Способ управления турбулентным пограничным слоем

ряжение на твердой поверхности (стенке) уменьшается почти вдвое по сравнению с течением вдоль той же стенки чистой воды.Сферические образования макромолекул полимера (полимерные вихри)взаимодействуют с жидкостью и турбулентными вихрями турбулентного пограничного слоя так, что скорости де.формации и вращения полимерных вихрей отличаются от соответствующихскоростей потока, вследствие чеготечение жидкости затрудняется, ламинарный подслой утолщается, а касательное напряжение на стенке уменьшается.При взаимодействии с турбулентными вихрями, например, путем проникновения в них,полимерные вихри поглощают часть кинетической энергиитурбулентных вихрей, а затем выделяют ее в виде упругих сдвиговых волн,которые быстро разрушаются в потокежидкости.В силу этого полимерные вихри препятствуют образованию турбулентныхвихрей, движущихся вдоль потока иимеющих примерно одинаковые среднеквадратичные размеры с полимернымивихрями, что также уменьшает турбулентную энергию потока.Гидродинамическое воздействие высокомолекулярных полимерных добавок(полимера) на турбулентный пограничный слой зависит от их молекулярного веса, технологии производства,линейности макромолекул, весовойконцентрации в жидкости, временипребывания в жидкости и от целогоряда других факторов,Недостатком способа управлениятурбулентным пограничным слоем является то, что возрастание весовойконцентрации полимера в жидкости выше определенной пороговой приводитк уменьшению эффективности влиянияполимера на турбулентный пограничный слой и даже может вызвать обратный эффект.Кроме того, с увеличением времени пребывания полимера в турбулентной жидкости касательное напряжениена стенке также увеличивается. Этопроисходит потому, что в жидкостиначинают постепенно разрушаться(укорачиваться) макромолекулы полинера, вследствие чего разваливаютсясферические образования макромолекул (полимерные вихри). 4При относительно большом отрицательном градиенте давления в потоке эффект вообще не наблюдается, что не позволяет использовать известный способ в конфузорах, межлопаточных каналах турбин и насосов и т.п. устройствах с отрицательным градиентом давления в потоке, а также во всех технических устройствах (или на отдельных их участках), в которых ЙК, так как кроме всего, эффектвлияния полимера на турбулентный пограничный слой начинается не с критического числа Рейнольдса В (Йр соР кР 15 ответствует переходу ламинарного пограничного слоя в турбулентный), а скакого-то другого порогового числа,Й , которое больше БКК недостатку способа можно отнести также то, что его используют только в жидких средах (воде, бензоле,керасине, нефти и т,д,), использова"ние же в газообразных средах (воздухе, гелии и т.д.) невозможно.Цель изобретения - повышение эффективности управления турбулентнымпограничным слоем при введении внего присадки, выполненной в виде высокомолекулярных полимерных добавокили твердых частиц.Указанная цель достигается тем,что высокомолекулярные полимерныедобавки или твердые частицы снабжают ферромагнитными частицами (изготовленными, например, из железа,никеля, кобальта, гадолиния, диспро"зия или их сплавов и окислов, а так"же их некоторых сплавов марганца и 40хрома, причем могут использоватьсявещества как сохраняющие, так и несохраняющие приобретенную под действием внешнего магнитного поля намагниченность), например, игольчатойформы (расположенными, например,вдоль макромолекул полимера на некотором расстоянии друг от друга), накоторые воздействуют магнитным полем,В результате такого воздействияферромагнитные частицы приводятся вдополнительно механическое движение,вследствие которого полимерные вихри или твердые частицы, содержащиеферромагнитные частицы, (ферромагнитные полимерные вихри),в зависимостиот направления, величины и,временидействия магнитного поля (например,постоянного, переменного,циклическо-,го, локально-вращающегося, скрещен09384 20 5 9 ногобегущего и т.п,) приобретут ско рости деформации и вращения, необходимые для заданного изменения динамических характеристик турбулентного пограничного слоя (равные или отличающиеся по величине и направлению от соответствующих скоростей потока) .Например, для более эффективного уменьшения касательного напряжения ". на стенке при наличии в турбулентном пограничном слое ферромагнитных полимерных вихрей силовые линии постоянного магнитного поля необходимо направить вдоль линии тока жидкости. В этом случае в ламинарном поцслое скорость вращения ферромагнитных вихрей будет более отличаться от локальной усредненной скорости вращения потока по сравнению с отличи" ем от указанной скорости вращения полимерных вихрей, не содержащих ферромагнитных частиц.Ф530 5 булентного пограничного слоя (напри" мер, касательное напряжение на стенке),так и характеристики (например, величинуи направление) магнитного поля, воздействующего на ферромагнитные частицы.Затем (или одновременно) вводят полученную информацию для обработки в электронно-вычислительную машину (ЭВИ), предназначенную для обработки экспериментальных данных, осуществляющую связь с устройством, создающим магнитное поле. При этом характеристики (например, величина и направление) магнитного поля меняются ищутся) до тех пор, пока не будет достигнуто необходимое измене-. ние динамических характеристик турбулентного пограничного слоя, напри" мер, снижение касательного напряжения на стенке до минимального значе"ния,На фиг. 1 изображена структураПри таком же наложении магнитного, поля при пороговой (для известного способа) концентрации полимера за счет уменьшения экранировки друг друга ферромагнитных полимерных вихрей (ферромагнитные полимерные вихри дополнительно вытягиваются по потоку) будет достигнуто меньшее касательное напряжение на стенке, чем в известном способе.Поскольку эффект изменения динамических характеристик в турбулентном пограничном слое при введении в него ферромагнитных полимерных доба" вок зависит от большого числа корре" лирующих между собой факторов (например, от типа полимера, технологии его изготовления, граничных условий течений, свойств Ферромагнитных час тиц и т.д.), то необходимые углы .между линиями магнитного поля и ли" ниями тока жидкости в зависимости от решаемой задачи например, для уменьшения касательного напряжения ,на стенке) теоретически можно определить только весьма приближенно.Поэтому на участке технического устройства (например, на отрезке трубы), в котором осуществляют управление турбулентным пограничным слоем путем введения в него высоко" молекулярных полимерных добавок, снабженных ферромагнитными частицами, измеряют как подлежащие измене" нию динамические характеристики тур"устройства для реализации. способа;25 на фиг, 2 - возможная структура по 30 35 40 45 50 55 лимерной нити; на фиг. 3 а, б, в -возможные варианты структуры твердых частиц; на фиг. 4 - структура твердой, частицы, имеющей гантелеобразную Форму; на фиг, 5 - структура твердой частицы, снабженная упругими нитями. Поверхность 1 исследуемого Устройства (не показано) обтекается пото. ком рабочей жидкости, турбулентный пограничный слой 2 которого включает ламинарный подслой 3,Устройство содержит датчик 4 и устройство 5 для измерения характеристик турбулентного пограничного слоя (например для измерения касательного напряжения на стенке), датчик 6 и устройство 7 для измерения характеристик магнитного поля (например, величины и направления , устройство 8для создания магнитного поля в турбулентном пограничном слое 2 во всем рабочем участке длиной 1 или на отдельных (любых) его частях, управляющую ЭВМ, устройство 1 О для ввода ферромагнитных полимерных добавок.Вводимая в поток нить 11, например из полистирола, содержит ферромагнитные частицы 12 игольчатой формы.Расстояние д между соседними ферромагнитными частицами 12 в нити 1184 8причем внутри себя пачки начинаютсодержать жидкость - пачка превращается в сферическое образование полимераЕсли затем ввести эти образования (вместе с жидкостью) в турбулентный пограничный слой, то образованияиз-за сдвигового течения начнут вра".щаться, в жидкости появятся Ферромагнитные полимерные вихри,Этому моменту (от 1 ч до 3 ч"растворения" полиокса в воде) какраз и соответствует максимальный эффект уменьшения касательного напряжения на стенке, т,е. максимальнаяэффективность воздействия высокома"лекулярных полимерных добавок на поток.Затем макромолекулы постепенноразрушаются, а их сферические образования разваливаются.Устройство работает следующим образом.Для получения в турбулентном пог"раничном слое на рабочем участкедлиной 1 необходимых характеристиктурбулентного пограничного слоя управляющая ЭВИ"9 запускает в работуустройство 5 для измерения характеристик турбулентного пограничногослоя 2, запоминает полученную информацию и запускает в работу устройст"во 10 для ввода ферромагнитных полимерных добавок, устройство 8 длясоздания магнитного поля и устройст"во 7 для измерения характеристик маг.нитного поля,Изменяя характеристики магнитногополя путем воздействия на устройство8, управляющая ЭВМзапоминает и,сравнивает по заложенной в нее прог"рамме, информацию, полученную от уст.ройств 5 и 7, и в результате такогосравнения снова целенаправленно изменяет характеристики магнитного полядо тех пор, пока турбулентный пограничный слой 2 на рабочем участкедлиной 1 не будет обладать необходимыми характеристиками. 7 9093 выбирается таким, чтобы нить с одной стороны оставалась упругой (требует- ся относительно большая величина Ь), а с другой стороны, чтобы она легко приводилась в механическое движе- З ние относительно слабым магнитным полем (требуется относительно малая величина Ь ) . В зависимости от ре" шаемой практической задачи выбирается какой-то оптимальный размер Д . 10Вводимая в поток твердая частица13 может иметь сФерическую форму(Фиг, 3), гантелеобразную форму (фиг, 4) и может быть снабжена упругими нитями 14 (фиг, 5), 15Твердая частица 13 содержит ферромагнитные частицы 15, которые могут быть выполнены игольчатой формы и расположены вдоль радиусов сферы или параллельно друг другу. Твердые час гнцц 13 могут иметь гантелеобразную Форму или могут быть снабжены упругисли нитяли 14 например, из того же иатериала, что и сама твердая частица, 25Управляющая ЗВИможет также с учетом решаемой задачи изменять расход ферромагнитных полимерных добавок через устройство 10 для их ввода. 30Иагнигное поле можно создавать таким, чтобы ферромагнитные полимерные вихри находились только в определенной части турбулентного пограничного слоя, например, в ламинарном подслое (введение, вспрыск жидкости с ферромагнитными полимерными добавками, например,. через щель в ламинарный подслой и удержание их в нем). За счет этого увеличивается эФфективность управления турбулент 40 ныл ггограничньил слоем и существенно сокращается расход полимера, что осо. бенно важно в случае внешнего обтекания жидкостью тел, например судов.Вводить в полимер, например, в полиокс, Ферромагнитные частицы нужно при его получении (синтезе) .Полимер синтезируют в виде структурных пачек, которые содержат спрессованные макромолекулы полимера и Ферромагнитные частицы.По мере нахождения в жидкости (ю 1 ч "растворения" полимера) полимер распадается на пачки, которые обладают стабильностью. С течением вре- И мани (примерно от одного до трех часов)макромолекулы в пачках разбухаюг. Размер пачек увеличивается,Если ферромагнитные частицы имеют игольчатую форму, их длина должна быть .меньше или порядка минимально" го размера сухой пачки полимера.Количество ферромагнитных частиц в пачке определяется размером используемых частиц и условием плавучести (например нулевой) макромолекул, содержащих ферромагнитные частицы.384 10постоянное магнитное поле, во втором - локально-вращающееся.При наличии локально-вращающихсяполей в потоке удобно использоватьферромагнитные частицы гантелеобразной Формы поскольку тогда требуется .относительно меньшее по величинемагнитное поле для их вращения, особенно если Феооомагнитные частицыобладают остаточной намагниченностью.Магнитные поля, воздействующие:на частицы, снабженные ферромагнит"ными ча-.тицами, можно создать такими,что они будут удерживать указанныечастицы в определенных местах тур"булентного пограничного слоя газообразной среды, (например в гелии).Структура твердой частицы (на фиг,5)особенно эфективна для отбора кине,тической энергии от турбулентных вих,рей, имеющих примерно равный ей среднеквадратический размер.В турбулентном пограничном слоебезразмерная толщина высота) пограничного слояУ 49 = д БАЮ ргде д " толщина пограничного слоя;9 - кинематический коэффициентвязкости 9 909Ферромагнитные частицы должны бытьдостаточно малы, чтобы как существенно не уменьшить упругость макромолекул полимера, так и не увеличитьдисперсность жидкости. 5Если ферромагнитными частицамиснабжать твердые частицы, вводимыев поток, то за счет воздействия наних магнитного поля можно получитьпрактически любое их механическое 1 Вдвижение в потоке жидкости,Например, при наличии в потокераспределенных с заданной частотойлокально"вращающихся магнитных полейтвердая частица, снабженная ферроиагнитными частицами, при движениипо потоку попадает в такое вращающееся магнитное поле, начинает вращаться с заданной скоростью, затеиснова перемещается по потоку и т.д., 26изменяя заданным образом турбулентную энергию потока. Указанные вращающиеся магнитные поля можно создавать не только локально-распределенными с определенной частотой в пото- зке жидкости, но, например, бегущимипо потоку или по любым траекториямс необходимой скоростью движения,с ускорением или замедлением твердых частиц. эоОсобенно удобно использование нитей и сферических тел (шариков), Нити, например, полистироловые, привытягивании из расплава снабжаютферромагнитными частицами игольца- Итой формы, например, так, что ферро"магнитные частицы оказываются размещенными внутри застывшей нити нанекотором расстоянии друг от друга.Если нити достаточно тонки, то 4 п,при .введении в поток (за счет егосдвигаемого течения)каждая нить илинесколько нитей сворачиваются в клу"бок, перемещающийся по потоку. Принулевой плавучести такие клубки (полимерные нити) пронизывают весь по 4 Яток. При наложении магнитного поляклубки деформируются ( изменяют своемеханическое движение). Например,можно добиться того, чтобы нити, сцелью уменьшения поперечных пульсаций, полностью развернулись и вытянулись вдоль линий тока жидкости.При снабжении сферических твердых частиц ферромагнитными частица"ми игольчатой формы можно располагать их по радиусам сферы твердойчастицы или параллельно самим себе.В первом случае лучше использовать, - касательное напряжение настенке , которое может меняться от 1 Оз. до 10 .При полностью сформировавшемся течении толщина турбулентного пограничного слоя равна радиусу трубы или полувысоте канала, если жидкость течет в трубе или канале.Поскольку безразмерная толщина ламинарного подслоя Ко 1 О (.ЮО дУ, (М) где д;, - толщина ламинарного под-слоя, то К/д= 10 + 10Нити, снабженные ферромагнитнымичастицами, должны иметь толщину г,определяемую в зависимости от решаемой задачи из соответствия бо= 1 + 10 или д /г = 10 + 10 . Например, фо /г л 1, если решается техническая задача отрыва турбулентногопограничного слоя от твердой поверхности и, 4/г 10, если решается3техническая задача уменьшения касательного напряжения на стенке безотрыва потока,Применение способа в техническихустройствах позволит снизить энергозатраты на турбулентное трение всреднем на 5-103 если в устройст 5 вах использовались ранее полимерныедобавки без ферромагнитных частиц,и на 30-40, если ранее использованиедобавок было невозможно. формула изобретения 11 909384Однако устройство обладает узкимл,диапазоном изменения ,например прибольших расходах .жидкости в трубахбоьшого диаметра О заимеют порядок1 О + 105. Тогда д/1 = 10 ф+ 10Твердые частицы, например, сфе"рической Формы, снабженные ферромаг.нитными частицами, могут иметь толщину С например диаметр) большую,чем толщина нити, снабженной ферромагнитными частицами.Абсолютный размер твердых частиц, снабженных ферромагнитными добавками, может доходить до величины 1 мм. 1 зПредлагаемый способ может быть использован во всех технических устройствах, в которых имеется течение турбулентного пограничного слоя жидкости и газа, например, в контурах АЭС, на кораблях, в трубопроводах для транспортировки нефти, в каналах различной формы, в том числе конфузорах и трубах, насосах и т.д,) и требуется изменение на отдельных участках тех в : 2 З нических устройств как во времени по" заданному временному закону , так й в пространстве в заданных местах) его динамических характеристик, например, увеличение или снижение касательного напряжения на стенке, формирование профилей средней продольной скорости и среднеквадратичных пульсаций заданной формы и величины, турбули.зация или ламинаризация потока и т,й.Способ управления турбулентным пограничным слоем позволяет изменять заданным образом температурные теп" ловые) характеристики турбулентного пограничного слоя.40Использование локально-вращающихся магнитных полей приведет к интенсифйкации теплообмена в турбулентном погааничном слое. 1. Способ управления турбулентным пограничным слоем путем введения в него присадки в виде высокомолекуляр- ных полимерных добавок или твердых частиц, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности управления, в присадку вводят ферромагнитные частицы, на которые воздействуют магнитным полем.2, Способ по и. 1, о т л и ч а в щ и й с я тем, что Ферромагнитные частицы имеют игольчатую форму.3. Способ по и 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что ферромагнитные частицы имеют гантелеобразную Форму.4. Способ по пп, 1-3, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения расхода присадки, ее удерживают магнитным полем в ламинарном подглое.5.Способ по пп. 1-4, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью интенсификации теплообмена, на ферромагнитные частицы воздействуют локально-вращающимися магнитными полями.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Борщевский 10.Т. и Рудин С.Н.Управление турбулентным пограничнымслоем. К. нВища школами 198, с,204.2. Там же, с, 248./57 Тираж 730ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий13035, Москва, Ж 35 Раушская наб д. 4/ Подписно филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная,