Владимир Петров - Структурный анализ систем

Явление кавитации на крыле возникает из-за его взаимодействия с водой, создающее подъемную силу, но при этом возникает гидродинамическое сопротивление; а при увеличении скорости появляются кавитационные пузырьки.

В целом ставится задача уменьшения гидродинамического сопротивления и, в частности, не допустить вредных последствий кавитации.

Как быть?

Рис. 4.4. Подводное крыло

Разбор задачи

Представим задачу в вепольном виде (4.2).

Где:

В 1 — вода;

В 2 — крыло;

П 1 — поток воды.

Поток воды действует на крыло, создает подъемную силу (прямая стрелка) и поток воды действует на крыло, образуя гидродинамическое сопротивление или кавитационные пузырьки, создающие каверны (волнистая стрелка — плохое действие).

Это веполь с вредной связью.

Вредная связь может быть устранена введением В 3в соответствии со схемой (4.1). Тогда для данной задачи структурное решение можно представить схемой (4.3).

Для снижения сопротивления в качестве В 3можно использовать:

1. Волоски (рис. 4.5) — макроуровень В 3. Они превращают турбулентный поток (поток с вихрями) в ламинарный (ровный — без вихрей).

2. Вещества с длинными молекулами(волоски В 3на микроуровне ). В качестве этих веществ могут использоваться гели, полимеры и т. п. Такое явление называется эффектом Томса.

Рис. 4.5. Подводное крыло, покрытое волосками

На рис. 4.5 В 3 —это волоски.

Подобные решения можно использовать и на других объектах, обтекаемых водой.

Пример 4.11. Подводный аппарат

В устройстве, уменьшающем сопротивление подводного аппарата, используется слабый раствор полимера ( В 3на микроуровне), образующийся в пограничном слое забортной воды при смешении подогретой жидкой смеси либо гранулированного или порошкообразного полимера с морской водой. Подогретая жидкая смесь представляет собой дисперсию макромолекул полимера, растворимую в морской воде при температуре окружающей среды, но нерастворимую в воде при температуре выше 70 оС. Когда подогретая жидкая смесь попадает в холодную воду при соответствующих условиях окружающей среды, частицы набухают и растворяются, образуя клейкую массу. В пограничном слое обтекающего потока они образуют молекулярный раствор макромолекул, препятствуя образованию турбулентного потока (рис. 4.6). В этом изобретении использован эффект Томса.

В вепольной схеме по схеме (4.1) в данном изобретении:

В 1 — морская вода;

В 2 — подводный аппарат;

П 1 — поток воды;

В 3 —клейкая смесь.

Рис. 4.6. Подводный аппарат с клейкой массой.

Патент США 3 435 796

1 — подводный аппарат, 2 — формирующая насадка (головка), 3 — радиальный канал, 4 — входное отверстие, 5 — насос, 6 — клапан, 7 — нагреватель, 8 — смесительный бак, 9 — добавка, 10 — поток воды, 11 — клейкая масса — дисперсия полимера (пунктирная линия).

Пример 4.12. Трубопровод

Для снижения потерь напора при перемещении жидкости по трубопроводу и достижения жидкостью свойства псевдопластичности в нее вводят длинноцепочный полимер, например полиакриламид, в количестве 0,01‒0,2% по весу (рис. 4.7). В этом изобретении (а. с. 244 032) использован эффект Томса.

В вепольной схеме по схеме (4.1) в данном изобретении:

В 1 — жидкость;

В 2 — трубопровод;

П 1 — поток жидкости;

В 3 —длинноцепочный полимер.

Рис. 4.7. Трубопровод

Пример 2.13. Снижение гидродинамического сопротивления

Снижение гидродинамического сопротивления может быть достигнуто за счет образования присадок под воздействием какого-либо поля из молекул самой жидкости, аналогичных по свойствам полимерным молекулам. В данном примере В 3 — присадки.

Устранение вредных связей в системе производится введением между веществами В 1и В 2третьего вещества В 3, являющегося веществом В 1или В 2, или их видоизменением (они обозначаются В ' 1, В ' 2).

В отличие от схемы (4.1) в данном случае В 3вводится и не водится. Используются ресурсы системы — берутся имеющиеся в системе вещества В 1или В 2или их видоизменения В 1 », В 2 ». Это описано схемой (4.4).

Это более идеальная схема, так как мы не вводим дополнительных веществ, а используем только имеющиеся.

Продолжим рассмотрение задачи 4.9 (подводные крылья).

Согласно схеме (4.4), в качестве В 3может быть использованы крыло , вода или их видоизменения .

Сначала продемонстрируем примеры устранения вредных связей использованием самих веществ (крыла и воды).

Пример 4.14. Дополнительное крыло

Для недопущения вредного действия кавитации можно использовать в качестве В 3дополнительное крыло (рис. 4.8). Это крыло создает поток, который уносит квитанционные пузыри за крыло. Таким образом, крыло не разрушается.

Рис. 4.8. Подводное крыло с дополнительным крылом

Пример 4.15. Поток воды над крылом

Для недопущения кавитации можно использовать в качестве В 3 воду .

Дополнительный поток жидкости над крылом можно создать, сделав в крыле тонкие сквозные отверстия (рис. 4.9). Тогда за счет разницы давлений (Р1 и Р2) вода с нижней части крыла будет «подсасываться» на верхнюю поверхность крыла. Напомним, что разница в давление над крылом и под крылом создается за счет формы крыла. Длина периметра верхней части больше нижней, поэтому сверху скорость прохождения потока больше, чем внизу, а следовательно, в соответствии с законом Бернулли давление будет меньше, там, где скорость потока выше.

Рис. 4.9. Подводное крыло с дополнительным потоком воды

Где: Р 1 — давление над крылом; Р 2 — давление под крылом.

Подобная подача воды в зону засасывания крыла повышает в ней давление и отдаляет возникновение кавитации при данной скорости обтекания крыла.

Чтобы подача жидкости в верхнюю часть крыла меньше сказывалась на снижении подъемной силы крыла, осуществляют отсос воды из среднего продольного канала за счет набегающего потока (рис. 4.9). Отсос создается за счет разряжения, получаемого путем потока жидкости, проходящего перпендикулярно вертикальным каналам, используя явление эжекции.

Скорость протекания воды в среднем продольном канале будет меньше, чем в верхней части крыла, а давление, соответственно, больше. При этом давление нагнетания на нижней поверхности крыла, в отличие от варианта на рис. 4.10, будет сохранено.