RU2425260C2

RU2425260C2 - Surface of body for reduction of friction and surface of body for intensification of heat exchange

Info

Publication number: RU2425260C2
Application number: RU2009111020/06A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Ираклиевич Кикнадзе (RU); Геннадий Ираклиевич Кикнадзе; Иван Александрович Гачечиладзе (RU); Иван Александрович Гачечиладзе
Original assignee: Геннадий Ираклиевич Кикнадзе; Иван Александрович Гачечиладзе
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2011-07-27
Also published as: RU2009111020A

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: on plain surface with or without protective layer there are hollows formed with convex and concave surfaces of the second order, which are conjugated along common tangents; at that, conjugation of hollow with initially plain surface is performed by means of convex surface forming slopes for which in conjugation places the initially plain surface is tangent; at that, concave surface forming the bottom part of hollow is plain or is provided with fairing, and ratio of depth h_c of hollow to dimension L₁ of hollow along flow direction is within 0.001≤h_c/L₁≤0.1; ratio of cross dimension L₂ of hollow to longitudinal dimension L₁ of hollow is within 0.25≤L₂/L₁≤1, at density f of location of hollows on surface which is in the range of 0.05≤f≤0.5. On proposed surface for intensification of mass and heat exchange there are also hollows of the above configuration; at that, 0.1≤h_c/L₁≤0_,5; 0.25≤L₂/L₁≤1; 0.1≤f≤0.8.

EFFECT: reducing aerodynamic resistance of delivery channels and various media.

31 cl, 16 dwg

Description

Изобретение относится к аэрогидромеханике, энергетике, к поточным технологиям, задачам повышения эффективности транспорта, к медицине и другим областям научно-технической деятельности и инженерной практики, в которых успех разработок и реализации поточных процессов и оборудования, их функциональные и технико-экономические характеристики зависят от качества потоков сплошной среды и возможности управлять процессами взаимодействия потока и поверхности.The invention relates to aerohydromechanics, energy, flow technologies, tasks of increasing transport efficiency, medicine and other areas of scientific and technical activity and engineering practice, in which the success of the development and implementation of flow processes and equipment, their functional and technical and economic characteristics depend on the quality flows of a continuous medium and the ability to control the processes of interaction between flow and surface.

Наиболее близким к предлагаемым поверхностям является техническое решение по патенту RU 2020304, 30.09.1994 г., содержащее поверхности обтекания, являющиеся границей раздела между движущейся сплошной средой (газы, жидкости, их двухфазные или многокомпонентные смеси) и твердой энергообменной стенкой, исходно плоской, цилиндрической, конической или любого другого профиля. Предлагаемая в этом патенте форма поверхности, представляющая собой трехмерный либо вогнутый, либо выпуклый рельеф, позволяет интенсифицировать теплообмен между граничной поверхностью и основным потоком при неопережающем уровень интенсификации росте аэрогидродинамических потерь за счет формирования на таких рельефах вихревых структур. Диапазоны размеров предлагаемых рельефов связаны с характеристиками пограничных слоев течения, при этом по предлагаемому решению поверхность обтекания содержит распределенные по ней трехмерные вогнутые или выпуклые элементы рельефа с закругленными участками перехода, сопрягающими эти элементы с исходно гладкой поверхностью; причем любое сечение элементов рельефа, параллельное плоскости, в которой лежат три ближайшие их вершины, имеет форму плавной замкнутой линии.Closest to the proposed surfaces is the technical solution according to the patent RU 2020304, September 30, 1994, containing flow surfaces that are the interface between a moving continuous medium (gases, liquids, their two-phase or multicomponent mixtures) and a solid energy-exchange wall, originally flat, cylindrical , conical or any other profile. The surface shape proposed in this patent, which is a three-dimensional either concave or convex relief, makes it possible to intensify the heat transfer between the boundary surface and the main flow with a non-accelerating level of intensification of the growth of aerohydrodynamic losses due to the formation of vortex structures on such reliefs. The ranges of sizes of the proposed reliefs are associated with the characteristics of the boundary layers of the flow, and according to the proposed solution, the flow surface contains three-dimensional concave or convex relief elements distributed with rounded sections of the junction that pair these elements with an initially smooth surface; moreover, any section of relief elements parallel to the plane in which their three nearest vertices lie has the shape of a smooth closed line.

Недостатком этого известного патента является его однонаправленность, ограниченная в основном решением задач теплообмена и отсутствием оптимальных решений для повышения критических тепловых нагрузок в процессах кипения, уменьшения кавитационного износа поверхностей, снижения скорости отложения примесей из потоков энергоносителей на обтекаемые поверхности, уменьшения аэрогидродинамического сопротивления и сопротивления между трущимися поверхностями в парах трения и др., а также отсутствие соотношений между кривизнами участков предлагаемой поверхности, имеющими разный знак на вогнутых и выпуклых частях ее рельефа, совершенно необходимых для их конструирования и построения.The disadvantage of this well-known patent is its unidirectionality, limited mainly by solving heat transfer problems and the lack of optimal solutions to increase critical heat loads in boiling processes, reduce cavitation wear of surfaces, reduce the rate of deposition of impurities from energy carrier flows on streamlined surfaces, reduce aerohydrodynamic resistance and resistance between rubbing surfaces in friction pairs, etc., as well as the absence of relations between the curvatures of sections n edlagaemoy surface having a different sign on the concave and convex parts of its terrain, it is necessary for their design and construction.

Техническим результатом и единым изобретательским замыслом предложенного изобретения является изменение структуры течения газов, или жидкостей, или их смесей и в первую очередь структуры пограничного слоя потоков, превращающее сдвиговый пограничный слой в трехмерный вихревой, что приводит к снижению напряжений трения и интенсификации обмена массой и теплом между формованной поверхностью и потоком.The technical result and the unified inventive concept of the proposed invention is to change the structure of the flow of gases, or liquids, or their mixtures and, first of all, the structure of the boundary layer of flows, which turns the shear boundary layer into a three-dimensional vortex, which reduces friction stresses and intensifies the mass and heat exchange between molded surface and flow.

В частности, изобретение позволяет снижать аэрогидродинамические потери при относительном движении поверхности и сплошной среды, уменьшать кавитационное разрушение поверхностей, уменьшать акустический шум при их обтекании и интенсифицировать обменные процессы между течением газов, жидкостей их двухфазных или многокомпонентных смесей. Предлагаемые поверхности носят название Tornado Like Jet Surfase - TLJS - и представляют собой совокупность чередующихся участков исходно гладкой поверхности и отформованных на ней криволинейных участков в виде углублений двойной кривизны. При относительном движении среды и TLJS углубления превращаются одновременно в стоки натекающей на них среды и источники вторичных смерчеобразных закрученных струй, самоорганизующихся на TLJS под действием полей сил, возникающих при обтекании рельефа углублений двойной кривизны и отсутствовавших при обтекании гладких поверхностей. Силовое поле, присущее взаимодействию потока с выпукло-вогнутым рельефом, формирует при обтекании поверхностей с такими рельефами течение, в котором закрученные струи встроены в пристенные слои потока, создавая дополнительную связь между пограничным слоем и ядром течения. Эти струи, подобно смерчам, всасывают в свой ствол массу среды с поверхности углублений и окружающих их исходно гладких участков TLJS и переносят ее за пределы пограничного слоя. Это явилось основанием для названия их "смерчеобразными струями" или TLJ (по аббревиатуре терминов Tornado Like Jet).In particular, the invention allows to reduce aerohydrodynamic losses during relative motion of a surface and a continuous medium, to reduce cavitational destruction of surfaces, to reduce acoustic noise during their flow and to intensify exchange processes between the flow of gases, liquids of their two-phase or multicomponent mixtures. The proposed surfaces are called Tornado Like Jet Surfase - TLJS - and are a combination of alternating sections of an initially smooth surface and curved sections formed on it in the form of double-curvature depressions. With relative motion of the medium and TLJS, the depressions simultaneously turn into sinks of the flowing medium and sources of secondary tornado-like swirling jets that self-organize on TLJS under the action of force fields arising from the flow around the relief of double curvature depressions and absent during the flow around smooth surfaces. The force field inherent in the interaction of the flow with a convex-concave relief forms a flow in the flow around surfaces with such reliefs in which swirling jets are embedded in the wall layers of the flow, creating an additional connection between the boundary layer and the core of the flow. These jets, like tornadoes, absorb a mass of medium into their bore from the surface of the recesses and the initially smooth TLJS sections surrounding them and transfer it beyond the boundary layer. This was the basis for the name of their "tornado-like jets" or TLJ (in the abbreviation of the terms Tornado Like Jet).

Дальнейшие исследования показали, что обнаруженные течения образуют новый класс потоков газов, жидкостей и их смесей, закономерности обменных процессов и взаимодействия которых с твердыми границами и средой зарождения не присущи другим ламинарным или турбулентным потокам, традиционно используемым для решения задач аэрогидромеханики, энергетики, транспорта, поточных технологий, включая биотехнологии и ряд направлений медицинской практики и техники.Further studies showed that the detected flows form a new class of flows of gases, liquids and their mixtures, the laws of exchange processes and the interaction of which with solid boundaries and the nucleation medium are not inherent in other laminar or turbulent flows, traditionally used for solving problems of aerohydromechanics, energy, transport, flow technologies, including biotechnology and a number of areas of medical practice and technology.

В результате реализации поверхности тела для снижения трения и аэрогидродинамического сопротивления поверхностей достигается:As a result of the implementation of the body surface to reduce friction and aerohydrodynamic resistance of surfaces is achieved:

- снижение аэрогидродинамического сопротивления энергообменных каналов, обтекаемая поверхность которых представляет собой TLJS;- reduction of aerohydrodynamic resistance of energy exchange channels, the streamlined surface of which is a TLJS;

- снижение аэродинамического сопротивления тел с TLJS, движущихся в воздухе, в акваториях и по суше со скоростями, достаточными для самоорганизации вторичных смерчеобразных струй;- decrease in aerodynamic drag of bodies with TLJS moving in air, in water areas and on land with speeds sufficient for self-organization of secondary tornado-like jets;

- снижение трения между твердыми TLJS, например парами трения, помещенными и трущимися друг об друга в газообразной, или жидкой средах, или в их смесях, за счет формирования в углублениях рельефа вихревого пограничного слоя из окружающей среды, выполняющего роль вихревых подшипников.- reduction of friction between solid TLJS, for example, friction pairs placed and rubbing against each other in a gaseous or liquid medium, or in their mixtures, due to the formation of a vortex boundary layer from the environment in the recesses of the relief, acting as vortex bearings.

В результате реализации TLJS в устройствах или процессах с целью интенсификации теплообмена достигается:As a result of the implementation of TLJS in devices or processes with the aim of intensifying heat transfer, the following is achieved:

- увеличение скорости обмена теплом и массой между потоками теплоносителей и TLJS, содержащими предлагаемые в изобретении криволинейные участки двойной кривизны, на которых формируются смерчеобразные струи, ускоряющие в газах, жидкостях и в их смесях обменные процессы при отстающем от меры интенсификации уровне гидравлических потерь или при уровне потерь, не отличимых от потерь при обтекании исходно гладких поверхностей аналогичных геометрических форм и размеров;- an increase in the rate of heat and mass exchange between the coolant and TLJS flows containing the double curvature curvilinear sections proposed in the invention, on which tornado jets are formed, accelerating the exchange processes in gases, liquids and their mixtures when the level of hydraulic losses is behind the level of intensification or at a level losses that are not distinguishable from losses when flowing around initially smooth surfaces of similar geometric shapes and sizes;

- повышение критических тепловых нагрузок на TLJS, охлаждаемых жидкими теплоносителями, за счет придания этим поверхностям предложенных криволинейных форм, изменяющих кинетику массообмена в процессе фазового превращения в жидкой среде при отстающем от меры повышения уровне гидравлических потерь или при уровне потерь, не отличимых от потерь при обтекании исходно гладких поверхностей аналогичных геометрических размеров и форм;- an increase in critical heat loads on TLJS cooled by liquid coolants, by imparting to these surfaces the proposed curvilinear shapes that change the kinetics of mass transfer during phase transformation in a liquid medium when the level of hydraulic losses lags the measure of increase or when the level of losses is not distinguishable from flow losses initially smooth surfaces of similar geometric sizes and shapes;

- предотвращение кавитационного разрушения TLJS, обтекаемых потоками жидкости, за счет придания им форм, содержащих криволинейные участки, и создания условий для формирования на этих поверхностях вторичных смерчеобразных струй, предотвращающих рост на таких поверхностях парогазовых образований (пузырей) и эвакуирующих зародыши таких образований за пределы обтекаемой поверхности;- prevention of cavitation destruction of TLJS, streamlined by fluid flows, by giving them shapes containing curved sections, and by creating conditions for the formation of secondary tornado-like jets on these surfaces, preventing the growth of vapor-gas formations (bubbles) and evacuating nuclei of such formations outside the streamlined surface;

- снижение адсорбции загрязнений, посторонних примесей и нарастания отложений из движущейся среды на TLJS предложенных выше форм за счет выноса в основной поток примесей с этих поверхностей, например, в виде золы или веществ, претерпевающих фазовые превращения, включая продукты неполного сгорания топлива, солевые отложения, другие адсорбирующиеся вещества, в том числе лед и снег.- reducing the adsorption of contaminants, impurities and the buildup of deposits from a moving medium on TLJS of the forms proposed above due to the removal of impurities from these surfaces into the main stream, for example, in the form of ash or substances undergoing phase transformations, including products of incomplete combustion of fuel, salt deposits, other adsorbable substances, including ice and snow.

Технический результат по первому варианту достигается тем, что поверхность тела для уменьшения трения с газообразными, жидкими средами или их смесями характеризуется тем, что на гладкой поверхности с нанесенным защитным слоем или без него выполнены углубления двойной кривизны, образованные сопряженными по общим касательным выпуклыми и вогнутыми поверхностями второго порядка, при этом сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклых форм поверхностей, образующих скаты, для которых в местах сопряжения исходно гладкая поверхность является касательной, причем вогнутая поверхность, образующая донную часть углубления, выполнена гладкой или с обтекателем, а отношения глубин h_c углублений к размерам L₁ углублений вдоль направления потока находятся в интервале:The technical result according to the first embodiment is achieved by the fact that the surface of the body to reduce friction with gaseous, liquid media or their mixtures is characterized by the fact that on the smooth surface with or without a protective layer, double curvature depressions are formed, formed by conjugate convex and concave surfaces along common tangent of the second order, while the recesses are conjugated with an initially smooth surface using convex forms of surfaces forming slopes, for which in places eniya originally smooth surface is tangent with the concave surface forming the bottom of the recess is made smooth or with a fairing, and the ratio of depth h _c recesses to the size L ₁ of recesses along the flow direction are in the range:

отношение поперечного размера L₂ углубления к продольному размеру L₁ углубления находится в интервале:the ratio of the transverse dimension L _{2 of the} recess to the longitudinal size L _{1 of the} recess is in the range:

при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:when the density f of the location of the recesses on the surface located in the interval:

Углубления могут быть выполнены с продольным и/или поперечным размерами, изменяющимися вдоль потока.The recesses can be made with longitudinal and / or transverse dimensions, varying along the stream.

Углубления могут быть нанесены либо механическим способом, либо электрохимическим способом, либо формованием на поверхности защитного слоя из полимера, нанесенного на поверхность, с последующей полимеризацией защитного слоя, либо обработкой поверхности лазерным лучом, либо с использованием комбинаций из этих способов.The recesses can be applied either mechanically or electrochemically, or by forming on the surface a protective layer of polymer deposited on the surface, followed by polymerization of the protective layer, or by surface treatment with a laser beam, or using combinations of these methods.

Скаты могут быть образованы тороидальной поверхностью.Slopes can be formed by a toroidal surface.

Скаты могут быть образованы гиперболической поверхностью.Slopes can be formed by a hyperbolic surface.

Скаты могут быть образованы эллиптической поверхностью.Slopes can be formed by an elliptical surface.

Поверхность с радиусом кривизны R_(-), имеющая тороидальные скаты, на которой радиус углубления r_sp вогнутой сферической части определяется соотношением:A surface with a radius of curvature R _(-) having toroidal slopes on which the radius of the recess r _{sp of the} concave spherical part is determined by the ratio:

где h_sp - глубина вогнутой сферической части углубления; при этом радиус кривизны выпуклой части углубления R₍₊₎ связан с его глубиной h_c и радиусом r_c соотношением:where h _sp is the depth of the concave spherical part of the recess; the radius of curvature of the convex part of the recess R ₍₊₎ is associated with its depth h _c and radius r _{c with the} ratio:

Поверхность снабжена обтекателем, имеющим форму тела вращения с криволинейным основанием в виде части вогнутой поверхности углубления, при этом проекция обтекателя на любую плоскость, в которой лежат ось симметрии этих обтекателей и касательная к точке пересечения их оси симметрии с вогнутой поверхностью углубления, определяется соотношением:The surface is equipped with a fairing having the shape of a body of revolution with a curved base in the form of a part of the concave surface of the recess, while the projection of the fairing on any plane in which the axis of symmetry of these fairings lie and tangent to the point of intersection of their axis of symmetry with the concave surface of the recess is determined by the ratio:

где r_i - радиус обтекателя, h_i - его высота, принимающие при выбранном радиусе кривизны R_(-) значения в диапазонахwhere r _i is the radius of the fairing, h _i is its height, which, for a selected radius of curvature R _(-) , takes values in the ranges

Технический результат по второму варианту достигается также тем, что поверхность тела для интенсификации конвективного массо- и теплообмена с газообразными, жидкими средами или их смесями характеризуется тем, что на гладкой поверхности выполнены углубления, образованные сопряженными по общим касательным выпуклыми и вогнутыми поверхностями второго порядка, при этом сопряжение углубления с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклых поверхностей, образующих скаты, для которых в местах сопряжения исходно гладкая поверхность является касательной, причем вогнутая поверхность, образующая донную часть углубления, выполнена гладкой или с обтекателем, а отношение глубины h_c углубления к размеру L₁ углубления вдоль направления потока находится в интервале:The technical result according to the second embodiment is also achieved by the fact that the surface of the body for intensifying convective mass and heat transfer with gaseous, liquid media or their mixtures is characterized in that depressions are formed on a smooth surface, formed by second-order convex and concave surfaces conjugated by a common tangent, with the conjugation of the recess with the initially smooth surface is carried out using convex surfaces forming slopes, for which, at the interface, the initial smooth erhnost is tangent with the concave surface forming the bottom of the recess is made smooth or with a fairing, and the ratio of depth h _c recess to recess the size L ₁ along the direction of flow is in the range:

отношение поперечного размера L₂ углубления к его продольному размеру L₁ находится в интервале:the ratio of the transverse dimension L _{2 of the} recess to its longitudinal size L ₁ is in the range:

Углубления могут быть выполнены с изменяющимся вдоль потока продольным и/или поперечным размерами.The recesses can be made with longitudinal and / or transverse dimensions varying along the flow.

Углубления могут быть нанесены либо механическим способом, либо электрохимическим способом, либо обработкой поверхности лазерным лучом, либо формованием и полимеризацией поверхности защитного слоя, либо с использованием различных комбинаций из этих способов.The recesses can be applied either mechanically, or electrochemically, or by surface treatment with a laser beam, or by molding and polymerizing the surface of the protective layer, or using various combinations of these methods.

Поверхность углублений с радиусом кривизны R_(-), имеющих тороидальные скаты и сферическую вогнутую часть, радиус r_sp которой определяется соотношением:The surface of the recesses with a radius of curvature R _(-) having toroidal slopes and a spherical concave part, the radius r _{sp of} which is determined by the ratio:

где h_sp - глубина вогнутой сферической части углубления; при этом радиус кривизны R₍₊₎ выпуклой части углубления связан с его глубиной h_c и радиусом r_c соотношением:where h _sp is the depth of the concave spherical part of the recess; the radius of curvature R _{(+) of the} convex part of the recess is associated with its depth h _c and radius r _{c with the} ratio:

Поверхность может быть снабжена обтекателем, имеющим форму тела вращения с криволинейным основанием в виде части вогнутой поверхности углубления, при этом проекция обтекателя на любую плоскость, в которой лежат ось симметрии этих обтекателей и касательная к точке пересечения их оси симметрии с вогнутой поверхностью углубления, определяется соотношением:The surface can be equipped with a fairing having the shape of a body of revolution with a curved base in the form of a part of the concave surface of the recess, while the projection of the fairing on any plane in which the axis of symmetry of these fairings lie and tangent to the point of intersection of their axis of symmetry with the concave surface of the recess is determined by the ratio :

На поверхности теплообменной пластины углубления могут быть расположены в шахматном или коридорном порядке, а размер углублений и их глубина могут увеличиваться или уменьшаться по направлению потока вдоль пластины.On the surface of the heat exchanger plate, the recesses can be staggered or corridor-like, and the size of the recesses and their depth can increase or decrease in the direction of flow along the plate.

Вокруг основных углублений могут быть расположены углубления с меньшими продольным, поперечным размерами и глубинами.Around the main recesses can be located recesses with smaller longitudinal, transverse dimensions and depths.

На другой стороне поверхности расположены выступы, ответные углублениям.On the other side of the surface are protrusions corresponding to the recesses.

На другой стороне поверхности пластины расположены ребра, ориентированные вдоль пластины по направлению потока.On the other side of the plate surface are ribs oriented along the plate in the direction of flow.

Углубления могут быть расположены на другой стороне пластины симметрично или асимметрично относительно углублений основной стороны пластины.The recesses may be located on the other side of the plate symmetrically or asymmetrically with respect to the recesses of the main side of the plate.

Дополнительная поверхность пластины, содержащая углубления, размещена относительно основной поверхности с образованием теплообменного канала, при этом поверхности основной и дополнительной пластин с углублениями обращены друг к другу и расположены параллельно за счет дистанционирующих элементов в виде выступов сферической, конической, цилиндрической или иной форм.The additional surface of the plate containing the recesses is placed relative to the main surface with the formation of a heat exchange channel, while the surfaces of the main and additional plates with recesses are facing each other and are located in parallel due to the spacing elements in the form of protrusions of a spherical, conical, cylindrical or other shape.

Поверхность трубы, в которой углубления вдоль трубы и поперек трубы расположены в шахматном или коридорном порядке.The surface of the pipe, in which the recesses along the pipe and across the pipe are staggered or corridor.

Размер углублений и их глубина увеличиваются или уменьшаются по направлению потока вдоль или поперек трубы.The size of the recesses and their depth increase or decrease in the direction of flow along or across the pipe.

На внутренней поверхности трубы расположены выступы, имеющие поверхности второго порядка.On the inner surface of the pipe are protrusions having second-order surfaces.

На внешней поверхности трубы могут быть расположены углубления, а на ее внутренней поверхности могут быть расположены выступы.Recesses may be located on the outer surface of the pipe, and protrusions may be located on its inner surface.

На внутренней поверхности трубы могут быть расположены продольные ребра с углублениями.On the inner surface of the pipe can be located longitudinal ribs with recesses.

На внутренней поверхности трубы могут быть расположены поперечные ребра с углублениями.On the inner surface of the pipe can be located transverse ribs with recesses.

Внутри трубы может быть расположена изогнутая скрученная лента с углублениями.A curved twisted tape with recesses may be located inside the pipe.

На внутренней поверхности трубы могут быть симметрично или ассиметрично расположены углубления относительно углублений на наружной поверхности.On the inner surface of the pipe can be symmetrically or asymmetrically located recesses relative to the recesses on the outer surface.

Продольный, поперечный размеры и глубина углублений, нанесенных на внутреннюю поверхность трубы, увеличиваются или уменьшаются по направлению потока.The longitudinal, transverse dimensions and depth of the recesses deposited on the inner surface of the pipe increase or decrease in the direction of flow.

На внутренней поверхности трубы расположены углубления, и внутри трубы установлена изогнутая скрученная лента с углублениями.Recesses are located on the inner surface of the pipe, and a curved twisted tape with recesses is installed inside the pipe.

Внутренняя поверхность трубы выполнена без углубления, и внутри трубы установлена скрученная лента с углублениями.The inner surface of the pipe is made without a recess, and a twisted tape with recesses is installed inside the pipe.

На фиг.1 представлен фрагмент поверхности тела обтекания, содержащий одно углубление.Figure 1 presents a fragment of the surface of the body flow around, containing one recess.

На фиг.2 представлена поверхность углубления с обтекателем в виде двойного углубления, нанесенного на поверхность по способу одно в другом.Figure 2 presents the surface of the recess with a fairing in the form of a double recess, deposited on the surface according to the method one in the other.

На фиг.3 представлена поверхность углубления с обтекателями в виде множества мелких углублений на его поверхности.Figure 3 presents the surface of the recess with fairings in the form of many small recesses on its surface.

На фиг.4 - поверхность углубления с обтекателем в виде углубления.Figure 4 - the surface of the recess with a fairing in the form of a recess.

На фиг.5 представлена схема линий тока среды, вовлеченной в формирование вторичной закрученной структуры в углублении на поверхности при низких скоростях относительного движения поверхности и среды.Figure 5 presents a diagram of the flow lines of the medium involved in the formation of the secondary swirling structure in the recess on the surface at low speeds of relative motion of the surface and the medium.

На фиг.6 представлен тот же процесс, визуализированный фотосъемкой.Figure 6 presents the same process visualized by photographing.

На фиг.7 представлена визуализация процесса сжатия вихря в углубление и всасывания в вихрь среды из пристенного слоя течения, обтекающего поверхность с углублениями.Figure 7 presents a visualization of the process of compressing a vortex into a recess and suction into a vortex of a medium from a wall layer of a stream flowing around a surface with recesses.

На фиг.8 представлена визуализация процесса обтекания рельефа трехмерных углублений турбулентным потоком.On Fig presents a visualization of the process of flowing around the relief of three-dimensional recesses with turbulent flow.

На фиг.9 представлен результат измерения толщины пограничного слоя на поверхности с углублением; 1 - гладкая поверхность, 2 - поверхность с углублением; максимум на кривой 2 соответствует координатам зоны истечения смерчеобразной струи из углубления.Figure 9 presents the result of measuring the thickness of the boundary layer on the surface with a recess; 1 - smooth surface, 2 - surface with a recess; the maximum on curve 2 corresponds to the coordinates of the zone of expiration of the tornado-like jet from the recess.

На фиг.10 представлена трехмерная эпюра давления, измеренная на поверхности углубления. Пониженное давление на периферии соответствует всасыванию среды из пограничного слоя в углубление, а зона повышенного давления (купол) в центральной части углубления определяет давление в торце самоорганизующейся смерчеобразной струи, обеспечивающее истечение в основной поток массы среды; всосанной смерчеобразным вихрем; зона расположения максимума давления в углублении совпадает с зоной расположения максимума толщины пограничного слоя над углублением на фиг.9 и с координатами размещения обтекателя из поверхностных вихрей Гертлера на фиг.11, что указывает на «вытягивание» смерчеобразной струи из углубления основным потоком.Figure 10 presents a three-dimensional pressure plot, measured on the surface of the recess. The reduced pressure at the periphery corresponds to the absorption of the medium from the boundary layer into the recess, and the zone of increased pressure (dome) in the central part of the recess determines the pressure at the end of the self-organizing tornado-like jet, which ensures the outflow of the medium mass into the main stream; sucked in by a whirlwind; the zone of location of the maximum pressure in the recess coincides with the zone of location of the maximum thickness of the boundary layer above the recess in Fig. 9 and with the coordinates of the location of the fairing from the Gertler surface vortices in Fig. 11, which indicates the "pulling" of the tornado jet from the recess with the main stream.

На фиг.11 представлена фотография визуализации процесса обтекания основным потоком жидкости (воды) углубления двойной кривизны на граничной поверхности, демонстрирующая изменение структуры пограничного слоя за счет образования поверхностных гертлеровских вихрей, имеющих вид «косичек», указанных стрелками. Косички, «вплетенные» в пограничный слой, заменяют часть напряжений сдвига в прандтлевском слое прилипания на напряжения качения «косичек» по поверхности, что является необходимым условием самоорганизации смерчеобразных вихрей и основой уменьшения напряжений трения на предлагаемых поверхностях. На фотографии зафиксирован обтекатель, выстроенный из гертлеровских вихрей вторичным закрученным течением в углублении выбранной формы. Ствол смерчеобразного вихря, как следует из рассмотрения фотографии, заполнен «косичками» - гертлеровскими вихрями, отсасываемыми смерчеобразным вихрем вместе с массой пограничного слоя, что в случае использования таких поверхностей для тепломассообмена обуславливает его высокую интенсивность.Figure 11 presents a photograph of the visualization of the process of flowing around the main fluid (water) stream of a double-curvature depression on the boundary surface, showing a change in the structure of the boundary layer due to the formation of surface Gertler vortices, having the form of "braids" indicated by arrows. Pigtails “woven” into the boundary layer replace some of the shear stresses in the Prandtlé adhesion layer by the “pigtails” rolling stresses on the surface, which is a necessary condition for self-organization of tornado-like vortices and the basis for reducing friction stresses on the proposed surfaces. In the photograph, a fairing is constructed, built of Gertler’s vortices by a secondary swirling current in a depression of the selected shape. The stem of the tornado-like vortex, as follows from the consideration of the photograph, is filled with “pigtails” - Gertler’s vortices, sucked off by the tornado-like vortex together with the mass of the boundary layer, which in the case of using such surfaces for heat and mass transfer causes its high intensity.

На фиг.12 представлена поверхность теплообменной пластины с продольными ребрами.On Fig presents the surface of the heat exchange plate with longitudinal ribs.

На фиг.13 представлено размещение пластин с образованием теплообменного канала.On Fig presents the placement of the plates with the formation of the heat exchange channel.

На фиг.14 представлена поверхность теплообменной трубы. На фиг.15 представлена поверхность трубы с продольными ребрами.On Fig presents the surface of the heat exchanger pipe. On Fig presents the surface of the pipe with longitudinal ribs.

На фиг.16 представлена поверхность трубы с поперечными ребрами внутри.On Fig presents the surface of the pipe with transverse ribs inside.

Форма обтекаемых сплошной средой поверхностей для снижения напряжений трения (TLJS-DR) и поверхностей для интенсификации массо - и теплообмена (TLJS-НМТ), предлагаемых в изобретении, в обоих случаях представляет собой совокупность участков исходно гладкой поверхности и сопряженных с ними углублений двойной кривизны с отличием друг от друга плотностью, формой и геометрическими размерами углублений, доверительные интервалы изменения которых указаны ниже.The shape of the surfaces surrounded by a continuous medium for reducing friction stresses (TLJS-DR) and surfaces for intensifying mass and heat transfer (TLJS-НМТ), proposed in the invention, in both cases is a combination of sections of the initially smooth surface and the associated double-curvature recesses with the difference from each other in the density, shape and geometric dimensions of the recesses, the confidence intervals of which are indicated below.

Формирование обтекающего потока на таких рельефах обеспечивает необходимые и достаточные условия для формирования нового класса течений, охватывающих возможности повышения функциональной и технико-экономической эффективности практически всего парка поточных процессов, аппаратов, оборудования и транспортных агрегатов, используемых в научной и практической деятельности человека.The formation of a flow around such reliefs provides the necessary and sufficient conditions for the formation of a new class of flows, covering the possibility of increasing the functional and technical and economic efficiency of almost the entire fleet of flow processes, apparatuses, equipment, and transport units used in human scientific and practical activities.

Наряду со:Along with:

- снижением аэрогидродинамического сопротивления различных тел, находящихся в состоянии относительного движения со сплошной средой, включая самолеты, автомобили, поезда, речные, морские и океанические суда, яхты и др. транспортные средства (поверхности TLJS-DR - Tornado Like Jet Surface-Drag Reduction);- decrease in aerohydrodynamic resistance of various bodies in relative motion with a continuous medium, including airplanes, cars, trains, river, sea and oceanic vessels, yachts and other vehicles (TLJS-DR - Tornado Like Jet Surface-Drag Reduction surfaces) ;

- уменьшением потерь давления в напорных каналах, транспортирующих газы, жидкости и/или их смеси (поверхности TLJS-DR - Tornado Like Jet Surface-Drag Reduction);- reduction of pressure losses in the pressure channels transporting gases, liquids and / or their mixtures (TLJS-DR surfaces - Tornado Like Jet Surface-Drag Reduction);

- повышением функциональной эффективности энергообменных поточных процессов и оборудования, включая агрегаты для тепло - и массообмена (поверхности TLJS-HMT - Tornado Like Jet Surface-Heat & Mass Transfer);- increasing the functional efficiency of energy-exchange flow processes and equipment, including units for heat and mass transfer (TLJS-HMT surfaces - Tornado Like Jet Surface-Heat & Mass Transfer);

- снижением кавитационного износа поверхностей гидравлических турбомашин, винтов судовых движителей, гидронасосов и других агрегатов, подверженных воздействию процессов кавитации (поверхности TLJS-HMT - Tornado Like Jet Surface-Heat & Mass Transfer);- reduction of cavitation wear on the surfaces of hydraulic turbomachines, propellers of ship propellers, hydraulic pumps and other units exposed to cavitation processes (TLJS-HMT surfaces - Tornado Like Jet Surface-Heat & Mass Transfer);

- нагревом и охлаждением магнитотепловых агрегатов для преобразования низкопотенциальных тепловых потоков в механический и электрический виды энергии (поверхности TLJS-HMT - Tornado Like Jet Surface-Heat & Mass Transfer);- heating and cooling magnetothermal units for converting low-grade heat fluxes into mechanical and electrical forms of energy (TLJS-HMT surfaces - Tornado Like Jet Surface-Heat & Mass Transfer);

оба типа поверхностей используются также для повышения функциональной эффективности других энергообменных поточных процессов и оборудования, в том числе:both types of surfaces are also used to increase the functional efficiency of other energy-exchange flow processes and equipment, including:

- понижения уровня акустического шума при обтекании каналов и тел и- lowering the level of acoustic noise when flowing around channels and bodies, and

- самоочищения от грязи и примесей, адсорбирующихся на TLJS из контактирующих с ней сплошных сред.- self-cleaning from dirt and impurities adsorbed on TLJS from continuous media in contact with it.

Перечисленные выше направления использования предлагаемого изобретения обуславливают разнообразие вариантов его осуществления. Однако общими для всех возможных вариантов при постановке конкретной задачи являются:The above areas of use of the invention determine a variety of options for its implementation. However, common to all possible options when setting a specific task are:

- количественное определение основных функциональных характеристик процессов или оборудования, которые предполагается улучшить;- quantitative determination of the basic functional characteristics of processes or equipment that are expected to be improved;

- выбор форм и размеров рельефов, основанный на анализе параметров задач;- selection of shapes and sizes of reliefs based on an analysis of task parameters;

- выбор технологии нанесения рельефов на поверхности.- The choice of technology for applying reliefs on the surface.

В качестве примера приведем рельеф, обтекаемый потоком сплошной среды, выпуклая часть элементов которого представляет собой сегмент тора, имеющего сечение в виде круга, а вогнутая часть - сегмент любой поверхности второго порядка, например сферической. Выпуклая часть криволинейной поверхности углублений -скаты, внешняя по отношению к геометрическому центру углублений, характеризуется радиусом кривизны R₍₊₎, а другая, или внутренняя часть этой поверхности, например сегмент сферы, расположенный вокруг геометрического центра криволинейного участка, характеризуется радиусом кривизны R_(-), причем кривизна и форма выпуклой тороидальной части определяется соотношением:As an example, we give a relief streamlined by a stream of a continuous medium, the convex part of which is a segment of a torus having a section in the form of a circle, and the concave part is a segment of any second-order surface, for example spherical. The convex part of the curved surface of the recesses — slopes, external to the geometric center of the recesses, is characterized by the radius of curvature R ₍₊₎ , and the other, or the internal part of this surface, for example, a segment of a sphere located around the geometric center of the curved section, is characterized by the radius of curvature R _{(- )} , and the curvature and shape of the convex toroidal part is determined by the relation:

а форма вогнутой части - соотношением:and the shape of the concave part is the ratio:

при этом отношение радиусов кривизны выпуклой и вогнутой частей углубления находится из соответствующего соотношения условий (Q) (см. ниже) в интервале:the ratio of the radii of curvature of the convex and concave parts of the recess is found from the corresponding ratio of conditions (Q) (see below) in the range:

при выполнении условий, определяющих предел устойчивости пограничного слоя течения на этой поверхности по отношению к возникновению поверхностных вихрей Гертлера:under the conditions that determine the stability limit of the boundary layer of the flow on this surface with respect to the appearance of surface Gertler vortices:

где U_∞ - скорость потока, натекающего на криволинейную поверхность с радиусами кривизны R₍₊₎ и R_(-), δ₂(x) - толщина потери импульса в пограничном слое, формируемом потоком среды на обтекаемой поверхности, ν - вязкость натекающей среды; при этом учитывается, что критические скорости U_∞ для изотермического течения ниже для вогнутых участков углублений по сравнению с величиной критической скорости для выпуклых участков.where U _∞ is the velocity of the flow flowing onto a curved surface with radii of curvature R ₍₊₎ and R _(-) , δ ₂ (x) is the thickness of the momentum loss in the boundary layer formed by the flow of the medium on the streamlined surface, ν is the viscosity of the flowing medium; it is taken into account that the critical velocities U _∞ for the isothermal flow are lower for the concave sections of the recesses compared to the critical velocity for the convex sections.

На обтекаемую поверхность (фиг.1) наносят криволинейный рельеф в виде отдельных углублений 1 двойной кривизны, каждое из которых состоит из вогнутой части 2 внутренней криволинейной поверхности углубления, имеющей выбранную криволинейную форму в виде поверхности второго порядка без острых углов на ней, включая, например, сферическую форму с радиусом кривизны R_(-) или эллиптическую форму с радиусами кривизны R_min(-) и R_max(-), сопрягаемую с исходно гладкой поверхностью 3 выпуклыми криволинейными скатами тороидальной формы круглого, эллиптического, параболического или гиперболического сечений с радиусами кривизны, для которых в местах сопряжения исходно гладкая поверхность является касательной, а поверхности вогнутой и выпуклой формы имеют в точках сопряжения общие касательные. Величины R_min(-), R_max(-), R_min(+) и R_max(+) определяются аналогично вышеописанному из соотношений (Q):A curvilinear relief is applied to the streamlined surface (Fig. 1) in the form of separate double-curved recesses 1, each of which consists of a concave part 2 of the internal curved surface of the recess having a selected curved shape in the form of a second-order surface without sharp angles on it, including, for example spherical shape with curvature radius R _(-) or elliptical shape with radii of curvature R _{min (-)} and R _{max (-),} joined with the originally smooth surface 3 convex curvilinear toroidal-shaped slopes circular, elliptical second, parabolic or hyperbolic cross sections with radii of curvature such that at the interface is initially smooth surface tangent and the surface of the concave and convex shapes have a common tangent points conjugation. The values of R _{min (-)} , R _{max (-)} , R _{min (+)} and R _{max (+) are} determined similarly to the above from the relations (Q):

Поверхность для уменьшения трения с газообразной, жидкой средой или их смесями характеризуется тем, что на гладкой поверхности с защитным слоем в виде нанесенного на эту поверхность полимерного материала или без него выполнены углубления 1, образованные сопряженными по общим касательным выпуклыми 4 и вогнутыми 2 поверхностями второго порядка, при этом сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью 3 осуществляется с помощью образующих скаты выпуклых поверхностей, для которых в местах сопряжения исходно гладкая поверхность является касательной, причем вогнутая поверхность, образующая донную часть углубления, выполнена гладкой или с обтекателем 5, а отношение глубины h_c углубления к размеру L₁ углубления вдоль направления потока находится в интервалеThe surface for reducing friction with a gaseous, liquid medium or mixtures thereof is characterized in that, on a smooth surface with a protective layer in the form of a polymer material deposited on this surface or without it, recesses 1 are formed formed by second-order concave 4 concave and 2 concave 2 concave surfaces wherein, the recesses are conjugated with the initially smooth surface 3 by means of convex surfaces forming slopes, for which the initially smooth surface at the junctions is tangent, and the concave surface forming the bottom of the recess is smooth or with a cowl 5, and the ratio of the depth h _{c of the} recess to the size L _{1 of the} recess along the flow direction is in the range

отношение поперечного размера L₂ углубления к продольному L₁ размеру углубления находится в интервале:the ratio of the transverse dimension L _{2 of the} recess to the longitudinal L ₁ size of the recess is in the range:

Углубления на поверхности могут быть выполнены с продольным и поперечным размерами, изменяющимися вдоль потока.The recesses on the surface can be made with longitudinal and transverse dimensions, varying along the stream.

Углубления могут быть нанесены либо механическим, либо электрохимическим способами, либо формованием и полимеризацией защитного слоя, либо обработкой поверхности лазерным лучом, либо с использованием комбинаций из этих способов.The recesses can be applied either mechanically or electrochemically, or by molding and polymerizing the protective layer, or by surface treatment with a laser beam, or using combinations of these methods.

Скаты могут быть образованы либо тороидальной гиперболической, либо тороидальной параболической, либо тороидальной эллиптической, либо тороидальной сферической поверхностями.Slopes can be formed either by toroidal hyperbolic, or toroidal parabolic, or toroidal elliptical, or toroidal spherical surfaces.

При форме скатов в виде острой кромки, сечение которых представляет собой круг, ограничивающий углубление, а его вогнутая сферическая часть имеет кривизну i/R_(-), радиус Tsp углубления определяется соотношением:In the form of slopes in the form of a sharp edge, the cross section of which is a circle defining a recess, and its concave spherical part has a curvature i / R _(-) , the radius Tsp of the recess is determined by the ratio:

где h_sp - глубина вогнутой сферической части углубления; выпуклой части углубления;where h _sp is the depth of the concave spherical part of the recess; convex part of the recess;

При тороидальной сферической форме скатов, сечение которых представляет собой круг радиуса R₍₊₎, а центральная вогнутая часть имеет сферическую форму, радиус r_c связан с размерами углубления соотношением:With the toroidal spherical shape of the slopes, the cross section of which is a circle of radius R ₍₊₎ , and the central concave part has a spherical shape, the radius r _c is connected with the dimensions of the depression by the ratio:

Обтекатели на таких поверхностях имеют форму тел вращения, криволинейным основанием которых являются части вогнутой поверхности углубления, а проекция обтекателя на любую плоскость, в которой лежат ось симметрии обтекателя и касательная к точке пересечения этой оси с вогнутой поверхностью углубления, определяется соотношением:Fairings on such surfaces are in the form of bodies of revolution, the curvilinear base of which are parts of the concave surface of the recess, and the projection of the fairing on any plane in which the symmetry axis of the fairing lies and tangent to the intersection of this axis with the concave surface of the recess is determined by the ratio:

где r_i - радиус обтекателя, h_i - его высота, принимающие при выбранном радиусе кривизны R_(-) значения в диапазонах:where r _i is the radius of the fairing, h _i is its height, which, for a selected radius of curvature R _(-) , takes values in the ranges:

Обтекатели могут быть выполнены в виде углублений, двойных углублений или углублений, размещенных на поверхности основного углубления (фиг.2 - фиг.4).Fairings can be made in the form of recesses, double recesses or recesses located on the surface of the main recess (figure 2 - figure 4).

Поверхность для интенсификации конвективного массо- и теплообмена с газообразной, жидкой средой или их смесями характеризуется тем, что на гладкой поверхности выполнены углубления 1, образованные сопряженными по общим касательным выпуклыми 4 и вогнутыми 2 поверхностями второго порядка, при этом сопряжение углубления с исходно гладкой поверхностью 3 осуществляется с помощью образующих скаты выпуклых поверхностей, для которых в местах сопряжения исходно гладкая поверхность является касательной, причем вогнутая поверхность, образующая донную часть углубления, выполнена гладкой или с обтекателем 5, а отношение глубины h_c углубления к размеру L₁ углубления вдоль направления потока находится в интервале:A surface for intensifying convective mass and heat transfer with a gaseous, liquid medium or mixtures thereof is characterized by the fact that grooves 1 are formed on a smooth surface, formed by convex 4 and concave 2 second-order surfaces that are conjugated by a common tangent, while the groove is paired with an initially smooth surface 3 is carried out with the help of convex surfaces forming slopes, for which, at the interface, the initially smooth surface is tangent, and the concave surface forming the bottom part of the recess is made smooth or with a cowl 5, and the ratio of the depth h _{c of the} recess to the size L _{1 of the} recess along the flow direction is in the range:

отношение поперечного размера к продольному размеру углубления находится в интервале:the ratio of the transverse dimension to the longitudinal dimension of the recess is in the range:

Углубления нанесены либо механическим, либо электрохимическим способами, либо формированием и полимеризацией защитного слоя, либо обработкой поверхности лазерным лучом, либо с использованием комбинаций из этих способов.The recesses were applied either by mechanical or electrochemical methods, or by the formation and polymerization of a protective layer, or by surface treatment with a laser beam, or using combinations of these methods.

Радиус углубления r_sp вогнутой сферической части криволинейной поверхности имеет радиус кривизны R_(-) и определяется соотношением:The radius of the recess r _{sp of the} concave spherical part of the curved surface has a radius of curvature R _(-) and is determined by the ratio:

где h_sp - глубина вогнутой сферической части углубления; при этом радиус кривизны выпуклой части углубления R₍₊₎ его скатов связан с глубиной h_c и его радиусом r_c соотношением:where h _sp is the depth of the concave spherical part of the recess; the radius of curvature of the convex part of the indentation R _{(+) of} its slopes is related to the depth h _c and its radius r _{c with the} ratio:

Обтекатели 5 могут иметь форму тел вращения, имеющих криволинейное основание в виде части вогнутой поверхности углубления, при этом проекция на любую плоскость, в которой лежат ось симметрии этих обтекателей и касательная к точке пересечения оси их симметрии с вогнутой поверхностью углубления, определяется соотношением:The fairings 5 can be in the form of bodies of revolution having a curved base in the form of a part of the concave surface of the recess, while the projection onto any plane in which the axis of symmetry of these fairings lie and tangent to the point of intersection of the axis of symmetry with the concave surface of the recess is determined by the ratio:

На поверхности теплообменной пластины 6 углубления 1 могут быть расположены в шахматном или коридорном порядке.On the surface of the heat exchange plate 6, the recesses 1 can be staggered or corridor-like.

Размер углублений и их глубина могут увеличиваться или уменьшаться по направлению потока вдоль пластины.The size of the recesses and their depth may increase or decrease in the direction of flow along the plate.

Вокруг углублений большего размера могут быть симметрично расположены углубления с меньшими размерами и глубинами. На другой стороне пластины 6 могут быть расположены выступы, ответные углублениям. На другой стороне пластины могут быть расположены ребра 7, ориентированные вдоль пластины по направлению потока.Around recesses of a larger size, recesses with smaller dimensions and depths can be symmetrically located. On the other side of the plate 6, protrusions corresponding to the recesses may be located. On the other side of the plate can be located ribs 7, oriented along the plate in the direction of flow.

Углубления на другой стороне пластины могут быть расположены симметрично или несимметрично относительно углублений основной стороны. Дополнительная поверхность пластины 12 может быть размещена относительно основной поверхности пластины 6 с образованием теплообменного канала, при этом поверхности основной и дополнительной пластин с углублениями обращены друг к другу и расположены параллельно за счет дистанционирующих элементов 8 в виде выступов сферической, конической, цилиндрической или иной форм.The recesses on the other side of the plate can be located symmetrically or asymmetrically with respect to the recesses of the main side. The additional surface of the plate 12 can be placed relative to the main surface of the plate 6 with the formation of a heat exchange channel, while the surfaces of the main and additional plates with recesses face each other and are located in parallel due to the spacing elements 8 in the form of protrusions of a spherical, conical, cylindrical or other shape.

На поверхности трубы 9 углубления могут быть расположены вдоль и поперек трубы в шахматном или коридорном порядке.On the surface of the pipe 9, the recesses can be located along and across the pipe in a checkerboard or corridor order.

Размер углублений и их глубина могут увеличиваться или уменьшаться по направлению потока или поперек него.The size of the recesses and their depth can increase or decrease in the direction of the flow or across it.

На внутренней поверхности трубы 9 могут быть расположены сферические выступы (не показано), продольные ребра 10, или поперечные ребра 11, или скрученная лента 13 с углублениями.On the inner surface of the pipe 9, spherical protrusions (not shown), longitudinal ribs 10, or transverse ribs 11, or a twisted tape 13 with recesses can be located.

Углубления на внутренней поверхности трубы могут быть расположены симметрично или асимметрично относительно углублений на наружной поверхности.The recesses on the inner surface of the pipe can be located symmetrically or asymmetrically with respect to the recesses on the outer surface.

На внутренней поверхности трубы могут быть расположены углубления, размер и глубина которых увеличиваются или уменьшаются по направлению потока вдоль трубы.On the inner surface of the pipe can be located recesses, the size and depth of which increase or decrease in the direction of flow along the pipe.

На внутренней поверхности трубы могут быть расположены углубления, и внутри трубы установлена изогнутая скрученная лента с углублениями.Recesses may be located on the inner surface of the pipe, and a curved twisted strip with recesses is installed inside the pipe.

Радиусы кривизны рельефа, радиусы следов углублений на формуемой поверхности, глубины рельефа и параметры обтекателя в случае его устройства в углублениях определяются по вышеприведенным соотношениям и диапазонам, поименованным буквами (А), (В), (С), (D), (Е), (F), (H), (I), (J), (К) и (Q). Например, выбирают канал или тело, функционирование которых связано с относительным движением их поверхности и сплошной среды. Определяют основные аэрогидродинамические характеристики потоков газов, жидкостей или их двухфазных смесей в случае формирования предлагаемого течения со встроенными смерчеобразными струями в каналах или аналогичные характеристики для тела, движущегося в указанных выше средах. Устанавливают диапазоны возможного изменения теплофизических свойств рабочей среды, характерный размер, определяющий режим относительного движения сплошной среды и поверхности, вычисляют числа Рейнольдса (Re) и определяют возможные диапазоны их изменения.The radii of curvature of the relief, the radii of the traces of the recesses on the formed surface, the depth of the relief and the parameters of the fairing in the case of its arrangement in the recesses are determined by the above ratios and ranges named by the letters (A), (B), (C), (D), (E) , (F), (H), (I), (J), (K) and (Q). For example, choose a channel or body, the functioning of which is associated with the relative motion of their surface and continuous medium. The main aero-hydrodynamic characteristics of the flows of gases, liquids or their two-phase mixtures are determined in the case of the formation of the proposed flow with built-in tornado-like jets in the channels or similar characteristics for a body moving in the above environments. The ranges of possible changes in the thermophysical properties of the working medium are established, the characteristic size that determines the mode of relative motion of the continuous medium and surface, the Reynolds numbers (Re) are calculated and the possible ranges of their changes are determined.

В соответствии с результатом проведенного анализа варьируют числа Re с целью подбора возможных величин радиусов (размеров) следа углублений на формуемой поверхности, стремясь разместить их цельночисленные количества вдоль и поперек течения или в направлении движения тела. В соответствии с задачей, решаемой с помощью формирования течения со встроенными смерчеобразными струями, выбирают форму углублений, радиусы их кривизны, а также плотность рельефа f, пользуясь диапазонами их изменений, обозначенными буквами (А), (В), (С), (Е) и (Q). Учитывая, что величинаIn accordance with the result of the analysis, the Re numbers are varied in order to select the possible radii (sizes) of the trace of the recesses on the moldable surface, trying to place their integral numbers along and across the flow or in the direction of movement of the body. In accordance with the problem solved by forming a flow with built-in tornado-like jets, the shape of the recesses, the radii of their curvature, and the relief density f are selected using the ranges of their changes indicated by the letters (A), (B), (C), (E ) and (Q). Given that the quantity

подбирают t₁ и t₂ - поперечный и продольный шаги расположения углублений на исходно гладкой поверхности, соответственно таким образом, чтобы при наилучшем приближении к заданной величине f количество углублений вдоль и поперек формуемой поверхности было бы цельночисленным. Вслед за подбором величин f, t₁ и t₂ определяют радиус следа углубления на поверхности из соотношения:t ₁ and t ₂ are selected — the transverse and longitudinal steps of the location of the recesses on the initially smooth surface, respectively, so that, when best approximated to the given value f, the number of recesses along and across the moldable surface would be integer. Following the selection of f, t ₁ and t ₂ , the radius of the trace of the recess on the surface is determined from the relation:

Используя диапазон значений h_c/r_c, обозначенный буквами (А) или (Н), в зависимости от решаемой задачи, вычисляют глубину h_c конструируемого рельефа. В соответствии с выбранными радиусами кривизны, плотностью углублений, размерами следов и глубин рельефа разрабатывают технологию формования поверхности, готовят соответствующий инструмент и изготавливают каналы или несущие поверхности.Using the range of values h _c / r _c indicated by the letters (A) or (H), depending on the problem being solved, the depth h _{c of the} constructed relief is calculated. In accordance with the chosen radii of curvature, the density of the recesses, the size of the tracks and the depths of the relief, a surface molding technology is developed, a suitable tool is prepared, and channels or bearing surfaces are made.

Предлагаемое изобретение основано на обнаруженном авторами примерно 30 лет назад феномене самоорганизации квазипотенциальных смерчеобразных струй газов, жидкостей и/или их двухфазных смесей в углублениях, имеющих граничную поверхность второго порядка, и перестройки на таких поверхностях пограничного слоя при обтекании потоками этих сред поверхностей с углублениями. Этот феномен экспериментально исследован, теоретически описан, визуализирован и испытан в лабораторных и натурных условиях в широком интервале скоростей и давлений, в том числе в диапазонах дозвуковых и сверхзвуковых скоростей воздушных потоков и при критических и закритических параметрах жидких теплоносителей.The present invention is based on the phenomenon of self-organization of quasipotential tornado-like jets of gases, liquids and / or their two-phase mixtures in recesses having a second-order boundary surface discovered by the authors about 30 years ago and rearrangement on such surfaces of the boundary layer when these media flow around surfaces with recesses. This phenomenon has been experimentally investigated, theoretically described, visualized and tested in laboratory and field conditions in a wide range of velocities and pressures, including in the ranges of subsonic and supersonic air flow velocities and at critical and supercritical parameters of liquid coolants.

Поля скоростей и давлений в обнаруженных смерчеобразных струях описываются точными решениями основных нестационарных уравнений гидродинамики вязкой жидкости (уравнения Навье-Стокса и неразрывности), а знания и опыт, накопленные при исследованиях и разработках формованных поверхностей, обеспечили установление необходимых и достаточных условий для их формирования, что является предметом изобретения.The velocity and pressure fields in the tornado-like jets detected are described by exact solutions of the basic non-stationary equations of viscous fluid hydrodynamics (Navier-Stokes and continuity equations), and the knowledge and experience gained in the research and development of molded surfaces provided the necessary and sufficient conditions for their formation, which is the subject of the invention.

Обнаруженные струи и процесс их самоорганизации названы нами Tornado Like Jet (TLJ) и Tornado Like Jet Self Organization Process (TLJSOP) соответственно; поверхность, на которой возникает TLJSOP, названа TLJ-Surface (TLJS), а технологии, использующие такие струи, - Tornado Like Jet Technologies (TLJT).The detected jets and the process of their self-organization were named by us Tornado Like Jet (TLJ) and Tornado Like Jet Self Organization Process (TLJSOP), respectively; the surface on which TLJSOP emerges is called TLJ-Surface (TLJS), and the technologies that use these jets are called Tornado Like Jet Technologies (TLJT).

Многочисленные аэрогидродинамические и теплофизические эксперименты, разработки и испытания опытных и натурных образцов поточной техники и транспортных агрегатов с высокой достоверностью указывают на снижение с помощью TLJT напряжений трения на обтекаемых поверхностях (см. фиг.8-10) иNumerous aerohydrodynamic and thermophysical experiments, the development and testing of experimental and field models of flow equipment and transport units with high reliability indicate a decrease with the help of TLJT friction stresses on streamlined surfaces (see Fig. 8-10) and

интенсификацию тепломассообмена при отстающих от меры ее увеличения гидравлических потерях. При этом TLJ формируются в потоках газов, жидкостей и в их смесях при практически важных режимах движения сплошной среды, соответствующих числам Рейнольдса Re≥5·10², вычисленным по геометрическим размерам выбранного криволинейного рельефа, например по диаметру симметричных углублений d_c или по их глубине h_c, определяющим характеристики вторичного потока в углублении.intensification of heat and mass transfer with hydraulic losses lagging behind the measure of its increase. In this case, TLJs are formed in flows of gases, liquids, and in their mixtures at practically important regimes of continuous medium motion corresponding to Reynolds numbers Re≥5 · 10 ² calculated from the geometrical dimensions of the chosen curvilinear relief, for example, by the diameter of symmetrical recesses d _c or by their depth h _c defining the characteristics of the secondary flow in the recess.

Визуализация процесса формирования TLJ-течений, приводимая на фотографиях фиг.5, 6, 7 и 8, позволяет видеть вытянутую из углубления и встроенную в натекающий поток радиально сходящуюся смерчеобразную струю, продольный размер которой существенно превосходит поперечный, а ее пространственная ориентация в потоке указывает на связь одного торца струи с криволинейной поверхностью углубления, из которого струя отсасывает массу сплошной среды и истекает, и на связь второго ее торца либо с криволинейной поверхностью соседнего углубления, расположенного вниз по течению, в которое смерчеобразная струя вдувает отсосанную из углубления массу сплошной среды, либо с принимающей эту массу соответствующей зоной основного течения, где давления и скорости закрученной струи сшиваются с давлением и скоростью потока.The visualization of the formation of TLJ flows, shown in the photographs of FIGS. 5, 6, 7, and 8, allows one to see a radially converging tornado jet extended from the cavity and built into the flowing stream, the longitudinal dimension of which substantially exceeds the transverse one, and its spatial orientation in the stream indicates the connection of one end of the jet with the curved surface of the recess, from which the jet sucks the mass of the continuous medium and expires, and the connection of its second end or with the curved surface of the adjacent recess, is located ennogo downstream, in which blows tornado sucked out from the recess weight of the continuous medium or from host this mass corresponding zone of the main flow, wherein the pressure and velocity swirling jet stitched with the pressure and flow rate.

Экспериментально доказано, что смерчеобразные струи (TLJ) самоорганизуются на TLJS в углублениях описываемого ниже специального рельефа при относительном движении формованной граничной поверхности и вязкой сплошной среды.It has been experimentally proved that tornado-like jets (TLJs) self-organize on TLJS in the recesses of the special relief described below with the relative motion of the molded boundary surface and a viscous continuous medium.

При этом течение среды или движение тел в среде характеризуются числами Рейнольдса, вычисленными по размеру углублений вдоль потока или в направленииIn this case, the flow of the medium or the motion of bodies in the medium is characterized by Reynolds numbers calculated by the size of the recesses along the flow or in the direction

движения тела - Re≥500, причем выбранные формы и размеры кривизны выпуклых и вогнутых частей рельефа инициируют действие на поток поля сил, отсутствующих при обтекании гладких поверхностей, и перестройку пограничного слоя течения из сдвигового на исходно гладких его участках в состоящий из поверхностных вихрей типа вихрей Гертлера или их ансамблей трехмерный вихревой пограничный слой на криволинейной поверхности.body movements - Re≥500, and the selected shapes and sizes of curvature of the convex and concave parts of the relief initiate the action on the field flow of forces absent when flowing around smooth surfaces, and the rearrangement of the boundary layer of the flow from the shear on its initially smooth sections to consisting of surface vortices such as vortices Gertler or their ensembles three-dimensional vortex boundary layer on a curved surface.

Безразмерное соотношение (К), составленное из значений радиус-вектора кривизны поверхности R₍₊₎ или R_(-) (далее всюду - радиус), вязкости среды ν, величины вектора скорости невозмущенного потока сплошной среды U_∞ и толщины потери импульса δ₂(х) в пограничном слое течения, являясь критерием устойчивости по отношению к возникновению в пограничном слое поверхностных вихрей типа вихрей Гертлера, указывает на возможность управления вихревым пограничным слоем с помощью параметров потока сплошной среды и радиуса кривизны обтекаемой поверхности. В пограничном слое такого типа, названном нами мелкодисперсный подвижный пограничный слой [Finely Dispersible Mobil Boundary Layer (FDMBL)], характер напряжений трения на криволинейных поверхностях изменяется, превращаясь из сдвигового в определяемый трением качения. Такое качество является одним из основных достоинств предлагаемой TLJS, необходимым условием для самоорганизации TLJ и одной из основных причин снижения напряжений трения при обтекании криволинейных вогнутых рельефов. Наличие трехмерного вихревого пограничного слоя (FDMBL) обеспечивает условия для сопряжения TLJ с вогнутой поверхностью углублений и не приводит при этом к диссипации энергии во вращающемся потоке, разрушающей, как известно, вихревые системы, формируемые на гладких поверхностях, где действуют условия «прилипания» Л.Прандтля,The dimensionless ratio (K), composed of the values of the radius vector of surface curvature R ₍₊₎ or R _(-) (hereinafter referred to as the radius), the viscosity of the medium ν, the velocity vector of the unperturbed flow of the continuous medium U _∞ and the pulse loss thickness δ ₂ ( x) in the boundary layer of the flow, being a criterion of stability with respect to the appearance of surface vortices such as Gertler vortices in the boundary layer, indicates the possibility of controlling the vortex boundary layer using the parameters of the flow of a continuous medium and the radius of curvature of the streamlined surface. In this type of boundary layer, which we called the finely dispersed mobile boundary layer (FDMBL), the nature of the friction stresses on curved surfaces changes, turning from shear to friction-driven rolling. This quality is one of the main advantages of the proposed TLJS, a prerequisite for self-organization of the TLJ, and one of the main reasons for the reduction of friction stresses when flowing around curved concave reliefs. The presence of a three-dimensional vortex boundary layer (FDMBL) provides the conditions for the conjugation of TLJ with the concave surface of the recesses and does not lead to dissipation of energy in a rotating flow, which destroys, as is known, vortex systems formed on smooth surfaces where the “sticking” conditions of L. Prandtl,

требующие уравнять скорость потока со скоростью обтекаемой поверхности, и отсутствует FDMBL. В случае трехмерного вихревого слоя это условие выполняется опосредованно через поверхностные вихри, возникающие в торцах формируемой смерчеобразной струи, «оседлавшей» эти поверхностные структуры (см. фиг.11). Поверхностные вихри FDMBL, двигаясь по криволинейному рельефу аналогично катку или колесу, имеют в точках контакта с поверхностью или на линии сопряжения с ней скорость, как указано выше, равную скорости поверхности, в случае TLJS покоящихся каналов или пластин равную нулю, а в случае TLJS, движущейся с заданной скоростью U_∞, равную этой скорости, что и соответствует условиям «прилипания». Остальные точки поверхности этих вихрей движутся с отличными от нуля скоростями, соответствующими скорости порождающего эти вихри и сшитого с ними смерчеобразного закрученного потока (см. фото фиг.11). В случае TLJ ансамбль вихрей, образующих FDMBL, формируется самим закрученным течением в торцах струи на криволинейной поверхности и используется смерчеобразным вихрем, образно говоря, для качения на этих вихрях по поверхности углубления. Этим объясняется механизм уменьшения диссипации энергии в самоорганизующихся смерчеобразных струях. Помимо этого процесса, пограничный слой на криволинейной поверхности структурируется в крупные образования, состоящие из вихрей в виде микроскопических «косичек», визуализированных на фотографии фиг.11. Самоорганизующиеся вихревые струи, как указывалось выше, отсасывают с поверхности углубления и с окружающей его гладкой части рельефа пограничный слой, состоящий из таких «косичек», перенося отсосанную массу в основной поток. Каждая из таких «косичек» существенно превосходит по массе и объему турбулентные моли, определяющие эффективность механизмов тепломассообмена в турбулентныхrequiring equalizing the flow rate with the speed of the streamlined surface, and there is no FDMBL. In the case of a three-dimensional vortex layer, this condition is fulfilled indirectly through the surface vortices arising at the ends of the formed tornado-like jet, which "saddled" these surface structures (see Fig. 11). FDMBL surface vortices moving along a curvilinear relief similarly to a roller or wheel have, at the points of contact with the surface or on the interface line with it, the speed, as indicated above, equal to the surface speed, in the case of resting channels or plates TLJS, equal to zero, and in the case of TLJS, moving at a given speed U _∞ equal to this speed, which corresponds to the conditions of "sticking". The remaining surface points of these vortices move with nonzero velocities corresponding to the velocities of the vortices generating these vortices and stitched with them in a tornado-like swirling flow (see photo of Fig. 11). In the case of TLJ, the ensemble of vortices forming FDMBL is formed by the swirling flow itself at the ends of the jet on a curved surface and is used by a tornado vortex, figuratively speaking, for rolling on these vortices along the surface of the recess. This explains the mechanism for reducing energy dissipation in self-organizing tornado-like jets. In addition to this process, the boundary layer on a curved surface is structured into large formations, consisting of vortices in the form of microscopic “plaits” visualized in the photograph of Fig. 11. Self-organizing vortex jets, as mentioned above, suck off the boundary layer consisting of such “braids” from the surface of the recess and from the smooth part of the relief surrounding it, transferring the suction mass to the main stream. Each of these “braids” significantly exceeds the mass and volume of turbulent moths, which determine the efficiency of heat and mass transfer mechanisms in turbulent

потоках, что объясняет преимущества TLJS по сравнению с другими формами рельефов, традиционно используемых для интенсификации тепломассообмена.flows, which explains the advantages of TLJS in comparison with other forms of reliefs traditionally used to intensify heat and mass transfer.

Трехмерный рельеф углублений и самоорганизующиеся в нем TLJ превращают обтекаемую формованную поверхность:The three-dimensional relief of the recesses and the TLJ self-organizing in it transform the streamlined molded surface:

- в систему стоков рабочей сплошной среды из пограничного слоя течения в углубления, причем сток обеспечивается ускорением течения на выпуклых скатах рельефа, обуславливающим понижение статического давления в этой зоне формирования струи, а скорость стока определяется выбранной формой и кривизнами граничной поверхности;- into the system of runoffs of a working continuous medium from the boundary layer of the current into the recesses, moreover, the flow is provided by the acceleration of the flow on convex slopes of the relief, causing a decrease in static pressure in this zone of the formation of the jet, and the flow rate is determined by the chosen shape and curvature of the boundary surface;

- в систему источников смерчеобразных струй, истекающих и отсасывающих из углублений поверхностные вихри и завихренность из FDMBL, формируемого на участках криволинейной поверхности, перенося в основной поток, как указано выше, массы сплошной среды, стекающие в углубления в виде крупных образований - макроскопических «косичек», визуализированных на фотографии фиг.11.- to the system of sources of tornado-like jets flowing out and sucking from the recesses, surface vortices and vorticity from FDMBL formed on the sections of a curved surface, transferring to the main stream, as indicated above, the masses of a continuous medium flowing into the recesses in the form of large formations - macroscopic “pigtails” rendered in the photograph of FIG. 11.

Механизмы этих процессов, как указано выше, снижают напряжения трения на формованных поверхностях, интенсифицируя на них процессы тепло- и массообмена; при этом закономерности этих процессов на поверхностях с выпукло-вогнутыми рельефами существенно отличаются от закономерностей, описывающих процессы трения и обмена при обтекании условно гладких и шероховатых поверхностей, «рождающих» турбулентность в пристенных слоях течения, например, за счет естественной или искусственной шероховатости.The mechanisms of these processes, as indicated above, reduce friction stresses on molded surfaces, intensifying heat and mass transfer processes on them; in this case, the laws of these processes on surfaces with convex-concave reliefs differ significantly from the laws that describe the processes of friction and exchange during flow around relatively smooth and rough surfaces that “generate” turbulence in the near-wall layers of the flow, for example, due to natural or artificial roughness.

Смерчеобразные струи формируются, как указано выше, в углублениях на границах раздела «поверхность - движущаяся среда» под действием сил, обусловленных формами выбранного рельефа, в том числе:Tornado jets are formed, as indicated above, in the recesses at the interface “surface - moving medium” under the action of forces due to the shapes of the selected relief, including:

- сил торможения, возникающих под действием динамического давления потока на нижних по потоку скатах углублений, вызывающих в меру квадрата величины скорости натекающего течения U_in ² упругое отражение потока от вогнутых скатов и возникновение в вогнутой части углублений возвратного течения, движущегося в придонной области углубления со скоростью, мало отличной от U_in. (U - скорость потока, втекающего в углубление, измеренная на границе сопряжения углубления с исходно гладкой поверхностью в точке на высоте 0,1 мм над ней и в возвратном потоке внутри углубления в лежащей на центральном меридиане точке на нижних по потоку скатах). На скатах, встречающих натекающий на углубления основной поток, происходит его сшивка с возвратным течением, порождающая внутри углублений вихревую структуру с циркуляцией среды Г₀≅2πRUφ, при этом азимутальная скорость такой циркуляции U_φ≅U_in≅kU_∝, где k<1 отражает особенности профиля скорости течения над обтекаемыми исходно гладкой и криволинейной поверхностями. За счет небольшого различия в скоростях в натекающем потоке и в порождаемом им возвратном течении (по экспериментальным данным различие «k» в возвратном и натекающем потоках составляет ±4%, т.е. не более ~8%) на формируемую в углублении вихревую струю действует пара сил, вызывающая ее дополнительную закрутку и автомодельно поворачивающая смерчеобразный вихрь в углублении на угол β~45° относительно направления основного потока.- braking forces arising under the action of the dynamic pressure of the flow on the lower slopes of the recesses, causing, to the extent of the squared magnitude of the velocity of the incoming current, U _in ^{2, the} elastic reflection of the flow from the concave slopes and the appearance of a return flow in the concave part of the recesses, moving in the bottom region of the recess with speed slightly different from U _in . (U is the velocity of the flow flowing into the recess, measured at the interface between the recess and the initially smooth surface at a point at a height of 0.1 mm above it and in the return flow inside the recess at a point lying on the central meridian on the downstream slopes). On slopes meeting the main stream flowing into the recesses, it cross-links with the return flow, generating a vortex structure inside the recesses with the medium circulating Г ₀ ≅2πRUφ, and the azimuthal velocity of such circulation is U _φ ≅U _in ≅kU _∝ , where k <1 reflects Peculiarities of the flow velocity profile over streamlined, initially smooth and curved surfaces. Due to the small difference in the velocities in the inflowing stream and in the return flow generated by it (according to experimental data, the difference “k” in the return and flowing flows is ± 4%, ie, no more than ~ 8%) on the vortex stream formed in the recess a pair of forces causing its additional twist and self-similarly turning a tornado-like vortex in the depression by an angle β ~ 45 ° relative to the direction of the main flow.

- массовых сил инерции, направленных по радиусам кривизны углублений к их центру и формирующих на выпуклых скатах рельефа в движущейся среде двумерное поле скоростей, содержащее радиальную U_r и азимутальную U_φ по отношению к центральной оси углубления компоненты скорости. При этом движение среды по криволинейным выпуклым скатам приводит к снижению вероятности отрывов потока и, как указывалось выше, к формированию на них трехмерного вихревого пограничного слоя FDMBL. Характеристики поверхностных вихрей, возникающих в таком слое на криволинейной поверхности, зависят, как известно, от скорости U_in, состояния пограничного слоя (ламинарный, турбулентный), толщины потери импульса δ₂ в нем и радиусов кривизны выпукло-вогнутого рельефа R₍₊₎ и R_(-) соответственно. Подобный пограничный слой, как указано выше, снижает уровень диссипации энергии в потоке, уменьшая вероятность его отрывов от выпуклой поверхности скатов, и придает течению в углублении высокую динамичность за счет преобразования сдвигового пограничного слоя в трехмерный вихревой, с которым сшито формируемое закрученное течение. Дальнейшее формирование смерчеобразных струй происходит на вогнутых скатах углублений также под действием массовых сил инерции, направленных в этой зоне от поверхности в основной поток по радиусам кривизны к ее центру. Выбором геометрической формы выпукло-вогнутых участков граничной поверхности и соответствующих ей радиусов кривизны рельефа углублений обуславливают действие на формируемую закрученную струю сил инерции, придающих этому вторичному течению продольную компоненту скорости U_z. Эта компонента возникает за счет действия на поток, стекающий в углубления со скоростью U=(U_φ ²+U_r ²)^0,5, ускорений a=U²/R, направленных по радиусам кривизны R от вогнутой поверхности в поток и придающих струе дополнительную радиальную сходимость, увеличивая, по мере уменьшения ее радиуса r_i, азимутальную скорость вторичного течения U_φ, и определяемый ею и продольной скоростью U_z продольный градиент давления. Подобный механизм обеспечивает в TLJ эпюру давления, необходимую для переноса и вдува массы отсасываемой смерчеобразными струями среды, на поверхность, лежащую вниз по потоку, или в основное течение;- mass inertia forces directed along the radii of curvature of the recesses to their center and forming a two-dimensional velocity field on the convex slopes of the relief in a moving medium, containing a radial U _r and azimuthal U _φ relative to the central axis of the recess velocity components. In this case, the motion of the medium along curved convex slopes leads to a decrease in the probability of flow separation and, as mentioned above, to the formation of a three-dimensional vortex boundary layer FDMBL on them. The characteristics of the surface vortices arising in such a layer on a curved surface depend, as is well known, on the velocity U _in , the state of the boundary layer (laminar, turbulent), the pulse loss thickness δ ₂ in it, and the radii of curvature of the convex-concave relief R ₍₊₎ and R _(-), respectively. Such a boundary layer, as indicated above, reduces the level of energy dissipation in the flow, reducing the likelihood of its separation from the convex surface of the slopes, and gives the current in the recess a high dynamism due to the conversion of the shear boundary layer into a three-dimensional vortex with which the formed swirl flow is crosslinked. Further formation of tornado-like jets occurs on concave slopes of the recesses also under the influence of mass inertia forces directed in this zone from the surface into the main stream along the radii of curvature to its center. The choice of the geometric shape of the convex-concave sections of the boundary surface and the corresponding radii of curvature of the relief of the recesses determine the effect on the formed swirling jet of inertia, which impart a longitudinal velocity component U _{z to} this secondary flow. This component arises due to the action on the stream flowing into the recesses with a speed U = (U _φ ² + U _r ² ) ^0.5 , accelerations a = U ² / R directed along the radii of curvature R from the concave surface into the stream and imparting to the jet additional radial convergence, increasing, as its radius r _i decreases, the azimuthal velocity of the secondary flow U _φ , and the longitudinal pressure gradient determined by it and the longitudinal velocity U _z . A similar mechanism provides the TLJ pressure plot necessary for transferring and blowing mass of a medium sucked off by tornado-like jets onto a surface lying downstream or into the main flow;

- сил типа силы Магнуса, возникающих за счет взаимодействия основного потока, натекающего на углубления, со смерчеобразным вихрем, циркуляция Г₀ в углублении порождает подъемную силу F, зависящую от скорости натекающего течения U_in, и эффективный размер вихревой структуры поперек течения L;- forces such as the Magnus force arising due to the interaction of the main stream flowing into the recesses with a tornado-like vortex, the circulation Г ₀ in the recess generates a lifting force F, which depends on the speed of the flowing current U _in , and the effective size of the vortex structure across the flow L;

F≅ρU_inГ₀L,F≅ρU _in Г ₀ L,

направленную от вогнутой части криволинейной поверхности в поток по нормали к плоскости, в которой расположены вектор скорости основного течения и вектор, определяемый направлением циркуляции в вихревых структурах, где U_in и Г₀ определены выше, а ρ - плотность сплошной среды в вихре.directed from the concave part of the curved surface into the flow normal to the plane in which the velocity vector of the main flow and the vector determined by the direction of circulation in the vortex structures are located, where U _in and Г _{0 are} defined above, and ρ is the density of the continuous medium in the vortex.

Эти силы совместно с действующими на вогнутой части рельефа массовыми силами инерции обеспечивают «застройку» смерчеобразных вихрей в натекающее течение, вытягивают один из торцов вихря и его «хобот» в основной поток.These forces, together with the mass inertia forces acting on the concave part of the relief, provide for the "building up" of tornado-like vortices in the flowing stream, pulling one of the ends of the vortex and its "trunk" into the main stream.

Величины перечисленных выше сил и направления их действия на структуру формируемого течения управляются, как указано выше, задаваемыми формами углублений двойной кривизны, плотностью их расположения по отношению к площади исходно гладкой поверхности и режимами движения потока обтекающей среды. Например, в процессе обтекания углублений, форма которых имеет центральную осевую симметрию и определяется радиусами кривизны R₍₊₎ и R_(-), на поток сплошной среды, характеризуемый числами Рейнольдса Re≥500, рассчитанными по диаметру d_c=2r_c, следа углубления на формуемой поверхности и движущийся над выпуклыми скатами углублений со скоростью U_in, действуют массовые силы инерции, прижимающие в соответствии со знаком кривизны R₍₊₎ течение к выпуклым скатам. Эти силы уменьшают вероятность отрыва потока от криволинейной поверхности углубления и сообщают втекающему в него течению большую или меньшую, в зависимости от выбранных радиусов кривизны, радиальную сходимость и азимутальную скорость U_φ. Такое движение, как указано выше, формирует между криволинейной поверхностью и смерчеобразным потоком FDMBL, причем такой пограничный слой сопровождает формируемое течение и на вогнутой части углубления. Поверхностные вихри типа вихрей Гертлера придают закрученной струе в углублении динамичность относительно криволинейной поверхности, стабилизируют ее истечение в основной поток, выстраивая из этих вихрей обтекатель, образованный структурой закрученного смерчеобразного течения и криволинейной формой углубления (см. фотографию фиг.11).The magnitudes of the forces listed above and the directions of their action on the structure of the formed flow are controlled, as indicated above, by the specified shapes of the double-curvature depressions, their density with respect to the area of the initially smooth surface, and the flow regimes of the flowing medium. For example, in the process of flowing around recesses, the shape of which has central axial symmetry and is determined by the radii of curvature R ₍₊₎ and R _(-) , to the flow of a continuous medium characterized by Reynolds numbers Re≥500 calculated from the diameter d _c = 2r _{c of the} trace of the recess on the moldable surface and moving over the convex slopes of the recesses with a speed U _in , mass inertia forces act, compressing the flow to the convex slopes in accordance with the sign of curvature R ₍₊₎ . These forces reduce the probability of separation of the flow from the curved surface of the recess and inform the flowing into it of the flow greater or lesser, depending on the chosen radii of curvature, radial convergence and azimuthal velocity U _φ . Such a movement, as indicated above, forms between the curved surface and the tornado-like flow of FDMBL, and such a boundary layer accompanies the formed flow on the concave part of the recess. Surface vortices such as Gertler’s vortices give the swirling jet in the recess dynamism with respect to a curved surface, stabilize its outflow into the main stream by constructing a fairing from these vortices, formed by the structure of the swirling tornado-like flow and the curved shape of the recess (see photo of Fig. 11).

В соответствии с изложенными основаниями границе раздела «сплошная среда - обтекаемая поверхность» придают криволинейную форму в виде регулярно чередующихся углублений двойной кривизны, создающих силовое воздействие, обеспечивающее в потоке самоорганизацию в этих зонах FDMBL и вторичных закрученных струй, направленных из указанной приповерхностной зоны потока в основное течение. При этом возникающие силы вызывают независимое силовое воздействие на движущуюся среду, приводящее к искривлению форм линий тока течения и, как следствие, к самоорганизации смерчеобразных струй.In accordance with the grounds stated, the “continuous medium - streamlined surface” interface is curved in the form of regularly alternating double-curvature depressions that create a force effect that ensures self-organization in the flow in these FDMBL zones and secondary swirling jets directed from the indicated near-surface zone of the flow to the main flow. In this case, the arising forces cause an independent force impact on the moving medium, which leads to a curvature of the forms of flow stream lines and, as a result, to self-organization of tornado-like jets.

Рельеф углублений, наносимый на обтекаемые поверхности, как установлено в теоретических и экспериментальных исследованиях, изменяет на граничных поверхностях структуру пограничного слоя потока, порождает самоорганизацию смерчеобразных струй, отсасывающих часть сплошной среды, сосредоточенной в зоне расположения углублений на обтекаемой поверхности, влияя на уровень диссипации энергии потока и интенсифицируя обменные процессы между закрученной струей и поверхностью. Выбор радиусов кривизны и размеров криволинейных участков обтекаемой поверхности осуществляют на основании теоретических расчетов, подтвержденных в экспериментальных исследованиях, обеспечивают технологию их нанесения на поверхности и выполнение условий самоорганизации вторичных смерчеобразных струй, встроенных в обтекающее течение. Поток рабочей сплошной среды либо направляют на поверхности, формованные углублениями, либо рельеф указанной формы наносят на поверхность тел, движущихся в среде газов, жидкостей или в их двухфазных смесях, достигая при этом уменьшения напряжений трения на формованных поверхностях и интенсифицируя процессы массо- и теплообмена между энергообменной поверхностью и потоками сплошной среды.The relief of depressions applied to streamlined surfaces, as established in theoretical and experimental studies, changes the structure of the boundary layer of the flow on the boundary surfaces, generates self-organization of tornado-like jets, sucking off a part of the continuous medium concentrated in the zone where the recesses are located on the streamlined surface, affecting the level of flow energy dissipation and intensifying the exchange processes between the swirling jet and the surface. The choice of the radii of curvature and the size of the curved sections of the streamlined surface is carried out on the basis of theoretical calculations confirmed in experimental studies, they provide the technology of their deposition on the surface and the self-organization conditions of the secondary tornado-like jets built into the flowing stream are fulfilled. The flow of a working continuous medium is either directed to surfaces formed by recesses, or a relief of the indicated form is applied to the surface of bodies moving in a medium of gases, liquids, or in their two-phase mixtures, while achieving a decrease in the friction stresses on the formed surfaces and intensifying the processes of mass and heat transfer between energy exchange surface and flows of continuous medium.

Предлагаемые поверхности используется для снижения аэрогидродинамического сопротивления напорных каналов и различных тел, находящихся в состоянии относительного движения со сплошной средой, и/или для повышения функциональной эффективности энергообменных процессов и оборудования, в том числе теплообменных и массообменных процессов, а также в других областях, везде, где в сравнении с традиционными способами массо- и теплообмена требуется интенсифицировать обменные процессы при ограниченном росте или снижении гидравлического сопротивления и уменьшить кавитационный износ поверхностей гидротурбин, гидравлических насосов, винтов судовых движителей и других аппаратов, работающих в жидкой среде. В частности, изобретение находит применение в различных видах транспорта, в том числе в самолетах, автомобилях, скоростных железнодорожных поездах, морских и речных судах, в газотурбинных агрегатах с охлаждаемыми лопатками, в ядерно-энергетических урановых сборках, парогенераторах, теплообменниках различного назначения, рекуператорах и других энергообменных аппаратах и устройствах, в бытовой технике, в том числе в кондиционерах, вентиляторах, отопительных приборах, в кухонных принадлежностях, таких как чайники, кастрюли, сковороды и др., в различных видах спортивного инвентаря, включая спортивные автомобили, мотоциклы, велосипеды, спортивные костюмы для мотоспорта, велосипедных гонок, плавания, бега и т.д., в различных биохимических процессах, связанных с движением газообразных или жидкостных реагентов, а также при создании аппаратов и протезов для систем кровообращения, в медицинских приборах для искусственного кровоснабжения, очистки крови от вредных примесей, в аппаратах искусственного дыхания и т.д., другими словами, во всех видах поточных технологий, в которых технологическая эффективность обусловлена движением газов, жидкостей, их двухфазных и/или многокомпонентных смесей.The proposed surfaces are used to reduce the aerohydrodynamic resistance of pressure channels and various bodies in relative motion with a continuous medium, and / or to increase the functional efficiency of energy-exchange processes and equipment, including heat transfer and mass transfer processes, as well as in other areas, everywhere, where, in comparison with traditional methods of mass and heat transfer, it is necessary to intensify metabolic processes with a limited increase or decrease in hydraulic resistance phenomenon and reduce cavitation wear surfaces hydraulic turbines, hydraulic pumps, screws and other marine propulsion devices, working in a liquid medium. In particular, the invention finds application in various modes of transport, including airplanes, automobiles, high-speed rail trains, sea and river vessels, gas turbine units with cooled blades, nuclear power uranium assemblies, steam generators, various heat exchangers, recuperators and other energy exchangers and devices, in household appliances, including in air conditioners, fans, heating appliances, in kitchen utensils, such as kettles, pots, pans, etc. ., in various types of sports equipment, including sports cars, motorcycles, bicycles, tracksuits for motorcycling, cycling, swimming, running, etc., in various biochemical processes associated with the movement of gaseous or liquid reagents, as well as when creating devices and prostheses for circulatory systems, in medical devices for artificial blood supply, purification of blood from harmful impurities, in artificial respiration apparatus, etc., in other words, in all types of flow technologies, in which The biological effectiveness is due to the movement of gases, liquids, their two-phase and / or multicomponent mixtures.

Перечисленные выше направления использования предлагаемого изобретения обуславливают разнообразие вариантов его осуществления. Однако общими для всех возможных вариантов при постановке конкретной задачи являются: определение основных функциональных характеристик процессов или оборудования, которые предполагается улучшить, и основанный на анализе параметров выбор форм, размеров и технологии нанесения рельефов на поверхности.The above areas of use of the invention determine a variety of options for its implementation. However, common to all possible options when setting a specific task are: determining the main functional characteristics of the processes or equipment that are supposed to be improved, and based on the analysis of parameters, the choice of shapes, sizes and technology of applying reliefs on the surface.

Claims

1. The surface of the body to reduce friction with gaseous, liquid media or mixtures thereof, characterized in that depressions are formed on a smooth surface with or without a protective layer, formed by second-order convex and concave surfaces conjugated by a common tangent, while the depression is conjugated with the original a smooth surface is carried out with the help of convex surfaces forming slopes, for which, at the interface, the initially smooth surface is tangent, and the concave surface schaya bottom of the recess is made smooth or with a fairing, and the ratio of depth h _c recess to recess the size L ₁ along the flow direction are in the range 0,001≤h _c / L ₁ ≤0,1, the transverse dimension ratio of L ₂ to recess the longitudinal dimension L _{1 of the} recess is in the range of 0.25≤L ₂ / L ₁ <1 with a density f of the location of the recesses on the surface in the range of 0.05≤f≤0.5.

2. The body surface according to claim 1, on which the recesses are made with longitudinal and / or transverse dimensions, varying along the stream.

3. The body surface according to claim 1, on which the recesses are applied either mechanically or electrochemically, or by molding and polymerizing the protective layer, or by treating the surface with a laser beam.

4. The surface of the body according to claim 1, on which the slopes are formed by a toroidal surface.

5. The surface of the body according to claim 1, on which the slopes are formed by a hyperbolic surface.

6. The surface of the body according to claim 1, on which the slopes are formed by an elliptical surface.

7. The surface of the body according to claim 4, on which the radius of the recess r _{sp of the} concave spherical part of the curved surface having a radius of curvature R _(-) is determined by the ratio:

where h _sp is the depth of the concave spherical part of the recess;
the radius of curvature of the convex part of the recess is associated with its depth h _c and radius r by the ratio:

8. The surface of the body according to claim 1, on which the fairings are in the form of bodies of revolution, the curved base of which is part of the concave surface of the recess, and the projection of the fairing on any plane in which the axis of symmetry of the fairing lie and tangent to the intersection of this axis with the concave surface of the recess determined by the ratio:

where r _i is the radius of the fairing, h _i is its height, which, for a selected radius of curvature R _(-) , takes values in the ranges

9. The surface of the body for the intensification of convective mass and heat transfer with gaseous, liquid media or their mixtures, characterized in that depressions are formed on a smooth surface, formed by second-order conjugate convex and concave surfaces that are conjugate along the common tangent, and the depression is conjugated with an initially smooth surface is carried out with the help of convex surfaces forming slopes, for which, at the interface, the initially smooth surface is tangent, and the concave surface, ar generator of the bottom portion of the recess is made smooth or with a fairing, and the ratio of depth h _c recess to recess the size L ₁ along the flow direction is in the range 0,05≤h _c / L ₁ ≤0,5, the transverse dimension ratio of L ₂ to said longitudinal recess the size L _{1 of the} recess is in the range of 0.25≤L ₂ / L ₁ ≤1 at a density f of the location of the recesses on the surface in the range of 0.1≤f≤0.8.

10. The surface of the body according to claim 9, on which the recesses are made with longitudinal and / or transverse dimensions varying along the stream.

11. The body surface according to claim 9, on which the recesses are applied either mechanically or electrochemically, or by treating the surface with a laser beam, or by molding and polymerizing the surface of the protective layer, or by using various combinations of these methods.

12. The surface of the body according to claim 9, on which the slopes are formed by a toroidal surface.

13. The surface of the body according to claim 9, on which the slopes are formed by a hyperbolic surface,

14. The surface of the body according to claim 9, on which the slopes are formed by an elliptical surface.

15. The surface of the body according to item 12, on which the radius of the recess r _{sp of the} concave spherical part of the curved surface having a radius of curvature R _(-) , is determined by the ratio:

where h _sp is the depth of the concave spherical part of the recess;
the radius of curvature R _{(+) of the} convex part of the recess is associated with its depth h _c and radius r _{c with the} ratio:

16. The body surface according to claim 9, in which the fairings are in the form of bodies of revolution having a curved base in the form of a portion of the concave surface of the recess and projection onto any plane in which the axis of symmetry of these fairings lie and tangent to the point of intersection of the axis of symmetry with the concave surface recesses, and the shape of this projection is determined by the ratio:

17. The surface of the body according to claim 9, made in the form of a plate in which the recesses are staggered or corridor-like.

18. The surface of the body according to 17, on which the size of the recesses and the depth increases or decreases in the direction of flow along the plate.

19. The body surface according to 17, on which around the recesses are located recesses with smaller longitudinal, transverse dimensions and depths.

20. The surface of the body according to 17, on which on the other side of it there are protrusions corresponding to the recesses.

21. The surface of the body according to 17, on which on the other side of the plate are ribs oriented along the plate in the direction of flow.

22. The surface of the body according to 17, on which the recesses are located on the other side of the plate symmetrically or asymmetrically with respect to the recesses of the main side.

23. The surface of the body according to 17, which contains an additional surface of the plate with recesses, placed relative to the main surface with the formation of a heat exchange channel, while the surface of the plates with recesses are facing each other and are located in parallel due to the spacing elements in the form of hemispherical, conical protrusions, cylindrical or other shape.

24. The body surface according to claim 9, made in the form of a pipe, on which the recesses along the pipe and across the pipe are staggered or corridor.

25. The surface of the body according to paragraph 24, on which the size of the recesses and their depth increases or decreases in the direction of flow along / or across the pipe.

26. The surface of the body according to paragraph 24, on which on the inner surface of the pipe there are protrusions having a second-order surface.

27. The surface of the body according to paragraph 24, on which on the inner surface of the pipe there are recesses, the size and depth of which increase or decrease in the direction of flow along or across the pipe.

28. The surface of the body according to paragraph 24 or 27, on which on the inner surface of the pipe are longitudinal ribs with recesses on their surface.

29. The surface of the body according to paragraph 24 or 27, on which on the inner surface of the pipe there are transverse ribs with recesses.

30. The surface of the body according to paragraph 24 or 27, on which inside the pipe there is a curved twisted tape with recesses.

31. The surface of the body according to paragraph 24, on which on the inner surface of the pipe are recesses symmetrically or asymmetrically relative to the recesses on the outer surface.