Способ управления коэффициентом сопротивления трения покрытия, обтекаемого жидкостью

Изобретение относится к получению антифрикционных покрытий с целью снижения коэффициента гидро- и аэродинамического сопротивления транспортных средств, движущихся в жидкости, а также в узлах трения машин и механизмов, работающих в водных средах.

Близких аналогов, относящихся непосредственно к способам управления коэффициентом сопротивления трения покрытия, обтекаемого жидкостью, найти не удалось.

Известны антифрикционные материалы, используемые в узлах трения машин и механизмов, работающих в водных средах (авторское свидетельство СССР №1654306 от 30.12.1987 г.). Для достижения более низкого сопротивления трения предложен новый состав материала и конкретные соотношения компонентов. Однако достигнутые при этом результаты опытов далеки от коэффициента трения самополирующихся лакокрасочных покрытий, близкого к теоретическому значению Блазиуса.

Известен составной материал, закрепляемый на корпусе кораблей, для уменьшения сопротивления движению (заявка Франции №2615788, 1988 г.). Внешний слой является гидрофильным и растворимым в воде. Растворимые частицы краски попадают в ламинарный подслой и снижают толщину пограничного слоя. Недостаток такого материала - кратковременность эффекта снижения трения, а именно до тех пор, пока растворится вся краска.

Известны различные устройства для снижения трения движущегося судна путем управления в функции времени формой поверхности демпфирующего покрытия, наклеенного на подводную часть корпуса судна, например для создания бегущей волны вдоль корпуса (авт. свидетельство СССР №1726308 от 22.06.1986 г.). Недостатки таких устройств - громоздкость конструкции, низкая ремонтопригодность.

Известно устройство для подачи раствора высокомолекулярного полимера на поверхность корпуса судна (авт. свидетельство СССР №1068325 1982 г.) для ламинаризации обтекающего судно потока. Основной недостаток - большие расходы полимера, который приходиться возить на борту.

Известен способ снижения гидродинамического сопротивления движению тел (авт. свидетельство №364493 от 22.06.1970 г.), состоящий в создании в пограничном слое электромагнитного поля (с использованием алюминиевых или других электродов) для генерации в нем комплексов молекул вместо подачи в пограничный слой полимеров. Недостатки способа - трудности замены расходуемых электродов и создания гомогенного (с комплексами молекул) пограничного слоя.

Технический результат изобретения - снижение сопротивления трения антифрикционного покрытия в жидкости за счет управления коэффициентом сопротивления трения - достигается тем, что при изготовлении антифрикционного покрытия удельную поверхностную энергию вдоль линий тока (поверхности тока) формируют с отрицательным градиентом.

Современные подходы изучения гидро- и аэродинамического сопротивления трения ограничиваются рассмотрением внутреннего трения обтекаемой среды, принимая гипотезу о прилипании частиц среды к стенке. На основе теоретических и экспериментальных исследований (Третья международная конференция «Военно-морской флот и судостроение в современных условиях». Перспективы кораблестроения и военно-морских флотов в XXI веке, 26-28 июня 2003 г. Труды, Секция А, Секция В) показано, что свойства материала стенки существенно изменяют картину поверхностного взаимодействия среды и стенки тела. Для поверхности тела, имеющей гетерогенную структуру, сочетающую гидрофильные и гидрофобные свойства, на границе соприкосновения разнородных молекул выявлен «капельный» эффект, то есть среда при сплошном потоке в этих зонах ведет себя подобно капле. На таких поверхностях наблюдаются три зоны. Первая - зона с повышенной энергией активации и нулевой касательной скоростью среды в областях поверхности тела с гидрофильными свойствами. Вторая - зона с пониженной энергией активации и нулевой касательной скоростью среды в областях поверхности тела с гидрофобными свойствами. Третья - зона с энергией активации, равной энергии активации молекул среды, и ненулевой касательной скоростью в граничащих гидрофильных и гидрофобных областях. Доказан двойной механизм снижения гидродинамического трения подобных поверхностей: за счет снижения коэффициента вязкости среды в приповерхностном слое, вызванного уменьшением энергии активации, и за счет возможного проскальзывания частиц среды, обусловленного «капельным» поведением частиц среды в потоке. Получены аналитические выражения, определяющие значения коэффициента вязкости в зависимости от типа среды и свойств материала поверхности. Сформулированы условия проскальзывания частиц среды по поверхности стенки тела. Теоретические результаты качественно согласуются с экспериментальными данными, полученными при обтекании водой пластины, покрытой полимерным красителем с фуллеренсодержащимн добавками. При (1,0-1,5)% содержании гидрофобных добавок достигнуто (15-20)% снижение значения коэффициента трения.

Способ управления коэффициентом сопротивления трения антифрикционного покрытия, обтекаемого жидкостью (в данном случае водой), проверен на специализированном гидродинамическом стенде НС-83 ЦНИИ имени А.Н.Крылова.

Стенд (см. фиг.1) имеет измерительный канал 1 с прямоугольным поперечным сечением. В верхней части стенда находится смотровое стекло 2. Внутри канала устанавливается съемная пластина 3 (длина 1800 мм, ширина 30 мм, толщина 10 мм) с нанесенным на верхнюю часть пластины антифрикционным покрытием 4. Измерительный канал имеет расходомер 6 (ИР-61, погрешность 1%) и дифференциальные манометры 7 (марка ДС-ЭЧ, погрешность измерения давления 0,5%).

Поступающая в канал вода обтекает покрытие 4 пластины 3 с заданной скоростью (до 12 м/с). По показаниям расходомера (заданной скорости потока) и дифференциальных манометров рассчитываются потери энергии потока вследствие трения воды на поверхности покрытия и соответствующий коэффициент сопротивления трения.

Для создания антифрикционного покрытия с отрицательным градиентом выбран полистирол, в котором растворялся фуллерен С60. Далее была получена экспериментальная кривая зависимости коэффициента трения покрытия от концентрации фуллеренов. Наибольший коэффициент соответствует нулевой концентрации и наименьший - величине концентрации фуллеренов 1%. Полоса по длине пластины была разбита на 20 частей. На каждую часть наносилось покрытие одинаковой толщины (150 мкм) с заданной концентрацией фуллерена. На первой части пластины концентрация составляла 0%, на двадцатой - 1%. На промежуточных частях - по линейному закону от 0 до 1%.

Результаты измерений и расчетов коэффициента трения покрытия в зависимости от числа Рейнольдса представлены на фиг.2.

Вначале измерялась пластина №22 с добавками фуллеренов постоянной концентрации по длине полосы. Затем вторая пластина (№6-1-2), обтекание которой водой начиналось со стороны части с нулевой концентрацией фуллерена (обратный ход), затем, наоборот, с концентрацией 1% (прямой ход). Отчетливо видна заметная разница в коэффициентах трения для прямого и обратного хода, т.е. влияние градиента удельной поверхностной энергии антифрикционного покрытия.

Способ управления коэффициентом сопротивления трения антифрикционного покрытия, обтекаемого жидкостью, отличающийся тем, что вдоль линий тока или поверхностей тока жидкости удельную поверхностную энергию покрытия создают с отрицательным градиентом.