Слижевский Гидробионика в судостроении

ГЛАВА 2	61

(до 66 %) показали растворы 11 скоростных барракуд длиной 0,66…0,79 м (рис.2.25). При этом отмечен четко выраженный оптимум по концентрации С водного раствора слизи барракуды, который составил примерно 5 %.

%
70				1
60		2
50		5
40						6			3
30
20
10
										4
													%
					10			20	30	40		50

Рис.2.25. Снижение сопротивления трения морской воды растворенной в ней слизью морских рыб (по горизонтальной оси – концентрация слизи в растворе, %; по вертикальной оси – снижение

сопротивления сравнительно с чистой водой, %):

1 – тихоокеанская барракуда; 2 – палтус; 3 – тихоокеанская макрель; 4 – калифорнийский тунец; 5 – моллюски; 6 – морская водоросль

Отметим также результаты сравнительных экспериментов с водными суспензиями клеток эпидермиса скоростного дельфина-афа- лины и нескоростного вида – морской свиньи, концентрация которых изменялась в пределах 0,002…1,0 %. Однако во всех случаях гидродинамическое сопротивление суспензий практически не отлича- лось от такового для чистой воды. Тем самым экспериментально подтверждено качественное различие между механизмами снижения гидродинамического сопротивления кожи большинства скоростных рыб (за счет выделения слизи) и дельфинов (за счет упругодемпфирующих свойств кожи).

И, наконец, имеется большое количество полимеров, небольшая добавка которых дает значительное снижение гидродинамического сопротивления. Это так называемые экзобиополимеры – высокомолекулярные вещества, выделяемые почвенными, морскими и пресноводными бактериями. Максимальное снижение сопротивления

62	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

(52,6 %) при течении по трубам раствора почвенного биополимера было достигнуто при концентрации C = 0,5 %. Особенностью таких полимеров является их способность сохранять свою активность в течение длительного времени.

2.9. Искусственное управление пограничным слоем путем введения полимерных добавок

Феноменальный эффект резкого снижения сопротивления у рыб за счет выделения слизи в пограничный слой нашел свое использование при создании различных технических средств и, в частности, в судостроении.

Известны случаи в судовождении, когда скорости судов неожиданно возрастали, а затем уменьшались до своих обычных значе- ний. При этом было замечено, что увеличение скорости наблюдалось при плавании в местах скопления планктона. Аналогичные явления зафиксированы при испытании моделей судов в открытых бассейнах и связаны с "цветением воды". На основании опытов и наблюдений было высказано предположение, что, по-видимому, в этих случаях морские и пресноводные микроорганизмы и водоросли выделяют высокомолекулярные соединения (полисахариды), которые действуют на сопротивление движению судна подобно выделяемой в область пограничного слоя слизи рыб.

Удивительные свойства полимеров были обнаружены также при исследовании течений растворов полимеров по трубам. Так, например, свойство раствора гуара (полимер растительного происхождения) обнаружили случайно. В штате Техас на одной из нефтяных скважин ошибочно был открыт не тот кран. Это явилось причиной поступления огромного количества гуара в сырую неочищенную нефть, которая подавалась по главному трубопроводу в нефтехранилище. К удивлению присутствующих, вместо засорения трубопровода перекачивающие насосы работали с пониженной нагрузкой.

Первое в 1948 году научное сообщение на Международном конгрессе о влиянии высокомолекулярных добавок на сопротивление движению жидкости было сделано английским исследователем Б.Томсом. Автор сообщения получил двукратное уменьшение сопротивления в турбулентном потоке. В дальнейшем эффект резкого снижения сопротивления за счет полимерных добавок получил наи-

ГЛАВА 2	63

менование эффекта Томса. Однако прошло еще много лет, прежде чем в 1961 году были начаты систематические исследования (США, Англия, Канада и др.) возможности снижения сопротивления путем добавления в жидкость полимеров, среди которых наиболее эффективными оказались гуар и окислы полиэтилена (оксиды), обладающие рядом специфических свойств: хорошо растворимы в воде, имеют высокий молекулярный вес и др. С этого времени широко изуча- ется влияние полимерных добавок:

на сопротивление движению тел различной формы; на характеристики турбулентного пограничного слоя и течение

по трубам; на действие полимерных добавок на гидродинамические шумы,

создаваемые пограничным слоем.

Влияние полимерных добавок на сопротивление движению тел различной формы. Первыми наиболее полными являются исследования, выполненные в США на установках с вращающимися дисками. Вращение диска (диаметром 457 мм) осуществлялось в резервуаре емкостью 3785 л. Частота вращения и момент на валу измерялись при различных концентрациях С, %, раствора полимеров.

На рис.2.26 приведены результаты измерений эффективности полимера гуара, получаемого из выращиваемых в США, Пакистане и Индии растений. Здесь показана зависимость относительного зна- чения момента сил сопротивления вращению диска M = M M0 % (М – момент в водном растворе полимера; М0 – момент сопротивления в воде) от концентрации С, %, раствора гуара.

Максимальный эффект снижения сопротивления (на 70 %) был достигнут при концентрации водного раствора гуара С = 0,05 %.Еще более эффективным оказался водный раствор полиэтиленоксида (полиокс) – синтетический полимер, который дает уменьшение сопротивления на те же 70 %, но при значительно меньшей концентрации С = 0,01 % (рис.2.27).

Анализ результатов опытов на вращающихся дисках позволил получить следующие выводы относительно механизма влияния полимерных добавок:

введение полимерных добавок не влияет на величину сопротивления при ламинарном режиме течения и проявляется только при достижении критического числа Rеêð;

при турбулентном режиме с увеличением концентрации раство-

$" ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

ра полимера до некоторой оптимальной величины сопротивление уменьшается;

и, наконец, введение полимера практически не сказывается на величине Reêð.

Ì/Ì0, % 90

80
70
60
50													1		2
40
30
200
		0,05	0,10							0,15
												0,20	0,25		0,30			0,35
									Концентрация, %

Рис.2.26. Относительное уменьшение крутящего момента на диске в зависимости от концентрации водного раствора гуара:

1 – скорость вращения диска 20 об/с; 2 – 40 об/с

Ì/Ì0, %

90
80
70
60
50
40
30	3	2	1
	4

20

00,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

Концентрация, %

Рис.2.27. Относительное уменьшение крутящего момента на диске в зависимости от концентрации водного раствора полиэтиленоксидов различного молекулярного веса:

1 – ~ 2·105; 2 – ~ 6·105; 3 – ~ 4·106; 4 – больше 5·106

ГЛАВА 2	65

Это позволяет дать следующее объяснение механизму влияния полимерных добавок. Поскольку концентрация водных растворов полимеров незначительна (доли процента), значение коэффициента вязкости, как и других физических характеристик растворов полимеров, не отличается от таковых для чистой воды. Этим объясняется отсутствие влияния полимеров при ламинарном режиме течения. Это во-первых. И, во-вторых, поскольку это влияние проявляется только при турбулентном режиме, то следует предположить, что оно связано с уменьшением интенсивности турбулентных пульсаций в растворе полимера и в связи с этим – с изменением характера эпюры скоростей в пограничном слое (она становится менее полной), что в конечном итоге приводит к ламинаризации потока.

После специально проведенных в США экспериментов был сделан ряд очень важных выводов, позволяющих использовать их при практическом внедрении полимерных добавок с целью снижения сопротивления:

эффективность влияния полимерных добавок увеличивается с ростом их молекулярного веса (см. рис.2.27);

с течением времени происходят "старение" и потеря эффективности растворов полимеров как средства снижения сопротивления. При этом период "старения" для различных полимеров разный. Так, для полиокса он составляет более суток, для гуара он значительно выше;

влияние солености воды практически не сказывается на эффективности полимера;

сопротивление шероховатых дисков больше по сравнению с сопротивлением гладких дисков при одинаковой концентрации раствора полимера. Для снижения сопротивления шероховатого диска до величины сопротивления гладкого диска необходимо увеличить концентрацию раствора полимера в 2…3 раза.

Значительные изменения характеристик турбулентного пограничного слоя, обусловленные введением полимерных добавок, способствовали постановке экспериментов с полностью погруженными телами вращения в трех направлениях:

исследование эффективности действия растворимых полимерных покрытий, размещенных на поверхности носовой оконечности тела; инжектирование полимерного раствора внутрь пограничного

ñëîÿ;

66	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

изучение действия полимерных добавок на пограничный слой тела вращения, неподвижно установленного в потоке водяного раствора полимера малой концентрации.

Анализ результатов модельных исследований, осуществленных главным образом в США, позволил получить ряд очень важных рекомендаций, которые могут быть использованы при создании различного рода средств передвижения в воде (подводных аппаратов, торпед и др.):

испытания тел вращения с плохо- и хорошообтекаемой формой носовой оконечности с нанесенным на ее поверхность растворимым полимерным покрытием показали, что для тела с плохообтекаемой оконечностью наличие полимерного покрытия приводило к снижению сопротивления трения на 27…30 %. Для тела с хорошообтекаемой носовой оконечностью и, следовательно, с большой протяженностью ламинарного участка существенного снижения сопротивления за счет полимерного покрытия носовой оконечности не наблюдалось. Причиной этого, по-видимому, явилась малая растворимость полимера в условиях ламинарного обтекания.

Помимо перечисленных выше способов, возможно инжектирование высокомолекулярных полимеров в пограничный слой, формируемый при обтекании тела потоком вязкой жидкости в абсолютном или обратимом движении. В этом случае на поверхности тела имеются специальные щели, располагаемые перпендикулярно направлению натекающего потока, через которые осуществляется инжектирование раствора высокомолекулярного полимера.

Экспериментальные исследования, проведенные в Тихоокеанской лаборатории ВМС Канады, позволили сделать следующие заключения относительно влияния инжектирования полимерных добавок на сопротивление тел и факторов, определяющих это влияние:

сопротивление тела уменьшается с увеличением молекулярного веса полимеров;

сопротивление тела уменьшается с увеличением концентрации полимера. При этом всегда существует оптимальное значение концентрации, при котором это снижение достигает максимального значения;

основным фактором, определяющим эффект снижения сопротивления, является количество подаваемого в пограничный слой раствора полимера;

ГЛАВА 2	67

исследования и визуальные наблюдения показали, что раствор полимера быстро смешивается с пограничным слоем. При этом степень растворения изменяется от 100 : 1 при выходе из щели до 10000 : 1 на границе пограничного слоя.

Течение полимерных растворов по трубам. Любые опыты с полимерными добавками начинаются с проверки способности полимерного раствора снижать сопротивление при движении по трубопроводу, которое, как известно, при движении на прямолинейном участке состоит из сопротивления трения. В этом случае эффект снижения сопротивления трения удобно исследовать путем измерения перепада давления ∆p на прямолинейном участке трубы длиной L:

∆p = λ L ρυ 2 ñð,

d2

где λ – коэффициент сопротивления; L,d – длина и диаметр сечения участка трубы; υñð – среднерасходная скорость потока в трубе.

Для максимального снижения возможности деградации (старения) молекул, которое возможно при малых скоростях потока, вытекание раствора полимера из резервуаров и дальнейшее его движение в трубах обеспечиваются воздухом высокого давления.

Наиболее полные исследования в 1966 году были проведены в

одной из лабораторий ВМС	∆R/R,
США. Было обнаружено, что в
		%
отдельных случаях движение вод-
		60
ного раствора полиокса по трубо-
проводу сопровождается снижением		50
сопротивления на 80 %, т.е. в 5 раз
(ðèñ.2.28).		40
Анализ зависимости коэффици-
ента сопротивления трубопровода		30
		20
Рис.2.28. Относительное уменьшение со-		10
противления ∆R/R трубопровода при
различной концентрации раствора поли-		0
				0,01
окса WSR-301 при числе Рейнольдса,		0,002 0,004	0,006 0,008
равном 14000		Концентрация, %

68	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

от числа Рейнольдса (рис.2.29), полученной в результате эксперимента, позволяет сделать следующие выводы:

влияние раствора полимера на сопротивление трубопровода проявляется при достижении критического числа Reêð. Ïðè Re < Reêð, когда наблюдается ламинарный режим течения, это влияние отсутствует;

введение полимерной добавки практически не влияет на вели- чину критического числа Reêð;

добавление полимера в турбулентный поток (Re > Reêð) изменяет зависимость l (Re) в направлении кривой, характерной для ламинарного потока.

λ
0,030	1	1 = 2,0 logRe		Рис.2.29. Коэффициент тре-
			λ − 0,8
0,020		λ		ния λ трубопровода при
		4		различной концентрации
			1
0,015		5		водного раствора гуара (ди-
		6		аметр трубопровода 50 мм):
0,010
				1 – турбулентный поток; 2 –
0,008
				ламинарный поток; + – чистая
0,006	64			вода; концентрация водного
	Re			раствора гуара, %: ¡– 0,05; –
0,004	2			0,01; ∆ – 0,02; × – 0,04
	104	105	106 Re

Кроме того, следует отметить:

чем больше молекулярный вес полимера, тем эффективнее снижается сопротивление при заданной концентрации;

максимальное снижение сопротивления наблюдается при незна- чительных концентрациях полимера в растворе;

с увеличением концентрации эффект снижения сопротивления трубопровода замедляется.

Специально проведенные опыты с растворами полимеров в морской воде показали, что соленость воды практически не влияет на эффективность полимерных добавок.

ГЛАВА 2	69

2.10. Испытания моделей судов и пластин в полимерных растворах

Почти одновременно в 1966 году в опытовых бассейнах США и Великобритании были проведены буксировочные испытания пластин и моделей судов (типа "Mariner" и эскадренного миноносца) с добавлением в воду бассейнов полимера полиокса.

Цель исследований – оценка влияния раствора полиокса различ- ной концентрации при турбулентном режиме обтекания. Для полу- чения полного турбулентного режима течения в пограничном слое пластины и модели судов были снабжены проволочными турбулизаторами, устанавливаемыми в носовой оконечности; на моделях судов применялось также наждачное покрытие. Для сопоставления модели судов и пластины испытывались в чистой воде и растворе полиокса 0,001, 0,002 и 0,005%-й концентрации. Испытания проводились в диапазоне чисел Re = 4·105…7·106, результаты приведены на рис.2.30.

Анализ данных испытаний пластины (рис.2.30,а) показывает, что наличие в воде даже малого количества полиокса вызывает снижение сопротивления до 40 %. Поскольку у пластины отсутствует сопротивление формы и сопротивление волновое, желаемый эффект достигается только за счет снижения сопротивления трения. Более того, этот эффект может быть получен после достижения некоторой скорости (соответствующей переходу ламинарного в турбулентный режим течения в пограничном слое). Характерно, что относительное уменьшение сопротивления трения возрастает до определенного значения с ростом скорости пластины и увеличением до соответствующего значения концентрации раствора полимера.

Анализ экспериментальных измерений сопротивления моделей судов (см. рис.2.30) в чистой воде и растворах полиокса с концентрацией 0,002 и 0,003 % позволяет сделать вывод, что относительное снижение сопротивления моделей судов меньше (в среднем составляет 25 %) по сравнению с пластиной. Последнее, видимо, объясняется наличием у моделей судов сопротивлений формы и волнового сопротивления, на величине которых добавка полимеров не отражается. Последнее было подтверждено специальными модельными испытаниями, которые свидетельствуют об отсутствии заметного влияния полимеров на волновое сопротивление.

Как и для пластин, влияние полимеров сказывается после дос-

70	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

тижения некоторой скорости. Затем с ростом скорости оно увеличи- вается, достигая максимальной величины. В дальнейшем это влияние с увеличением скорости уменьшается, поскольку относительное значение волнового сопротивления растет и, соответственно, доля сопротивления трения, на величину которого влияет введение полимерных добавок, падает.

R, Í			1
15			2
			3	∆R/R,
10			4
				%
			5	40
5			6	30
				20
				10
0		1 2	3 4 5 Vs , óç
			à
R, Í
4
			1	2
3
				∆R/R,
2				%
				40
1				30
			3	20
				10
0		1	2	3 Vs , óç
			â

R, Í				1 2
3
2					∆R/R,
					%
1				3	30
					20
					10
0	1	2	3	4 Vs , óç
		á

Рис.2.30. Результаты испытаний пластин и моделей судов в полимерных растворах:

а – сопротивление R для пластины и его относительное уменьшение ∆R/R в водном растворе полиокса WSR-301 при различных скоростях потока Vs: 1 – чи- стая вода; концентрация водного раствора полиокса, %; 2 и 6 – 0,001; 3 и 5 – 0,002; 4 – 0,005; б – сопротивление модели судна типа "Mariner"; в – сопротивление модели эскадренного миноносца: 1 – в чистой воде; 2 – в растворе полиокса WSR-301 при концентрациях 0,002 и 0,003 %; 3 – относительное уменьшение сопротивления ∆R/R при концентрации

раствора 0,002 %

Кроме вышеуказанных модельных испытаний, связанных с оценкой влияния на сопротивление полимерных добавок, были проведены ряд модельных и натурных экспериментов, исследующих практическое внедрение этого способа снижения сопротивления движению судов. В этих опытах исследовалась также эффективность од-