[go: up one dir, main page]

WO2008033045A1 - Friction reducing surface and a mass and heat transfer enhancing surface - Google Patents

Friction reducing surface and a mass and heat transfer enhancing surface Download PDF

Info

Publication number
WO2008033045A1
WO2008033045A1 PCT/RU2006/000465 RU2006000465W WO2008033045A1 WO 2008033045 A1 WO2008033045 A1 WO 2008033045A1 RU 2006000465 W RU2006000465 W RU 2006000465W WO 2008033045 A1 WO2008033045 A1 WO 2008033045A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
recesses
recess
radius
concave
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/RU2006/000465
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gennady Iraklievich Kiknadze
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to PCT/RU2006/000465 priority Critical patent/WO2008033045A1/ru
Priority to EP06847404.8A priority patent/EP2103818B1/en
Publication of WO2008033045A1 publication Critical patent/WO2008033045A1/ru
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/02—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by influencing fluid boundary
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/002—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer
    • F15D1/0025—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using passive means, i.e. without external energy supply
    • F15D1/003—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using passive means, i.e. without external energy supply comprising surface features, e.g. indentations or protrusions
    • F15D1/005—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using passive means, i.e. without external energy supply comprising surface features, e.g. indentations or protrusions in the form of dimples
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/02—Influencing flow of fluids in pipes or conduits
    • F15D1/06—Influencing flow of fluids in pipes or conduits by influencing the boundary layer
    • F15D1/065—Whereby an element is dispersed in a pipe over the whole length or whereby several elements are regularly distributed in a pipe
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/10—Influencing flow of fluids around bodies of solid material
    • F15D1/12—Influencing flow of fluids around bodies of solid material by influencing the boundary layer

Definitions

  • 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 the flow and the surface as a whole and, in particular, the boundary layers of gas flows, their two-phase liquids and whether multicomponent mixtures in order to reduce aerohydrodynamic losses during the relative motion of the surface and the continuous medium, to reduce cavitation destruction of surfaces and to intensify exchange processes on them.
  • the ranges of sizes of the proposed reliefs are associated with the characteristics of the boundary layers of the flow, while, according to the proposed solution, the surface of the flow contains three-dimensional concave or convex relief elements distributed along it with rounded transition sections that pair these elements with an initially smooth surface; moreover, any the cross-section of relief elements parallel to the plane in which their three nearest peaks lie has the shape of a smooth closed line.
  • the technical result of the implementation of the surface to reduce friction and aero-hydrodynamic resistance of surfaces is: to reduce the aero-hydrodynamic resistance of energy-exchange channels containing the proposed curved sections that are streamlined by continuous flows;
  • the surface to reduce friction with gaseous, liquid media or their mixtures is characterized by the fact that on a smooth surface with or without a protective layer, double curvature depressions are formed formed by second-order convex and concave surfaces conjugated by a common tangent, with the conjugation of the recesses with the initially smooth surface is carried out using convex shapes of the surfaces forming slopes, for which the initially smooth the surface is tangent, and the concave surface forming the bottom of the recess is smooth or with a fairing, and the ratio of the depths h c of the recesses to the dimensions Li of the recesses along the flow direction are in the range: the ratio of the transverse dimension L 2 of the recess to the longitudinal size Li of the recess is in the range:
  • the recesses can be made with longitudinal and / or transverse dimensions, varying along the stream.
  • 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.
  • Slopes can be formed by a toroidal surface.
  • Slopes can be formed by a hyperbolic surface.
  • Slopes can be formed by an elliptical surface.
  • 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 relation: r sp (2h sp R ( .
  • the surface 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 conjugate convex and concave surfaces that are tangent to one another, and the depression is mated to 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 a kasate flax, and the concave surface forming the bottom of the recess is smooth or with a fairing, and the ratio of the depth h c of the recess to the size Li of the recess along the flow direction is in the range:
  • the recesses can be made with longitudinal and / or transverse dimensions varying along the flow.
  • the recesses can be applied either mechanically or electrochemically, or by treating the surface with a laser beam or molding and polymerizing the surface of the protective layer, or using various combinations of these methods.
  • Slopes can be formed by a toroidal surface.
  • Slopes can be formed by a hyperbolic surface.
  • Slopes can be formed by an elliptical surface.
  • 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 :
  • 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.
  • Around the main recesses can be located recesses with smaller longitudinal, transverse dimensions and depths.
  • 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.
  • 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.
  • the size of the recesses and their depth increase or decrease in the direction of flow along or across the pipe.
  • Recesses may be located on the outer surface of the pipe, and protrusions may be located on its inner surface.
  • a curved twisted tape with recesses may be located inside the pipe.
  • On the inner surface of the pipe can be symmetrically or asymmetrically located recesses relative to the recesses on the outer surface.
  • 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
  • Recesses are located on the inner surface of the pipe and a curved twisted tape with recesses is installed inside the pipe.
  • the inner surface of the pipe is made without a recess and a twisted tape with recesses is installed inside the pipe.
  • FIG. 1 shows a fragment of a flow surface containing one recess, the totality of such recesses forms a flow surface and implements the proposed method.
  • FIG. 2 shows the surface of the recess with a cowl in the form of a double recess deposited on the surface according to the method one in the other.
  • FIG. 3 shows the surface of the recess with fairings in the form of many small recesses on its surface.
  • FIG. 4 the surface of the recess with a fairing in the form of a recess.
  • FIG. 5 is a diagram of the streamlines of a medium involved in the formation of a secondary swirling structure in a recess on the surface at low speeds of relative motion of the surface and the medium.
  • FIG. 6 shows the same process visualized by photographing.
  • FIG. 7 shows a visualization of the process of compressing a vortex into a recess and absorption into a vortex of a medium from a wall layer of a stream flowing around a surface with recesses.
  • FIG. 8 shows a visualization of a turbulent flow around a relief of three-dimensional depressions.
  • FIG. 9 shows 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.
  • FIG. 10 shows a three-dimensional pressure plot experimentally measured on the surface of a recess.
  • the reduced pressure at the periphery corresponds to the absorption of the medium from the boundary layer into the recess, and the increased pressure zone (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 the main flow of the mass of the medium; 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 surface Gertler vortices in FIG. 11, which indicates the "extrusion" of a tornado-like jet from the recess.
  • FIG. Figure 11 presents a visualization of the main stream flow around the recess, demonstrating a change in the structure of the boundary layer due to the formation of surface Hertler’s vortices in the form of “brackets”, indicated by arrows, which replace shear stresses in the traditional Prandtlé layer of adhesion by rolling stresses “brackets” on the surface, which is necessary the condition for self-organization of tornado-like vortices and the basis for reducing friction stresses on the proposed surfaces.
  • a fairing is constructed, built of Gertler’s vortices by a secondary swirling current in a depression of the selected shape.
  • the trunk of a tornado-like vortex is filled with “braids” - Gertler’s vortices, sucked off by the tornado-like vortex, which in the case of using such surfaces for heat and mass transfer causes its high intensity.
  • FIG. 12 shows the surface of a heat exchanger plate with longitudinal ribs.
  • FIG. 13 shows the placement of the plates to form a heat exchange channel.
  • FIG. 14 shows the surface of a heat exchanger pipe.
  • FIG. 15 shows the surface of a pipe with longitudinal ribs.
  • FIG. 16 shows the surface of the pipe with transverse ribs inside.
  • TLJS-DR Talbo Liket Jet Surfase-Result
  • TLJS-HMT surfaces (Tomato Liket Jet Surf-Net & Mass Trapfinder) are used for:
  • 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 Q and the curvature and shape of the convex toroidal part is determined by the ratio:
  • R (-) (r Sp 2 + h sp 2 ) / 2h sp , (D) 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 interval:
  • a curvilinear relief is applied to the streamlined surface (Fig. 1) in the form of separate recesses 1 of double curvature, each of which consists of the concave part 2 of the inner curved surface of the recess, having the selected curved shape in the form of a second-order surface without acute angles on it, including, for example, a spherical shape with a radius of curvature R (.), or an elliptical shape with radii of curvature R nn (-) and Rma ⁇ (-), mating with an initially smooth surface 3 convex curved slopes of a toroidal shape of a round, elliptical, parabolic or hyperbolic sections with radii of curvature for which, at the junctions, the initially smooth surface is tangent, and concave and convex surfaces have common tangents at the conjugation points.
  • Rma ⁇ (-) > Rmin (+) and Rmax (+) are determined similarly to the
  • a 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 the convex 4 and concave 2 surfaces of the second of order, the conjugation of the recesses with the initially smooth surface 3 is carried out using forming ramps, convex surfaces, for which in the places of conjugation the initially smooth surface is are tangent, moreover, 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
  • the ratio of the transverse dimension L 2 of the recess to the longitudinal Li size of the recess is in the range: when the density f of the location of the recesses on the surface located in the interval:
  • the recesses on the surface can be made with longitudinal and transverse dimensions, varying along the stream.
  • 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.
  • Slopes can be formed either toroidal, or hyperbolic, or parabolic, or elliptical surfaces.
  • 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:
  • ⁇ i 2 hi sopst, (F) where ri is the radius of the fairing, hi is its height, which, for a selected radius of curvature R (.), Takes values in the ranges:
  • 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).
  • the surface for intensifying convective mass and heat transfer with a gaseous, liquid medium or mixtures thereof is characterized in that depressions 1 are formed on a smooth surface and are formed by tangent convex 4 and concave 2 second-order surfaces, wherein the recess is conjugated to an initially smooth surface 3 by means of convex surfaces forming slopes for which the initially smooth surface is tangent at the interface, 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:
  • the recesses can be made with longitudinal and / or transverse dimensions varying along the flow.
  • the recesses were applied either by mechanical or electrochemical methods, or by forming and polymerizing a protective layer, or by treating the surface with a laser beam, or using combinations of these methods.
  • Slopes can be formed either toroidal, or hyperbolic, or parabolic, or elliptical surfaces.
  • Fairings 5 may 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 their symmetry with the concave surface of the recess is determined by the ratio:
  • T 1 2 hi const (F) where ⁇ is the radius of the fairing, hj is its height, which, for a selected radius of curvature R (.), Takes values in the ranges:
  • the recesses 1 can be staggered or corridor-like.
  • the size of the recesses and their depth may increase or decrease in the direction of flow along the plate.
  • recesses with smaller dimensions and depths can be symmetrically located.
  • protrusions corresponding to the recesses may be located.
  • 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.
  • the recesses can be located along and across the pipe in a checkerboard or corridor order.
  • the size of the recesses and their depth can increase or decrease in the direction of the flow or across it.
  • the recesses on the inner surface of the pipe can be located symmetrically or asymmetrically with respect to the recesses on the outer surface.
  • 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.
  • Recesses may be located on the inner surface of the pipe and a curved twisted strip with recesses is installed inside the pipe.
  • 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) 5 (B) 5 (C) 5 (D) 5 (E ) J (F) 9 (H) 9 (I) 5 (J) (K) and (Q).
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • the depth h c of the constructed relief is calculated.
  • the density of the recesses, the size of the traces and depths of the relief they develop a technology for forming the surface, prepare the appropriate tool and make channels or bearing surfaces.
  • 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 studied, 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.
  • TJ Torpedo Like Jet
  • TLJSOP Torpedo Like Jet SeIf Orgapizatiop Rocess
  • TLJS-Surface TLJS
  • TJT TopJet Jet Technologies
  • 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, calculated from the geometric dimensions of the selected 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.
  • the dimensionless relation (K), composed of the radius vector of the surface curvature R (+) or R ( .) (Hereinafter, the radius everywhere), the viscosity of the medium v, the magnitude of the velocity vector of the unperturbed continuous flow U ⁇ , and the pulse loss thickness ⁇ 2 (x) in the boundary layer of the flow, being a stability criterion 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.
  • a three-dimensional vortex boundary layer provides the conditions for the conjugation of TLJ with the concave surface of the recesses and does not lead to energy dissipation in a rotating flow, which destroys, as is known, vortex systems formed on smooth surfaces, where the “sticking” conditions L. Prandtl, requiring equalizing the flow rate with the speed of the streamlined surface, and there is no FDMBL.
  • this condition is fulfilled indirectly through the surface vortices arising at the ends of the formed tornado-like jet, which “settled” 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 velocity, in the case of resting channels or plates at TLJS, equal to zero, and in case of TLJS moving with a given speed U ⁇ - equal to this speed, which corresponds to the conditions of "adhesion".
  • the remaining surface points of these vortices move with non-zero velocities corresponding to the velocities of the vortices generating these vortices and stitched with them like a swirling stream (see photo of Fig. 11).
  • 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.
  • the boundary layer on a curved surface is structured into large formations, consisting of vortices in the form of microscopic “brackets” visualized in the photograph of FIG. 11.
  • 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; - to the system of sources of tornado-like jets, flowing 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 “little ones” rendered in the photograph of FIG. eleven.
  • Tornado jets are formed, as described above, in the recesses at the “surface - moving medium” interface under the action of forces caused by the shapes of the selected relief, including:
  • the characteristics of the surface vortices arising in such a layer on a curved surface depend, as is known, on the velocity Ui n , the state of the boundary layer (laminar, turbulent), the thickness of the momentum loss Lr in it, and the radii of curvature of the convex-concave relief R ( + ) and R (.), respectively.
  • Such a boundary layer 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.
  • the interface “continuous medium - streamlined surface * is given a curvilinear shape in the form of regularly alternating depressions of double curvature, creating a force action that ensures self-organization in the flow in these FDMBL zones and secondary swirling jets directed from the indicated surface zone of the flow into mainstream.
  • the forces that arise cause an independent force impact on the moving medium, which leads to a curvature of the forms of the flow stream lines, and, as a result, to self-organization of tornado-like jets.
  • the relief of depressions applied to streamlined surfaces 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 onto surfaces formed by recesses, or a relief of this form is applied to the surface of bodies moving in a medium of gases, liquids, or in their two-phase mixtures, reaching this reduces friction stresses on molded surfaces and intensifies the processes of mass and heat transfer between the energy exchange surface and the flows of a continuous medium.
  • the proposed surfaces are used to reduce the aerohydrodynamic resistance of pressure channels and various bodies in a state of relative motion with a continuous medium, and / or to increase the functional efficiency of energy transfer 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 phenomena and reduce cavitation wear of the surfaces of hydraulic turbines, hydraulic pumps, propellers of ship propulsors and other devices operating in a liquid medium.
  • the invention finds application in various modes of transport, including aircraft, 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 and R., 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 the creation of devices and prostheses for circulatory systems, in medical devices for artificial blood supply, purification of blood from harmful impurities, in artificial respiration devices, etc., in other words, in all types of flow technologies in which technological efficiency is due to the movement of gases, liquids, their two-phase and / or multicomponent mixtures.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

Поверхность для уменьшения трения и поверхность для интенсификации массо и теплообмена
Область техники
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 в целом и, в частности, пограничными слоями течений газов, жидкостей их двухфазных или многокомпонентных смесей с целью снижения аэрогидродинамических потерь при относительном движении поверхности и сплошной среды, уменьшения кавитационного разрушения поверхностей и интенсификации на них обменных процессов.
Предшествующий уровень техники
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.
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.
Техническим результатом реализации поверхности для снижения трения и аэрогидродинамического сопротивления поверхностей является: снижение аэрогидродинамического сопротивления энергообменных каналов, содержащих предложенные криволинейные участки, обтекаемые потоками сплошной среды;
- снижение аэродинамического сопротивления тел с обтекаемыми поверхностями таких же форм, движущихся в воздухе, в акваториях и по суше, скорость которых достаточна для самоорганизации вторичных смерчеобразных струй;
- снижение трения между твердыми поверхностями, трущимися друг об друга в газообразной или жидкой средах или в их смесях, например, в парах трения, помещенных в эти среды, за счет придания трущимся поверхностям криволинейных форм, формирующих между ними вихревой пограничный слой из окружающей среды, выполняющий роль вихревых подшипников.
Техническим результатом реализации поверхности интенсификации массо и теплообмена является:
- увеличение скорости обмена теплом и массой между потоками теплоносителей и энергообменными поверхностями, 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; повышение критических тепловых нагрузок на энергообменных поверхностях, охлаждаемых жидкими теплоносителями за счет придания этим поверхностям предложенных криволинейных форм, изменяющих кинетику массообмена в процессе фазового превращения в жидкой среде;
- предотвращение кавитационного разрушения поверхностей, 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 паро-газовых образований (пузырей) и эвакуирующих зародыши таких образований за пределы обтекаемой поверхности;
- снижение адсорбции загрязнений, посторонних примесей и нарастания отложений из движущейся среды на энергообменные поверхности 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.
Раскрытие изобретения
Технический результат достигается тем, что поверхность 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 hc углублений к размерам Li углублений вдоль направления потока находятся в интервале:
Figure imgf000006_0001
отношение поперечного размера L2 углубления к продольному размеру Li углубления находится в интервале:
0,25 ≤ Lг/Li < 1 (В) при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0,05 ≤ f < 0,5 (С)
Углубления могут быть выполнены с продольным и/или поперечным размерами, изменяющимися вдоль потока.
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.
Скаты могут быть образованы тороидальной поверхностью.
Скаты могут быть образованы гиперболической поверхностью.
Скаты могут быть образованы эллиптической поверхностью.
Поверхность с радиусом кривизны R(.), имеющая тороидальные скаты, на которой радиус углубления rsp вогнутой сферической части определяется соотношением: rsp = (2hspR(.)-hsp 2)0'5 (D) где hsp - глубина вогнутой сферической части углубления; при этом радиус кривизны выпуклой части углубления R(+) связан с его глубиной hc и радиусом rc соотношением:
Figure imgf000006_0002
- rsp)2 + (hc - hsp)2]/2(hc - hsp). (E)
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: ri2 hi = const (F) где Гi - радиус обтекателя, hi - его высота, принимающие при выбранном радиусе кривизны R(.) значения в диапазонах l<Г5 ≤ hi ≤ l. (G)
Технический результат достигается также тем, что поверхность 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 hc углубления к размеру Li углубления вдоль направления потока находится в интервале:
0,05 < hc/Li < 0,5, (H) отношение поперечного размера Lг углубления к его продольному размеру Li находится в интервале:
0,25 ≤ L2ALi < 1, (I) при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0,l ≤ f < 0,8. (J)
Углубления могут быть выполнены с изменяющимся вдоль потока продольным и/или поперечным размерами.
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. Скаты могут быть образованы тороидальной поверхностью.
Скаты могут быть образованы гиперболической поверхностью.
Скаты могут быть образованы эллиптической поверхностью.
Поверхность углублений с радиусом кривизны R(.>, имеющих тороидальные скаты и сферическую вогнутую часть, радиус rsp которой определяется соотношением: rsp = (2hspR(.) - hsp 2)0'5 (D) где hsp - глубина вогнутой сферической части углубления; при этом радиус кривизны R(+) выпуклой части углубления связан с его глубиной hc и радиусом rc соотношением :
Figure imgf000008_0001
- rsp)2 + (hc - hsp)2]/2(hc - hsp). (E)
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:
Гi2hj = сопst где г, - радиус обтекателя, hi - его высота, принимающие при выбранном радиусе кривизны R(.) значения в диапазонах l<Г5 ≤ hi/ri < l. (G)
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.
Вокруг основных углублений могут быть расположены углубления с меньшими продольным, поперечным размерами и глубинами.
На другой стороне поверхности расположены выступы, ответные углублениям.
На другой стороне поверхности пластины расположены ребра, ориентированные вдоль пластины по направлению потока. Углубления могут быть расположены на другой стороне пластины симметрично или асимметрично относительно углублений основной стороны пластины.
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.
Поверхность трубы, в которой углубления вдоль трубы и поперек трубы расположены в шахматном или коридорном порядке.
Размер углублений и их глубина увеличиваются или уменьшаются по направлению потока вдоль или поперек трубы.
На внутренней поверхности трубы расположены выступы, имеющие поверхности второго порядка.
На внешней поверхности трубы могут быть расположены углубления, а на ее внутренней поверхности могут быть расположены выступы.
На внутренней поверхности трубы могут быть расположены продольные ребра с углублениями.
На внутренней поверхности трубы могут быть расположены поперечные ребра с углублениями.
Внутри трубы может быть расположена изогнутая скрученная лента с углублениями.
На внутренней поверхности трубы могут быть симметрично или ассиметрично расположены углубления относительно углублений на наружной поверхности.
Продольный, поперечный размеры и глубина углублений, нанесенных на внутреннюю поверхность трубы, увеличиваются или уменьшаются по направлению потока,
На внутренней поверхности трубы расположены углубления и внутри трубы установлена изогнутая скрученная лента с углублениями. Внутренняя поверхность трубы выполнена без углубления и внутри трубы установлена скрученная лента с углублениями.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен фрагмент поверхности обтекания, содержащий одно углубление, совокупность таких углублений образует поверхность обтекания и реализует предложенный способ.
На фиг. 2 представлена поверхность углубления с обтекателем в виде двойного углубления, нанесенного на поверхность по способу одно в другом.
На фиг. 3 представлена поверхность углубления с обтекателями в виде множества мелких углублений на его поверхности.
На фиг. 4 - поверхность углубления с обтекателем в виде углубления.
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.
На фиг. 6 представлен тот же процесс, визуализированный фотосъемкой.
На фиг. 7 представлена визуализация процесса сжатия вихря в углубление и всасывания в вихрь среды из пристенного слоя течения, обтекающего поверхность с углублениями.
На фиг. 8 представлена визуализация процесса обтекания рельефа трехмерных углублений турбулентным потоком.
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.
На фиг. 10 представлена трехмерная эпюра давления экспериментально 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 «выдaвливaниe» смерчеобразной струи из углубления.
На фиг. 11 представлена визуализация процесса обтекания углубления основным потоком, демонстрирующая изменение структуры пограничного слоя за счет образования поверхностных гертлеровских вихрей, имеющих вид «кocичeк», указанных стрелками, заменивших напряжения сдвига в традиционном прандтлевском слое прилипания на напряжения качения «кocичeк» 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 «кocичкaми» - гертлеровскими вихрями, отсасываемыми смерчеобразным вихрем, что в случае использования таких поверхностей для тепломассообмена обуславливает его высокую интенсивность.
На фиг. 12 представлена поверхность теплообменной пластины с продольными ребрами.
На фиг. 13 представлено размещение пластин с образованием теплообменного канала.
На фиг. 14 представлена поверхность теплообменной трубы.
На фиг. 15 представлена поверхность трубы с продольными ребрами.
На фиг. 16 представлена поверхность трубы с поперечными ребрами внутри.
Варианты осуществления изобретения
Поверхности обтекания для снижения напряжений трения (TLJS-DR) и интенсификации массо- и теплообмена (TLJS-HMT), предлагаемые в изобретении, обеспечивают необходимые и достаточные условия для формирования нового класса потоков, 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.
Поверхности TLJS-DR (Тоrпаdо Likе Jеt Surfасе-Drаg Rеduсtiоп) используются для:
- снижения аэрогидродинамического сопротивления различных тел, находящихся в состоянии относительного движения со сплошной средой, включая самолеты, автомобили, поезда, речные, морские и океанические суда и яхты;
- уменьшения потерь давления в напорных каналах, транспортирующих газы, жидкости и их смеси.
Поверхности TLJS-HMT (Тоmаdо Likе Jеt Surfасе-Неаt & Маss Тrапsfеr) используются для:
- повышения функциональной эффективности энергообменных поточных процессов и оборудования, включая агрегаты для тепло- и массообмена; снижения кавитационного износа поверхностей гидравлических турбомашин, винтов судовых движителей, гидронасосов и других агрегатов, подверженных воздействию процессов кавитации;
- нагрева и охлаждения магнитотепловых агрегатов для преобразования низкопотенциальных тепловых потоков в механическую и электрическую виды энергии;
- повышения функциональной эффективности других энергообменных поточных процессов и оборудования.
Перечисленные выше направления использования предлагаемого изобретения обуславливают разнообразие вариантов его осуществления. Однако общими для всех возможных вариантов при постановке конкретной задачи являются:
- количественное определение основных функциональных характеристик процессов или оборудования, которые предполагается улучшить;
- выбор форм и размеров рельефов, основанный на анализе параметров задач;
- выбор технологии нанесения рельефов на поверхности. 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 RQ, причем кривизна и форма выпуклой тороидальной части определяется соотношением:
R(+) = Кгс - rsp)2 + (hc - hsp)2]/2(hc - hsp). (E) а форма вогнутой части- соотношением:
R(-) = (rSp 2 + hsp 2)/2hsp, (D) при этом отношение радиусов кривизны выпуклой и вогнутой частей углубления находится из соответствующего соотношения условий (Q) (см. ниже) в интервале:
10-6 < R(+/R(.) < l; при выполнении условий, определяющих предел устойчивости пограничного слоя течения на этой поверхности по отношению к возникновению поверхностных вихрей Гертлера:
[δ2(x)/R(.)]0'5 ILo δ2(x)/v > 7; [δ2(x)/R(+)l0'5 Uм δ2(x)/v > 7, (К) где U∞ - скорость потока, натекающего на криволинейную поверхность с радиусами кривизны R(+> и R(.), δг(x) - толщина потери импульса в пограничном слое, формируемом потоком среды на обтекаемой поверхности, v - 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.
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 Rпnn(-) и Rmaχ(-), 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 Rщш(.). Rmaχ(-)> Rmin(+) и Rmax(+) определяются аналогично вышеописанному из соотношений (Q):
10-6<R(+)/R{-)<l; 10-б<Rmax(+/R(.)<l; lО^&^-fВ+≠ϊ,
Figure imgf000014_0001
10 ≤Rmax(+)/Rmax(-)≤l; Ю <Rmin(+)/Rinax(-)≤l;
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 поверхностях, 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 hc углубления к размеру L1 углубления вдоль направления потока находится в интервале
0,001 ≤ h/Li ≤ ОД (H) отношение поперечного размера L2 углубления к продольному Li размеру углубления находится в интервале:
Figure imgf000014_0002
при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0Д < f < 0,5. (С) Углубления на поверхности могут быть выполнены с продольным и поперечным размерами, изменяющимися вдоль потока.
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.
Скаты могут быть образованы либо тороидальной, либо гиперболической, либо параболической, либо эллиптической поверхностями.
При тороидальной форме скатов с сечением в виде круга, радиус углубления rsp вогнутой сферической части криволинейной поверхности, имеющей радиус кривизны R(.), определяется соотношением: rsp = (2hspR(.)-hsp 2)0'5 (D) где hsp - глубина вогнутой сферической части углубления; при этом радиус кривизны выпуклой части углубления R(+) связан с его глубиной hc и радиусом rc соотношением:
R(+) = [Oc - rsp)2 + (hc - hsp)2]/2(hc - Ji4,). (E)
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:
Гi2hi = сопst, (F) где ri - радиус обтекателя, hi - его высота, принимающие при выбранном радиусе кривизны R(.) значения в диапазонах:
10"5 < hi/ri < 1 (G)
Обтекатели могут быть выполнены в виде углублений, двойных углублений или углублений, размещенных на поверхности основного углубления (фиг.2 - фиг.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 hc углубления к размеру L1 углубления вдоль направления потока находится в интервале:
0,1 < hc/Li < 0,5, (H) отношение поперечного размера к продольному размеру углубления находится в интервале:
0,25 < IVL1 < 1, (I) при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:
0,l ≤ f < 0,8. (J)
Углубления могут быть выполнены с изменяющимся вдоль потока продольным и/или поперечным размерами.
Углубления нанесены либо механическим, либо электрохимическим способами, либо формированием и полимеризацией защитного слоя, либо обработкой поверхности лазерньм лучом, либо с использованием комбинаций из этих способов.
Скаты могут быть образованы либо тороидальной, либо гиперболической, либо параболической, либо эллиптической поверхностями.
Радиус углубления rsp вогнутой сферической части криволинейной поверхности имеет радиус кривизны R(.) и определяется соотношением: rsp = (2hspR(-)- hsp 2)0'5, (D) где hsp - глубина вогнутой сферической части углубления; при этом радиус кривизны выпуклой части углубления R(+) его скатов связан с глубиной hc и его радиусом rc соотношением:
R(+) = [(Гс - rsp)2 +(hc - hsp)2]/2(hc - hsp). (E)
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:
T1 2 hi = const (F) где Г} - радиус обтекателя, hj - его высота, принимающие при выбранном радиусе кривизны R(.) значения в диапазонах:
10Гs ≤ Wr ≤ l. (G)
На поверхности теплообменной пластины 6 углубления 1 могут быть расположены в шахматном или коридорном порядке.
Размер углублений и их глубина могут увеличиваться или уменьшаться по направлению потока вдоль пластины.
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.
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.
На поверхности трубы 9 углубления могут быть расположены вдоль и поперек трубы в шахматном или коридорном порядке.
Размер углублений и их глубина могут увеличиваться или уменьшаться по направлению потока или поперек него.
На внутренней поверхности трубы 9 могут быть расположены сферические выступы (на чертеже не показано), продольные ребра 10, или поперечные ребра 11, или скрученная лента 13 с углублениями. Углубления на внутренней поверхности трубы могут быть расположены симметрично или асимметрично относительно углублений на наружной поверхности.
На внутренней поверхности трубы могут быть расположены углубления, размер и глубина которых увеличиваются или уменьшаются по направлению потока вдоль трубы.
На внутренней поверхности трубы могут быть расположены углубления и внутри трубы установлена изогнутая скрученная лента с углублениями.
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, (A)5(B)5(C)5(D)5(E)J(F)9(H)9(I)5(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. 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) (E) и (Q). Учитывая, что величина f = πrc 2/tit2, подбирают ti и tг - 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, ti и t2 определяют радиус следа углубления на поверхности из соотношения: rc= (H1I2At)0'5.
Используя диапазон значений hc/rc, обозначенный буквами (А) или (H), в зависимости от решаемой задачи, вычисляют глубину hc 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.
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.
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.
Обнаруженные струи и процесс их самоорганизации названы нами Тоrпаdо Likе Jеt (TLJ) и Тоrпаdо Likе Jеt SeIf Оrgапizаtiоп Рrосеss (TLJSOP), соответственно; поверхность, на которой возникает TLJSOP названа ТLJ-Surfасе (TLJS), а технологии, использующие такие струи, -Тоrпаdо Likе Jеt Тесhпоlоgiеs (TLJT).
Многочисленные аэрогидродинамические и тешiофизические 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) и 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>5-10 , вычисленным по геометрическим размерам выбранного криволинейного рельефа, например, по диаметру симметричных углублений dc или по их глубине hc, определяющим характеристики вторичного потока в углублении.
Визуализация процесса формирования ТLJ-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.
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. При этом течение среды или движение тел в среде характеризуются числами Рейнольдса, вычисленными по размеру углублений вдоль потока или в направлении движения тeлa-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.
Безразмерное соотношение (К), составленное из значений радиус-вектора кривизны поверхности R(+) или R(.) (далее, всюду - радиус), вязкости среды v, величины вектора скорости невозмущенного потока сплошной среды U∞ и толщины потери импульса δ2(x) 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 [Fiпеlу Disреrsiblе Моbil Вошidаrу Lауеr (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 криво-линейных 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 «пpилипaния» Л.Прандтля, 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, «oceдлaвшeй» 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 «пpилипaния». 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 «кocичeк», 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 «кocичeк», перенося отсосанную массу в основной поток. Каждая из таких «кocичeк» существенно превосходит по массе и объему турбулентные моли, определяющие эффективность механизмов тепломассообмена в турбулентных потоках, что объясняет преимущества TLJS по сравнению с другими формами рельефов, традиционно используемых для интенсификации тепломассообмена.
Трехмерный рельеф углублений и самоорганизующиеся в нем TLJ превращают обтекаемую формованную поверхность:
- 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; - 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 «кocичeк», визуализированных на фотографии фиг. 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, «poждaющиx» турбулентность в пристенных слоях течения, например, за счет естественной или искусственной шероховатости.
Смерчеобразные струи формируются, как указано выше, в углублениях на границах раздела «пoвepxнocть - движущаяся cpeдa» под действием сил, обусловленных формами выбранного рельефа, в том числе:
- сил торможения, возникающих под действием динамического давления потока на нижних по потоку скатах углублений, вызывающих, в меру квадрата величины скорости натекающего течения Uin 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 Ujn. (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 Го = 2πRUφ, при этом, азимутальная скорость такой циркуляции U4, = Ujn = kUос, где k<l отражает особенности профиля скорости течения над обтекаемыми исходно глоткой и криволинейной поверхностями. За счет небольшого различия в скоростях в натекающем потоке и в порождаемом им возвратном течении в углублении (по экспериментальным данным различие «k» в возвратном и натекающем потоках составляет не более ~ 8 %) на формируемую в углублении вихревую структуру действует пара сил, автомодельно поворачивающая вихрь в углублении на угол β~45° относительно направления основного течения и вызывающая дополнительно закрутку струи;
- 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 Ur и азимутальную Uφ 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 Uin, состояния пограничного слоя (ламинарный, турбулентный), толщины потери импульса Ьг 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 Uz. Эта компонента возникает за счет действия на поток, стекающий в углубления со скоростью U=(Uφ 2+Ur 2)0'5, ускорений а = U2/R, направленных по радиусам кривизны R от вогнутой поверхности в поток и придающих струе дополнительную радиальную сходимость, увеличивая, по мере уменьшения ее радиуса rь азимутальную скорость вторичного течения Uφ, и определяемый ею и продольной скоростью U2 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;
- сил типа силы Магнуса, возникающих за счет взаимодействия основного потока, натекающего на углубления, со смерчеобразным вихрем, циркуляция Го в углублении порождает подъемную силу F, зависящую от скорости натекающего течения Ujn, и эффективный размер вихревой структуры поперек течения L;
F = рUmГоL, 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 Uin и Го определены выше, а р-плотность сплошной среды в вихре.
Эти силы, совместно с действующими на вогнутой части рельефа массовыми силами инерции, обеспечивают «зacтpoйкy» смерчеобразных вихрей в натекающее течение, вытягивают один из торцов вихря и его «xoбoт» в основной поток.
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 dc = 2rc, следа углубления на формуемой поверхности и движущийся над вьшуклыми скатами углублений со скоростью Uin, 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 Uφ. 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).
В соответствии с изложенными основаниями, границе раздела «cплoшнaя 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.
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.
Промышленная применимость
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.
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.

Claims

Формула изобретения
1. Поверхность для уменьшения трения с газообразными, жидкими средами или их смесями характеризующаяся тем, что на гладкой поверхности с защитным слоем или без него 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 hc углубления к размеру L1 углубления вдоль направления потока находятся в интервале (ХООl≤hс/Li≤ОД, отношение поперечного размера L2 углубления к продольному размеру L1 углубления находится в интервале
Figure imgf000029_0001
при плотности f расположения углублений на поверхности находящейся в интервале 0,05<f<0,5.
2. Поверхность по п. 1, на которой углубления выполнены с продольным и/или поперечным размерами изменяющимися вдоль потока.
3. Поверхность по п. 1, на которую углубления нанесены либо механическим способом, либо электрохимическим способом, либо формованием и полимеризацией защитного слоя, либо обработкой поверхности лазерным лучом.
4. Поверхность по п. 1, на которой скаты образованы тороидальной поверхностью.
5. Поверхность по п. 1, на которой скаты образованы гиперболической поверхностью.
6. Поверхность по п. 1, на которой скаты образованы эллиптической поверхностью.
7. Поверхность по п. 4, на которой радиус углубления rsp вогнутой сферической части криволинейной поверхности, имеющей радиус кривизны R(^ определяется соотношением: rsp = (2hspR(-rhsp 2)0'5, где hsp - глубина вогнутой сферической части углубления; при этом радиус кривизны выпуклой части углубления связан с его глубиной hc и радиусом г, соотношением:
R(+) = [(rc-rsp)2 + (hc-hsp)2]/2(hc-hsp).
8. Поверхность по п. 1, на которой обтекателя имеют форму тел вращения криволинейным основанием которых является часть 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:
Гj2hi = сопst где Гi - радиус обтекателя, hi - его высота, принимающие при выбранном радиусе кривизны R(.) значения в диапазонах
Figure imgf000030_0001
П
9. Поверхность для интенсификации конвективного массо и теплообмена с газообразными, жидкими средами или их смесями характеризующаяся 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 hc углубления к размеру L1 углубления вдоль направления потока находится в интервале ОjОS≤hс/Li≤ОД отношение поперечного размера L2 углубления к продольному размеру L1 углубления находится в интервале
Figure imgf000030_0002
при плотности f расположения углублений на поверхности находящейся в интервале 0,1 < f ≤ 0,8.
10. Поверхность по п. 9, на которой углубления выполнены с изменяющимся вдоль потока продольным и/или поперечными размерами.
11. Поверхность по п. 9, на которую углубления нанесены либо механическим способом, либо электрохимическим способом, либо обработкой поверхности лазерным лучом, либо формованием и полимеризацией поверхности защитного слоя, либо использованием различных комбинаций из этих способов.
12. Поверхность по п. 9, на которой скаты образованы тороидальной поверхностью.
13. Поверхность по п. 9, на которой скаты образованы гиперболической поверхностью.
14. Поверхность по п. 9, на которой скаты образованы эллиптической поверхностью.
15. Поверхность по п. 12, на которой радиус углубления rsp вогнутой сферической части криволинейной поверхности, имеющей радиус кривизны R(.) определяется соотношением: rSp = (2hspR(-) -hsp 2)0'5, где hsp - глубина вогнутой сферической части углубления; при этом радиус кривизны R(+) выпуклой части углубления связан с его глубиной hc и радиусом rc соотношением:
R(+) = [(rc-rsp)2 + (hc-hsp)2]/2(hc-hsp).
16. Поверхность по п. 9, в которой обтекатели имеют форму тел вращения, имеющих криволинейное основание в виде части вогнутой поверхности углубления и проекцию на любую плоскость, в которой лежат ось симметрии этих обтекателей и касательная к точке пересечения оси их симметрии с вогнутой поверхностью углубления, причем форма этой проекции определяется соотношением: r;2hi = сопst где Гj - радиус обтекателя, hi - его высота, принимающие при выбранном радиусе кривизны R(.) значения в диапазонах
Ю"5 < !h.≤ l. rι
17. Поверхность теплообменной пластины по п. 9, в которой углубления расположены в шахматном или коридорном порядке.
18. Поверхность по п. 17, на которой размер углублений и глубина увеличивается или уменьшается по направлению потока вдоль пластины.
19. Поверхность по п. 17, на которой вокруг углублений расположены углубления с меньшими продольными, поперечными размерами и глубинами.
20. Поверхность по п. 17, на которой на другой стороне её расположены выступы, ответные углублениям.
21. Поверхность по п. 17, на которой на другой стороне пластины расположены ребра, ориентированные вдоль пластины по направлению потока.
22. Поверхность по п. 17, на которой углубления расположены на другой стороне пластины симметрично или асимметрично относительно углублений основной стороны.
23. Поверхность по п. 17, которая содержит дополнительную поверхность пластины с углублениями, размещенную относительно основной поверхности с образованием теплообменного канала, при этом поверхности пластин с углублениями обращены друг к другу и расположены параллельно за счет дистанционирующих элементов в виде выступов полусферической, конической, цилиндрической или иной форм.
24. Поверхность трубы по п. 9, на которой углубления вдоль трубы и поперек трубы расположены в шахматном или коридорном порядке.
25. Поверхность по п. 24, на которой размеры углублений и их глубина увеличивается или уменьшается по направлению потока вдоль/или поперек трубы.
26. Поверхность по п. 24, на которой на внутренней поверхности трубы расположены выступы, имеющие поверхность второго порядка.
27. Поверхность по п. 24, на которой на внутренней поверхности трубы расположены углубления, размер и глубина которых увеличиваются или уменьшаются по направлению потока вдоль или поперек трубы.
28. Поверхность по п. 24 или 27, на которой на внутренней поверхности трубы расположены продольные ребра с углублениями на их поверхности.
29. Поверхность по п. 24 или 27, на которой на внутренней поверхности трубы расположены поперечные ребра с углублениями.
30. Поверхность по п. 24 или 27, на которой внутри трубы расположена изогнутая скрученная лента с углублениями.
31. Поверхность по п. 24, на которой на внутренней поверхности трубы расположены углубления симметрично или асимметрично относительно углублений на наружной поверхности.
PCT/RU2006/000465 2006-08-31 2006-08-31 Friction reducing surface and a mass and heat transfer enhancing surface Ceased WO2008033045A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2006/000465 WO2008033045A1 (en) 2006-08-31 2006-08-31 Friction reducing surface and a mass and heat transfer enhancing surface
EP06847404.8A EP2103818B1 (en) 2006-08-31 2006-08-31 Friction reducing surface and a mass and heat transfer enhancing surface

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2006/000465 WO2008033045A1 (en) 2006-08-31 2006-08-31 Friction reducing surface and a mass and heat transfer enhancing surface

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008033045A1 true WO2008033045A1 (en) 2008-03-20

Family

ID=39184012

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2006/000465 Ceased WO2008033045A1 (en) 2006-08-31 2006-08-31 Friction reducing surface and a mass and heat transfer enhancing surface

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP2103818B1 (ru)
WO (1) WO2008033045A1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190292915A1 (en) * 2018-03-22 2019-09-26 United Technologies Corporation Case for gas turbine engine
US10518958B2 (en) 2015-12-23 2019-12-31 Sulzer Mixpac Ag Cartridge with reduced friction
CN115238490A (zh) * 2022-07-12 2022-10-25 长安大学 基于包络特征的路面抗滑性能评价方法及评价装置

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2447153A1 (en) * 2010-10-28 2012-05-02 Zuei-Ling Lin Method of enhancing the output efficiency of a propeller and reducing the noise thereof
US9845902B2 (en) * 2012-05-13 2017-12-19 InnerGeo LLC Conduit for improved fluid flow and heat transfer
US9322690B2 (en) 2013-01-28 2016-04-26 Canada Pipeline Accessories, Co. Ltd Metering tubes for improved fluid flow measurement
NL2017402B1 (en) 2016-09-01 2018-03-09 Univ Delft Tech Body provided with a superficial area adapted to reduce drag when the body is moving relative to a gaseous or watery medium
AT527151A1 (de) * 2023-05-08 2024-11-15 Adrian Leitl Peter Riblet-Struktur sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen
AT527150A1 (de) * 2023-05-08 2024-11-15 Adrian Leitl Peter Hocheffiziente Riblet-Struktur sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1086246A1 (ru) * 1979-12-05 1984-04-15 Vinogradov Evgenij S Поверхность,обтекаема жидкостью или газом
US4690211A (en) * 1984-06-20 1987-09-01 Hitachi, Ltd. Heat transfer tube for single phase flow
RU2020304C1 (ru) 1992-03-31 1994-09-30 Геннадий Ираклиевич Кикнадзе Поверхность обтекания для формирования динамических вихревых структур в пограничных и пристенных слоях потоков сплошных сред
WO1997004280A1 (en) * 1995-07-19 1997-02-06 Vida, Nikolaus Method and apparatus for controlling the boundary or wall layer of a continuous medium

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5577555A (en) * 1993-02-24 1996-11-26 Hitachi, Ltd. Heat exchanger
JPH1182860A (ja) * 1997-08-30 1999-03-26 Junichi Hirata 流動量増大流路
DE10347022A1 (de) * 2003-10-07 2005-05-04 Nikolaus Vida Oberfläche mit reduzierter Partikelablagerung und reduzierter Eisbildung
WO2006098649A1 (en) * 2005-03-04 2006-09-21 Gennady Iraklievich Kiknadze Method for producing a flow which forms tornado-type jets incorporated into a stream and a surface for carrying out said method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1086246A1 (ru) * 1979-12-05 1984-04-15 Vinogradov Evgenij S Поверхность,обтекаема жидкостью или газом
US4690211A (en) * 1984-06-20 1987-09-01 Hitachi, Ltd. Heat transfer tube for single phase flow
RU2020304C1 (ru) 1992-03-31 1994-09-30 Геннадий Ираклиевич Кикнадзе Поверхность обтекания для формирования динамических вихревых структур в пограничных и пристенных слоях потоков сплошных сред
WO1997004280A1 (en) * 1995-07-19 1997-02-06 Vida, Nikolaus Method and apparatus for controlling the boundary or wall layer of a continuous medium

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2103818A4 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10518958B2 (en) 2015-12-23 2019-12-31 Sulzer Mixpac Ag Cartridge with reduced friction
US20190292915A1 (en) * 2018-03-22 2019-09-26 United Technologies Corporation Case for gas turbine engine
US10808540B2 (en) * 2018-03-22 2020-10-20 Raytheon Technologies Corporation Case for gas turbine engine
CN115238490A (zh) * 2022-07-12 2022-10-25 长安大学 基于包络特征的路面抗滑性能评价方法及评价装置
CN115238490B (zh) * 2022-07-12 2025-09-09 长安大学 基于包络特征的路面抗滑性能评价方法及评价装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP2103818B1 (en) 2013-09-18
EP2103818A4 (en) 2010-03-10
EP2103818A1 (en) 2009-09-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2020304C1 (ru) Поверхность обтекания для формирования динамических вихревых структур в пограничных и пристенных слоях потоков сплошных сред
Betz Introduction to the theory of flow machines
Wilcox Simulation of transition with a two-equation turbulence model
Menter Zonal two equation kw turbulence models for aerodynamic flows
CA2084682A1 (en) Laminar flow elbow system
WO2008033045A1 (en) Friction reducing surface and a mass and heat transfer enhancing surface
US8337160B2 (en) High efficiency turbine system
Jiao et al. Optimal design of inlet passage for waterjet propulsion system based on flow and geometric parameters
Young et al. Numerical modeling of supercavitating propeller flows
Jing et al. Effects of the blade shape on the trailing vortices in liquid flow generated by disc turbines
Kuzma-Kichta et al. Choice and justification of the heat transfer intensification methods
RU2425260C2 (ru) Поверхность тела для уменьшения трения и поверхность тела для интенсификации теплообмена
Lu et al. Experiment research on cavitation control by active injection
CN101947748B (zh) 一种能有效增强软性磨粒流湍流的流道装置
WO1980001673A1 (en) Surface structure of a surface adapted for movement relative to a fluid
EP1604122A1 (en) Three dimensional surface structure for reduced friction resistance and improved heat exchange
WO2006098649A1 (en) Method for producing a flow which forms tornado-type jets incorporated into a stream and a surface for carrying out said method
Sullerey et al. Secondary flow control using vortex generator jets
EP1565659B1 (en) Method and device for generating mixtures of fluids in a boundary layer
Khalatov et al. Flow characteristics within and downstream of spherical and cylindrical dimple on a flat plate at low Reynolds numbers
RU2691705C1 (ru) Способ отсасывания пограничного слоя сплошной среды с поверхности тела и устройство для его реализации
Sadat-Hosseini et al. CFD simulations of KVLCC2 maneuvering with different propeller modeling
CN207033718U (zh) 一种泵用加速管
Hao et al. A preliminary study on the hydrodynamic propulsive force of a pair of inversely oscillating hydrofoils
Yu et al. Lattice Boltzmann investigation of the influence of slip distributions on the flow past a diamond cylinder at low-Reynolds-number

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 06847404

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2006847404

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2009111020

Country of ref document: RU

Kind code of ref document: A