Слижевский Гидробионика в судостроении

ГЛАВА 2	51

значение ευ для живой афалины в несколько раз меньше, чем для ее модели (7 против 35 %);

для активно плавающей афалины ευ уменьшается с увеличением скорости, что свидетельствует об усилении регулирующего воздействия кожи дельфина на характеристики пограничного слоя.

Остановимся еще на одной особенности строения кожи дельфина, состоящей в том, что дермальные сосочки расположены упорядоченно на более плотных продольных эпидермальных перегород- ках-валиках, которые ориентированы вдоль линий тока. Вследствие этого на поверхности тела дельфина возникает вторичное течение с образованием продольных (ориентированных вдоль линий тока) вихрей. Последнее, в свою очередь, способствует улучшению устой- чивости ламинарного режима течения в пограничном слое, формируемого на поверхности тела дельфина при его движении.

2.6. Искусственные упругодемпфирующие покрытия для снижения гидродинамического сопротивления трения

В отечественной и зарубежной литературе установилась общая точка зрения, что искусственные демпфирующие покрытия для стабилизации ламинарного режима течения в пограничном слое были впервые предложены М.Крамером в 60-е годы прошлого столетия после изучения им структуры кожи дельфинов. Известно, однако, что вопросами уменьшения сопротивления трения М.Крамер занимался еще в 1938 году. Более того, искусственные демпфирующие покрытия для гидролокационных станций военных кораблей применялись в Германии уже в 50-е годы. Таким образом, можно предполагать, что изучение дельфинов послужило основой для дальнейшего развития работ в этом направлении.

Первый вариант покрытия М.Крамера*), названный им "столбиковым покрытием", состоял из толстой резиновой диафрагмы, опирающейся на множество резиновых столбиков, и двух тонких эластичных оболочек с верхней и нижней сторон диафрагмы. Нижняя оболочка, служащая основанием для столбиков, наклеивалась на поверхность модели. Пространство между столбиками заполнялось селиконовой демпфирующей жидкостью (рис.2.19).

*) Патент США. – Заявл. в 1960; Опубл. в 1964 г.

#ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

Принцип действия столбиковых и других вариантов упругодемпфирующих покрытий, предложенных впоследствии М.Крамером и другими зарубежными и отечественными исследователями, состоит в следующем. Когда течение вязкой жидкости в пограничном слое послойное (ламинарное), наружная оболочка покрытия не деформируется. При турбулентном режиме возникают пульсации как продольных, так и поперечных скоростей, вызывая деформацию наружной оболочки и связанное с ней перетекание жидкости между столбиками. Возникающие вследствие этого силы трения демпфируют часть энергии пульсации. При этом наружная оболочка под действием сил упругости столбиков восстанавливает первоначальную форму, в результате чего происходят ламинаризация потока и связанное с этим уменьшение сопротивления трения.

Опыты М.Крамера включали испытание модели, представляющей собой цилиндрическое тело с искусственным столбиковым покрытием (рис.2.20). Модель, изготовленная из нейлона, представля-

			0,5
			1,5
			1,0
			0,5
!	1	2	1
1,8

40 60

!

80 40

69

	20
	20

Рис.2.19. Столбиковое упругодемпфирующее покрытие:

– верхняя и нижняя эластичные оболочки; – диафрагма и столбики; ! – обшивка модели или судна

1300 1140

470

@ = 63 ìì

Рис.2.20. Эскиз модели с искусственным покрытием, испытанной М.Крамером

ГЛАВА 2	53

ла собой заостренный круговой цилиндр диаметром 6,3 см и длиной 2,44 м. Передняя конусная часть модели, за исключением участка длиной 15 см (незаштрихованная область), использовалась для изу- чения различных вариантов покрытия. Были испытаны несколько вариантов столбикового покрытия М.Крамера с различной жесткостью, Н/см3(156; 443 и 222), и вязкостью демпфирующей жидкости, сСт*) (200; 1200 и 300), – варианты 4, 5 и 6 соответственно.

Как следует из анализа результатов испытаний (рис.2.21), после достижения критического числа Reêð = 3 106 коэффициент сопротивления C(Re) модели с упругодемпфирующим покрытием (кривые 4,5 и 6) сначала увеличивается до максимального значения, оставаясь по величине меньше, чем для модели без покрытия (кривая 3), а затем уменьшается. Наиболее оптимальным упругодемпфирующим покрытием оказался вариант 6. Экстраполяция зависимости 6 (см. рис.2.21, пунктирная линия) для покрытия (222 H/см3 и 300 сСт) дает основание полагать, что ламинарный пограничный слой может быть

сохранен вплоть до Reêð = 2,6 107 по сравнению с Reêð = 3 106 для модели без покрытия, и за счет этого существенным образом сни-

зить сопротивление трения.

Последующие опыты показали, что столбиковые покрытия имеют ряд недостатков. Их эффективность оказалась существенным

Рис.2.21. Зависимость коэффициента сопротивления от числа Re для модели с различными покры-

тиями

Ñ

1

0,0030
0,0020		3	170
		4
			440
		5
	2
		6	3
0,0010			220 Í/ñì
0,0006
0,0004
0,0003
0,0002		2 3 4 6	8 10 15 20Re 10–6
1

*) сСт – сантистокс =	1	Cò =		1	(ì2/с) – единица измерения кинематическо-
100			100
го коэффициента вязкости.

Корпус модели или судна

10

20

40

10

10

10

20,40

30

54 ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

образом зависящей от давления в демпфирующей жидкости: при положительном (1 атм) избыточном давлении покрытие оказалось подобным телу с жесткой поверхностью и не давало эффекта; при отрицательном (1 атм) снижение сопротивления достигало максимальной величины. При этом было установлено отрицательное влияние на работу упругодемпфирующего покрытия возможности перетекания демпфирующей жидкости под действием внешних возмущений и связанного с этим образования волнистости, что приводит к увеличению сопротивления. Кроме того, столбиковое покрытие теряет свою эффективность с течением времени.

Перечисленные выше недостатки удалось устранить в новом варианте покрытия с ребристыми опорами. М.Крамер, создавая это покрытие, стремился в первую очередь исключить возможность возникновения волн на поверхности покрытия. Ребристое покрытие состоит из диафрагмы, поддерживаемой множеством ребер, ориентированных по направлению потока

	Рис.2.22. Ребристое демпфирую-			(ðèñ.2.22).
				Сопоставление эффективно-
		щее покрытие
				сти оптимальных вариантов
	Ñ 103	Жесткая модель		столбикового и ребристого по-
			1	крытий, которая для столбико-
				вого покрытия соответствовала
	2,5
				жесткости 220 Н/см3 и вязкости
			3	300 сСт, для ребристого – соот-
	2,0			ветственно 500 Н/см3 è 7500 ñÑò,
			4	приведены на рис.2.23. Как сле-
				дует из анализа этих кривых, эф-
	1,5
			5
		2
				Рис.2.23. Зависимость коэффици-
	1,0			ента сопротивления для оптималь-
		10 12,5 15 Re 10–6		ных вариантов покрытий Крамера
	8

ГЛАВА 2	55

фективность оптимальных вариантов столбикового и ребристого покрытий непосредственно после изготовления (кривые 2 и 5) приблизительно одинакова. По истечении года хранения столбиковые покрытия почти полностью теряют свои демпфирующие свойства (кривая 3), в то время как ребристые лишены этого недостатка (кривая 4).

М.Крамером было предложено еще несколько конструкций упругодемпфирующего покрытия с различной сложностью изготовления. Однако общим признаком этих покрытий было наличие эластич- ной верхней диафрагмы, которая опирается на упругие элементы, и полостей под этой диафрагмой, которая заполнена жидкостью с относительно большой вязкостью.

Многообещающие результаты экспериментальных исследований М.Крамера в 60-х годах прошлого столетия вызвали интерес у многих специалистов и послужили толчком к разработке различных конструктивных вариантов упругодемпфирующих покрытий. Одним из таких вариантов является конструкция трехслойного покрытия, состоящего из основания, пористого наполнителя (губчатая резина, пенополиуретан), пропитанного вязкой жидкостью, и верхней эластичной диафрагмы. Меняя степень пористости наполнителя, вязкость жидкости и давление внутри наполнителя, можно варьировать упругодемпфирующие характеристики покрытия. Испытания, проведенные в 1972 году в институте гидромеханики АН Украины, установили, что нарастание степени турбулентности с увеличением скорости для тел с трехслойным покрытием значительно меньше, чем для жесткой поверхности. Более того, в этих экспериментах было обнаружено, что трехслойное покрытие не только повышает нижнее Reêð, но и увеличивает протяженность переходной области.

И в заключение отметим, что эффективные искусственные упругодемпфирующие покрытия должны конструироваться и рассчитываться каждый раз с учетом их назначения и условий работы: скорости движения, глубины погружения, начальной турбулентности потока и др. Иными словами, эти покрытия являются пассивными и пригодными для определенных условий. Следует иметь в виду, что искусственные покрытия – лишь грубое приближение к живой природе. Если гидродинамическое сопротивление дельфина в несколько раз меньше сопротивления твердого тела, то это, по-видимому, результат комплексного влияния формы тела, нестационарности движения, активного действия живой оболочки и ее способности

56	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

изменять упругодемпфирующие свойства в зависимости от внешних условий, гидрофобности покрытия и др.

Как было установлено ранее, ламинаризация потока при обтекании тела дельфина происходит также за счет возникновения вторичного течения, сопровождающегося образованием продольных вихрей, возникновение которых, в свою очередь, обусловлено нали- чием продольных дермальных перегородок. Техническим аналогом этого способа ламинаризации является микрооребрение поверхности тела, движущегося в жидкости, которое состоит в устройстве на этой поверхности микроребер, ориентированных вдоль потока и расположенных на малом расстоянии друг от друга. Поперечное се- чение этих ребер может представлять, например, равнобедренный треугольник. Как показали исследования, оребрение плоской пластинки при определенных условиях приводило к снижению сопротивления трения на 8…9 %.

2.7. Использование упругодемпфирующего покрытия в судостроении

Âзарубежной литературе сообщалось о попытках применения покрытия М.Крамера на крупных судах. Так, японский конструктор Г.Сато в 1969 году при проектировании подводного транспортного судна предусмотрел применение упругодемпфирующих покрытий для снижения сопротивления. Предлагалось также использовать упругодемпфирующие покрытия для повышения скорости хода одного из теплоходов, проектировавшегося в 1961 году в ФРГ. Обсуждалась возможность применения покрытий для повышения скорости хода кораблей и подводных лодок, полное сопротивление которых предполагалось снизить на 40…50 %. Однако практического распространения покрытия М.Крамера не получили.

Âнастоящее время в отечественной литературе высказываются определенные мнения относительно перспективы использования искусственных упругодемпфирующих покрытий применительно к корпусу судна, которые в целом сводятся к следующему. Считается, что практической реализации предложенной М.Крамером идеи препятствуют прочностные возможности покрытий, которые, особенно для быстроходных судов, не обладают по причине старения достаточной долговечностью и стабильностью механических характе-

ГЛАВА 2	57

ристик. Кроме того, неясным является влияние обрастания покрытия на его эффективность. В этой связи считается практически возможным использование этих покрытий лишь на торпедах и катерах, а также выступающих частях, например обтекателях гидролокаторов, с целью уменьшения их сопротивления и, главным образом, для уменьшения гидродинамических шумов, а также улучшения их акустических характеристик.

Достаточно эффективным явилось использование упругодемпфирующих покрытий М.Крамера в системах трубопроводов. В этом случае покрытия наносятся на внутреннюю поверхность трубопровода, что приводит к существенному снижению (до 35 %) сопротивления трубы. Более того, покрытия выполняют роль противокоррозионной защиты и являются предельно эффективным поглотителем возникающих в воде звуков. Отмечается, что одна из компаний США по эксплуатации природного газа снабдила все трансконтинентальные газопроводы внутренними резиновыми покрытиями, получив при этом значительный экономический эффект за счет снижения сопротивления труб и улучшения противокоррозионной защиты.

Применение микрооребрения внутренней поверхности труб позволяет достичь снижения сопротивления на 6…7 %. При этом максимальный выигрыш достигается при безразмерном шаге оребрения S * = Sυ * ν ≤ 30 (где S – шаг оребрения; υ * = τ 0 ρ – динамическая скорость). Оребрение поверхности прямоугольного крыла при числе Маха M < 0,6 приводит к снижению турбулентного трения на 8…9 %. На этих режимах оребрение целесообразно применять как на засасывающей, так и на нагнетающей поверхностях с оптимальным безразмерным шагом оребрения Sîïò* = 20 – на нагнетающей и 0,8Sîïò* – на засасывающей поверхностях крыла.

2.8. Гидробионические закономерности строения покровов скоростных рыб

Речные, морские и океанические рыбы имеют три вида покрова – кожный, чешуйчатый и слизистый.

Кожный покров нескоростных рыб Re ≤ 105, как и для всех позвоночных животных, состоит из трех основных слоев: наружного тонкого слоя (эпидермис); собственно кожи (кориум) – толстого сред-

58	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

него слоя, состоящего из пучков и волокон; нижнего слоя (субкутис) – слоя рыхлой соединительной ткани, содержащей многочисленные жировые клетки. Главное назначение – защита тела от механических и других повреждений.

У скоростных рыб характер строения кожи дивергентный, где наряду с общей структурой имеются местные особенности, связанные с неоднородностью и наличием дополнительных слоев. Так, например, у скоростных акул многочисленные пласты волокон кориума расположены параллельно поверхности тела в виде мелкой сетки. Причем направление волокон в смежных пластах ортогональное и составляет с продольной осью тела угол 45° (в хвостовой части угол уменьшается до 35...40°). Диагональное расположение по правой и левой спиралям волокон армирует кожу акул и является оптимальным в условиях изгибно-колебательных движений тела плавающей рыбы, что послужило, кстати, техническим аналогом при создании материалов, армированных кордом полимерных изделий.

Анализ строения кожи костистых и хрящевых рыб позволяет сделать вывод, что с ростом числа Re от 2 105 äî 5 107 эпидермис кожи становится многослойным (пеламида 2…3, тунец 4…5, меч- рыба 8…10, акула серая и мако 10…12). При этом развивается также многослойный секретирующий эпителий*), который в состоянии выделить в пограничный слой большое количество слизи.

Чешуйчатый покров имеют подавляющее большинство рыб. Че- шуя вместе с кожей является наружным скелетом рыбы, выполняя кроме защитной гидродинамическую роль. В зависимости от размеров рыб, скорости плавания, а также образа жизни чешуя у разных рыб различается по расположению на поверхности, залеганию в коже, размерам, строению и форме.

Несмотря на большое многообразие чешуйчатых покровов, характерной общей тенденцией является уменьшение относительной высоты бугорков k/L (k – высота бугорков чешуи; L – длина рыбы) с ростом числа Re. Так, при Re = 105 она составляет k/L = 10–3, ïðè Re = 107 будет k/L = 10–6. Наличие чешуи на коже рыб делает ее шероховатой, но от обычной шероховатой поверхности твердых тел чешуйчатый покров отличается следующим:

правильным шахматным расположением единообразных и одно-

*) Секретирующий эпителий – железистая ткань животного, вырабатывающая слизь.

ГЛАВА 2	59

размерных чешуек, которое приводит к упорядоченному их действию в пограничном слое;

направляющим действием выступов (килей) чешуй, ориентированных вдоль основного направления потока, обтекающего тело рыбы;

допустимой высотой выступов чешуи с точки зрения ее влияния на характеристики пограничного слоя;

наличием слизистого покрова чешуи и эпидермиса, который у скоростных рыб является биополимерной смазкой.

Отмеченные выше гидродинамические качества чешуи позволяют считать ее средством удерживания слизи на поверхности тела и средством совместного их влияния на характеристики пограничного слоя и, следовательно, на сопротивление движению рыб.

И, наконец, для скоростных рыб, например скоростной акулымако отношение l/b = 1 и λ /d = 2,66 (l – длина чешуи; b – ширина; λ – расстояние между килями чешуй; d – высота бугорков чешуи). В этом случае (когда λ /d < 2,66), как это следует из теории погранич- ного слоя, ячейковые вихри, образованные шероховатостью, еще не распространяются на всю глубину пограничного слоя. Поэтому зна- чение λ /d = 2,66 является критическим, превышение которого приводит к нарушению устойчивости пограничного слоя и распространению ячейковых вихрей по всей его толщине.

Слизистый покров рыб. Наряду с защитными свойствами, когда слизистый покров предохраняет кожу рыб от загрязнения, он выполняет также гидродинамическую роль, являясь средством снижения сопротивления движению рыб. Выделяемая специальными (секреторными) клетками, которые располагаются в эпидермисе, слизь попадает в область пограничного слоя. В этом случае она играет роль высокомолекулярной добавки, наличие которой в погранич- ном слое приводит к существенному снижению сопротивления трения рыбы за счет уменьшения турбулентных пульсаций – это во-пер- вых – и, во-вторых, – за счет уменьшения сопротивления шероховатостей, покрываемых биополимерной слизью.

Толщина слоя слизи рыб колеблется в пределах 0,20…0,60 мкм и распределена неравномерно по поверхности ее тела. Так, за жаберными щелями, где выбрасывается струя воды при дыхании рыбы, а также в хвостовой части, совершающей изгибно-колебательные движения, возможны сильные возмущения обтекающего потока и

60	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

даже отрыв пограничного слоя. Поэтому в этих местах у рыб могут образовываться поля с повышенной секреторной активностью, в которых сосредоточено большое число (n) секреторных клеток большого диаметра (d) (пики на графике рис.2.24).

	d	n	d	n
	30 60
			20 40
	20 40
			10	20
	10	20
			0
	0
		0 0,2 0,4 0,6 0,8 x/l		0 0,2 0,4 0,6 0,8 x/l

à

á

Рис.2.24. Распределение по длине слизеобразующих клеток:

а – пеламиды; б – щуки;

–¡–¡– – поперечный размер клеток d, мкм; –l–l– – n, øò./ìì2

Особенно мощное развитие секреторного аппарата отмечено у скоростной меч-рыбы. По всей поверхности тела и головы экземпляра длиной 2,6 м даже невооруженным глазом видны поры в коли- честве 0,8 шт./мм2 и диаметром 0,07…0,20 мм. Даже при небольшом механическом надавливании выделяется слизистое вещество. Поры ведут во внутренние каналы диаметром 0,5…1,0 мм, которые расположены на глубине 1 мм параллельно поверхности кожи меч-рыбы. Наличие развитого секреторного аппарата наряду с большой мышечной массой (до 67 % от общей массы) позволяет меч-рыбе развивать скорость свыше 30 м/с.

Эффективность рыбьей слизи для снижения гидродинамического сопротивления доказывают эксперименты, а также исследования, выполненные с использованием других средств. Определенный интерес представляют сравнительные экспериментальные исследования по снижению сопротивления при турбулентном режиме течения водного раствора слизи пресноводных и морских рыб с помощью реометра. Трубка из нержавеющей стали реометра имела внутренний диаметр 0,58 мм, а скорость течения раствора слизи в ней достигала 13,7 м/с. Наибольший эффект снижения сопротивления трения