри Гертлера не формуються. Рух ежектованого потоку індукує циркуляцію у вихровій камері. При належним чином обраних формі і розмірах камери, усередині її формується стійкий вихор.

Пограничний шар на верхній за течією границі ежектованого потоку не розвивається далі. Замість цього, завихреність, генерована внутрішньою верхньою за течією стінкою камери, дисипується вихром, який знаходиться у камері. Профіль швидкості ежектованого потоку змінюється в порівнянні зі сталим потоком у каналі таким чином, що потік уздовж верхньої за течією кромки внутрішнього потоку сповільнюється менше, ніж без вихрової камери, тим самим забезпечується більш стійкий шар ежектованої рідини, коли вона з'єднується з пристінною областю сталого пограничного шару. Отже, зменшується нестійкість, внесена в пограничний шар на верхній за течією кромці ежектованого потоку.

При відсутності вихрової камери кривизна, необхідна для формування поверхні Коанда, могла б приводити до генерації вихрів типу вихрів Гертлера (над увігнутою стінкою) чи вихрів Дина (у вигнутому каналі). Отже, вплив поверхні Коанда на процес ежекції поліпшується, оскільки завихреність на верхній за течією кромці внутрішнього каналу розсіюється вихровою камерою. Також, підготовка добавки потоком через сопло, що звужується, ініціює знижуючу опір дію добавки. Зокрема, ця дія включає розсіювання дрібномасштабної завихреності. Ці окремі механізми працюють разом, поліпшуючи поведінку ежектованого потоку, коли він з'єднується зі сталим пограничним шаром.

Комбінування поліпшеної поведінки ежектованого потоку з підготовкою добавок під час процесу ежекції приводить до більш швидкого придушення турбулентності і, отже, зменшення дифузії концентрованої добавки. У даному винаході, дифузія концентрованої добавки далі зменшується попередньою обробкою потоку безпосередньо вище за течією від головного ежектора. Кілька методів можуть бути використані. Для нестійких чи складних турбулентних потоків в пограничному шарі представлений винахід включає окремий, витратний, ежектор добавок, який конфігуровано так, щоб викидати низько концентровану добавку, і розміщений безпосередньо вище за течією від головного ежектора. Концентрація може бути порядку 10 частин на мільйон по вазі 18 (мррт), тому що задача не в тому, щоб одержати ефект далеко вниз по потоку, а тільки безпосередньо вище по потоку й у тім місці, де концентрація речовини з головного ежектора найбільша (тобто, де втрати через дифузію найбільші). Таким чином, за рахунок (тобто, витрачаючи) невеликої кількості добавки набагато більша кількість добавки з головного ежектора залишиться в пристінній області.

Для відносно стійких потоків, вище за течією від головного ежектора встановлюються більш прості ежектори, конфігуровані як поперечні поглиблення, із розмірами, придатними для створення стійкого захопленого вихру чи системи овихрів. Система стійких захоплених вихрів буде дисипувати дрібномасштабну завихреність, генеровану стінкою, і переривати розвиток пограничного шару вище за течією. У літературі опубліковані профілі поглиблення, що формують стійкі захоплені вихори, зокрема для керування відривом за тілом. На додаток до правильно профільованих поглиблень, даний винахід пропонує маленькі кількості добавок, щоб додатково сприяти стабілізації захопленого вихра.

Три типи конфігурації поглиблення вище за течією дані на Ффіг.2. Фіг2А - це схема поперечного поглиблення з перерізом еліптичної форми з головною віссю (15), малою половинною віссю (16), і глибиною (17), відносно зовнішньої стінки. Ця форма, якщо правильно побудована (15 » 17), може бути більш прийнятна при низьких рівнях нестійкості в пограничному шарі, ніж прямокутна форма. Фіг.2В - це схема перерізу прямокутного поглиблення ширини (18) і глибини (17) (де 17 - 18), яке може бути наповнено добавкою через сопло (19) з поверхнею Коанда (20) у донному нижньому по потоку куті поглиблення. Для цієї конфігурації введення маленьких кількостей добавки збільшить стійкість захопленого вихру. фіг.2С - це схема перерізу подібного прямокутного поглиблення, яке може бути наповнено добавкою через сопло (21)

на верхній за течією кромці поглиблення. Для такої конфігурації додаткова витрата добавки буде не набагато більше, ніж для конфігурації на фіг.28, але добавка придушить дрібномасштабну завихреність у пристінній області, а також стабілізує захоплений вихор. В усіх випадках зовнішній потік (12) спрямований зліва направо.

На додаток до цих методів, можливо також підготовлювати потік вище за течією, використовуючи інші методи зменшення опору безпосередньо вище за течією від головного ежектора. Ці методи включають, але не обмежуються, ріблети, що знижують опір покриття різних типів, і відсмоктування пограничного шару. Як описано в літературі, кожний має переваги в залежності від характеристик вище за течією.

Тому що ежектор дійсного винаходу є набагато менш руйнівним, ніж попередні проекти ежектора, стає можливим стратифікувати різні добавки, використовуючи тандемні ежектори. Ежекція рідин з різною в'язкістю через множинні ежектори дозволяє одержувати сприятливий градієнт в'язкості в пристінній області, у такий спосіб підвищуючи ефективність системи. Наприклад, ежекція рідини з подібного, але меншого ежектора, розміщеного безпосередньо нижче за течією від головного ежектора, і з такими розмірами, щоб значення Ое приблизно дорівнювало одиниці, буде відтискувати добавку з ежектора вище по потоку від стінки в область, де вона ефективна для зниження рівня турбулентності. У випадку використання газових мікробульбашок, це також знижує здатність бульбашок діяти на стінку як елементи шорсткості під час ежекції. | для газів, Ї для концентрованих розчинів полімеру, це може забезпечувати сприятливий градієнт в'язкості на стінці замість несприятливого. Ежектована рідина може бути чистим розчинником, наприклад, водою, чи розведеним розчином добавки, в'язкість якого така ж або менша (як для нагрітої води), ніж у навколишнього розчинника. Якщо використовується тільки вода, або ніякої добавки не використовується в ежекторі вниз по потоку, вимоги до сопла можуть бути ослаблені. Тому що витрата через ежектор нижче по потоку зменшується до приблизно одного ОО, швидкість ежекції повинна дорівнювати приблизно п'ятьом відсоткам від швидкості вільного потоку. Це приблизно половина швидкості ежекції більшого ежектора вище за течією. Щоб пристосуватися до більш низької швидкості ежекції, відношення діаметра поверхні Коанда до ширини щілини повинне збільшитися в порівнянні з таким для ежектора вище за течією до значення від 6 до 8 ширин щілини (26), для того, щоб усунути локальний відрив на цій поверхні. Розмір щілини (11) повинен залишитися приблизно в З рази більшим щілини (26); отже, сегмент між вигнутою стінкою камери і кромкою (6) має бути розширений у порівнянні з ежектором вище за течією.

Фіг.3 - це схема поперечного переріза однієї з конфігурацій потрійної системи ежектора. У цій конфігурації еліптичне поперечне поглиблення (22) розміщено вище по потоку від першого головного ежектора (23). Добавка може подаватися в еліптичне поглиблення тим же способом, що зображений на

Фіг2В чи Фіг.2С. У залежності від характеру течії вище по потоку, можуть бути розміщені додаткові поглиблення (25), щоб придушити рівень турбулентності біля першого головного ежектора. Або, як показано на Фіг.4, замість поглиблень можна помістити маленький витратний ежектор 29, такого розміру, щоб давати від 5 до 1002. добавки при концентрації порядку 10 жмррт для придушення рівня турбулентності на першому головному ежекторі. Або, витратний ежектор може бути поглибленням (25), як показано на

Фіг.3, що має п'ятий рідинний вхід через сопло (21) у верхньому краї поглиблення вище по потоку, подібно розташуванню, показаному на Фіг.2С. Жертвуючи цією маленькою кількістю добавки, ми зменшимо рівень турбулентності і, таким чином, дифузію на першому головному ежекторі.

Рідина її з першого головного ежектора може бути сумішшю газових мікробульбашок, що, відповідно до літератури (див. Мегкіе і Оецізсп, наприклад), може бути ефективною в межах 300 в'язких довжин, тобто далі від стінки, ніж більшість полімерів. Оецізсп також повідомляє, що шар мікробульбашок, очевидно, екранує пристінний шар від великих структур у зовнішніх областях пограничного шару. Таким чином, множинні тандемні ежектори (23) і (4) можуть використовуватися, щоб розмістити мікробульбашки різних масштабів і полімери з різною молекулярною вагою і конфігурацією в тому шарі, де вони ефективні. Нижче за течією від головних ежекторів (23 і 4) знаходиться менший ежектор (26), що має ширину щілини Пі (27), розраховану для масової витрати рідини їз, ежектованої з цього ежектора. Якщо з цього ежектора передбачається упорскувати тільки розчинник, наприклад, з метою установлення сприятливого градієнта в'язкості, вимоги до сопла, або подібного пристрою для одержання ламінарного потоку, що звужується, можуть бути ослаблені. Більш того, щоб одержати мікробульбашки потрібного розміру часто використовуються сопла різних конфігурацій; отже, ймовірно будуть потрібні особливі проекти сопла для ежекції мікробульбашок, також як і для попередньої підготовки полімеру до ежекції.

Таким чином, на додаток до зміни реологічних характеристик пристінної рідини, кілька ежекторів можуть використовуватися, щоб стратифікувати добавки, про які відомо, що вони є ефективними у визначених шарах пограничного шару. Наприклад, деякі добавки, типу мікробульбашок визначеного масштабу, вважаються ефективними далі від стінки, ніж полімери. На Фіг.3 набір трьох тандемних ежекторів, кожний розрахований на потрібну масову витрату, міг би забезпечувати триярусний шар, що складається з води (низька в'язкість) Їз під концентрованим розчином полімеру ї2, над яким ежектуються мікробульбашки іх.

Точно так само кілька шарів відповідним чином масштабованих бульбашок, чи кілька шарів різних типів полімерів можуть бути ежектовані з тандемних ежекторів. Над цими рідинами тече добавка з поглиблення вище за течією, або "витратної щілини", ї5, і рідина вільного потоку й.

У минулому суднобудівники прийшли до висновку, що високі концентрації і великі витрати добавки з одиночного ежектора є більш ефективними, ніж така ж кількість добавки, ежектована з декількох ежекторів, розподілених по довжині корпуса. Збільшення локального опору тертя, викликане традиційними ежекторами, і здування пограничного шару, що веде до збільшення опору тиску, були типові для цього явища. Крім цих ефектів, даний винахід уможливлює використання наборів ежекторів у множинних позиціях уздовж транспортного засобу чи рушія, і в такий спосіб оптимізує розподіл добавки як функцію форми і довжини стінки (транспортного засобу). Таким чином, дуже довгі стінки можуть оброблятися без значної втрати в ефективності.

Ежектори також можуть бути конфігуровані так, щоб підсилити пристінний поток для запобігання відриву при зміні кута атаки вільного потоку, тому що ежектор може адаптуватися до локальних змін в умовах потоку. Процеси після ежекції включають створення таких умов на стінці, щоб зменшити дифузію добавки нижче за течією від ежектора, обробку зовнішнього потоку для зменшення дифузії добавки й уздовж стінки, і навколо будь-яких виступів, Її нижче по потоку від місця ежекції або різних добавок, або різної концентрації добавки, щоб одержати більш раціональну витрату добавки. ди шннннннтн, як Ю

НК шин: 4 пу й І не --й ше / ше КІ

Фіг.

; шк! тоне р ев п ші : ше:

Р

" чи й . ВЕУ сірка нн шу й пли у о

Я рі | ша | А ! Х / « , Кк

Фіг.3 й Ршший шо я п я дей пи г / | ше

Шк щі -К | зе | з й ! / лих о Фіга