СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СНИЖЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПОЛИМЕРА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ НА МОРСКИХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТАХ
METHOD OF INCREASING EFFICIENCY OF REDUCING HYDRODYNAMIC RESISTANCE USING POLYMER FOR USE ON OFFSHORE AND INDUSTRIAL FACILITIES

ЗАЯВЛЕНИЕ О ЗАИНТЕРЕСОВАННОСТИ ПРАВИТЕЛЬСТВА
Описываемое здесь изобретение может использоваться либо Правительством США, либо в интересах Правительства США без уплаты роялти.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В последние 40 лет в США, Франции; Японии, Украине и России проводились исследования и выдавались патенты, описывающие возможности вязкоупругих покрытий с целью уменьшения гидродинамического сопротивления. При этом может использоваться только одно покрытия или покрытие и другие способы снижения гидродинамического сопротивления. Характеристики таких покрытий оказались противоречивыми; они являются недолговечными, тяжелыми, дорогостоящими в установке и при их разрушении увеличивается гидродинамическое сопротивление. Из-за высокой стоимости и сложности они применяются только на особо важных военно-морских судах. Кроме того, покрытия подвержены морским отложениям, которые могут ухудшить их характеристики и характеристики судна. Некоторые покрытия требуют затрат электрической, тепловой или пневматической энергии, чтобы приспособиться к динамике морской среды или к промышленному применению. Существует потребность в эффективном, легко обслуживаемом и дешевом вязкоупругом покрытии, которое отвечает требованиям морской и промышленной среды.
ЦЕЛИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цели настоящего изобретения:
(1) создание эффективной системы вязкоупругого покрытия, уменьшающего гидродинамическое сопротивление, которая может быть саморемонтируемой и выдерживать нагрузки морской и промышленной среды;
(2) разработка способа повышения эффективности методик снижения сопротивления трения типа известного "эффекта Томса" [Томе Б.А.», Некоторые наблюдения на потоке растворов линейных полимеров в прямых трубах при больших числах Рейнольдса" Труды 1-го Международного конгресса по реологии, Амстердам, 11, 135-141, 1948];
(3) увеличение благоприятного экологического воздействия от снижения гидродинамического сопротивления с помощью полимера путем дальнейшего снижения токсичных выбросов и выбросов углекислого газа, вырабатываемых морскими силовыми установками;
(4) создание регенеративного анизотропного вязкоупругого покрытия, которое само по себе уменьшает сопротивление трения на величину порядка десяти процентов;
(5) создание средства подавления образования биологических отложений и сопутствующего эксплуатационного гидродинамического сопротивления, связанного с работой в морской среде;
(6) создание покрытия, снижающего гидродинамическое сопротивление, которое не требует дорогостоящей установки и повторной швартовки для обслуживания и ремонта;
(7) разработка покрытия, в котором отсутствуют ослабляющие "краевые эффекты";
(8) разработка покрытия, которое не будет создавать поверхностные деформации, простирающиеся выше вязкого подслоя и таким образом действуют как "динамические" неровности, которые увеличивают гидравлическое сопротивление;
(9) создание покрытия, которое по своей природе является анизотропным в направлении потока;
(10) создание абляционного полимерного покрытия, потери которого можно легко пополнять в море на ходу или во время работы в промышленных условиях; и
(11) разработка вязкоупругой поверхности в виде волокнистой или подобной щетке поверхности, которая уменьшит уровень турбулентности, как было продемонстрировано при выбросе волокон в поток и в случае поверхности с микроканавками (riblets).
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Интерес к эластичным (податливым) покрытиям для морских транспортных средств наблюдается с середины 1960-х гг., когда Макс О.Крамер изучал податливые покрытия как средство уменьшения гидродинамического сопротивления путем расширения зоны ламинарного потока в пограничном слое [Крамер М.О. «Средство и способ стабилизации пограничного слоя ламинарного потока» патент США №3161385, опубликованный 15 декабря 1964 г.; и Крамер Макс Отто «Средство и способ стабилизации пограничного слоя ламинарного потока», патент США №3585953, опубликованный 22 июня 1971 г.] [Kramer, М.О., "Means and Method for Stabilizing Laminar Boundary Layer Flow," U.S. Patent No. 3,161,385, which issued 15 December 1964; and Kramer, Max Otto, "Means and Method for Stabilizing Laminar Boundary Layer Flow," U.S. Patent No. 3,585,953, which issued 22 June 1971]. Крамер предположил, что поверхностные покрытия, которые успешно имитируют кожу дельфина, могут гасить составляющие трения гидродинамического сопротивления морского судна. При покровительстве Отдела военно-морских исследований военно-морского флота США [Крамер М.О. «Регулирование пограничного слоя с помощью «искусственной кожи дельфина» «Военно-морской технический журнал» №89 (5): 41-45, 1977 г.] [Kramer, М.О., "Boundary Layer Control by 'Artificial Dolphin Coating'," Naval Engineers Journal 89(5): 41-45, 1977] в гавани Лонг-Бич была проведена успешная демонстрация изобретения. С тех пор исследователи США не много преуспели в повторении этой работы. Однако, в течение 1970-х и 1980-х гг. работы по снижению гидродинамического сопротивления с использованием покрытий, спонсируемые советским военно-морским флотом, проводился в основном в Киеве (Украина) и в Новосибирске (Россия). Эта работа, проводимая Л.Ф.Козловым и Виктором В.Бабенко в Институте гидромеханики в Киеве (Украина), привела к появлению ряда авторских свидетельств [1413286, 1483538, 1597866, 1802672]. Отличие советских работ от работ Крамера состоит в том, что они снижали уровень турбулентности в пограничном слое, а не только расширяли зону ламинарного потока. В некоторые покрытия вводились полимерные добавки с получением системы, которая была более эффективна, чем любая из методик, взятая по одиночке. Бабенко и др. первыми поняли возможности применения как самих вязкоупругих покрытий, так и этих покрытий в сочетании с другими методиками. Киевская группа смогла идентифицировать определенные характеристики качественного покрытия, что не смог сделать Крамер в своих ранних работах. Это стало очевидно после разработки этих покрытий, важной особенностью которых является анизотропия в направлении потока.
Большинство вязкоупругих покрытий, испытанных в США, не были удачными, и некоторые из них фактически увеличивали гидродинамическое сопротивление. После Крамера подход американских исследователей состоял в том, чтобы испытать целый ряд доступных материалов покрытий. До Мэя и Воропаева [Мэй С.Л. и др. «проект вязкоупругих покрытий для снижение турбулентного сопротивления трения", патент США №6516652 В1, опубликованный 11 февраля 2003 г.] [May, С.L. et al., "Design of Viscoelastic Coatings to Reduce Turbulent Friction Drag," U.S. Patent No. 6,516,652 B1, which issued 11 February 2003] не предпринимались усилия для тщательного отбора свойств вязкоупругого покрытия с учетом параметров смежного турбулентного пограничного слоя. При этом подходе удалось избежать неблагоприятных условий, которые преследовали американских исследователей, например, «статической дивергенции», динамической неровности, и волн на покрытии, идущих в направлении обратном потоку [Хансен Р.Дж. и Ханстон Д.Л. «Влияние свойств жидкости на волны, генерируемые потоком на эластичной поверхности», «Журнал по гидромеханике», т.133, 161-177, 1983] [Hansen, R.J. and Hunston, D.L. «Fluid-property Effects on Flow-generated Waves on a Compliant Surface» J. Fluid Mechanics, v.133, 161-177, 1983]. Согласно Мэй и Воропаеву свойства материалов покрытия должны подбираться таким образом, чтобы гасить пульсации турбулентного пограничного слоя под прямым углом к поверхности, и что результирующая реакция должна быть со смещением по фазе на 90° и в направлении потока. Согласно данному подходу идентифицировано множество характеристик вязкоупругого покрытия для получения положительного эффекта. Во-первых, они повторили подход Бабенко, согласно которому покрытие должно быть анизотропно в направлении потока. Во-вторых, согласно подходу Мэй и Воропаева любые генерируемые турбулентностью деформации на поверхности покрытия не должны превышать высоту вязкого подслоя. В-третьих, согласно этому подходу при неудачным образом выполненных поперечных краях покрытия генерируемые турбулентностью волны могут отражаться в покрытии (то есть, краевые эффекты), что снижает эффективность покрытия. В-четвертых, согласно данному подходу плотность покрытия должна приблизительно соответствовать плотности жидкости обтекающей покрытие.
Даже если покрытие выполнено правильно, оно все равно непрочно и может порваться, что снижает его эффективность. Вообще, покрытия достаточно сложны в исполнении и дороги, и поэтому они применяются только на военных подводных лодках. Толщина покрытий обычно составляет от 1 до 10 см, что делает их тяжелыми и осложняет установку. По этим причинам коммерческое применение должно все же стать реальным.
Существуют другие категории покрытий, которые являются коммерчески доступными и обеспечивают снижение гидродинамического сопротивления [Гилман Томас X. "Способы нанесения гидрофильного покрытия на подложку, и подложки с гидрофильным покрытием", публикация США №2007/0184275 А1, опубликовано 9 августа 2007 г., и Дитц Тимоти М. и др. «Изделие со снижением гидродинамического сопротивления и способ его применения», публикация США №2004/0126541 А1, опубликовано 1 июля 2004] [Oilman, Thomas H. «Methods of Applying a Hydrophilic Coating to a Substrate, and Substrates Having a Hydrophilic Coating» Pub. No. US 2007/0184275 А1 published 9 August 2007, and Dietz, Timothy М. et al», Drag Reduction Article and Method of Use," Pub. No. US 2004/0126541 Al published 1 July 2004], или обладают способностью замедлять образование морских отложений [Гамильтон Уиллард Чалсон и др. «Гидрофильные ослабляющие образование отложений покрытия и их использование", публикация США №2007/0258940 A1, опубликовано 8 ноября 2007] [Hamilton, Willard Chalson et al. «Hydrophilic Foul ing-release Coatings and Uses Thereof," Pub. No. US 2007/0258940 A1 published 8 November 2007], но они не являются вязкоупругими. Другие включают гидрофильные покрытия днища судов, типа SEA-SLIDE™, и абляционные лакокрасочные покрытия, которые выпускают полимер в пограничный слой [Сапко и др., патент США №5488076, опубликованный 30 января 1996 г.] [Supcoe et al., U.S. Patent No. 5,488,076, which issued 30 January 1996]. Кроме того, известны виниловые поверхности с клейкой подложкой и микроканавками (упоминаемые как riblets), чистые от любых отложений, что уменьшает гидродинамическое сопротивление. Такие микроканавки организуют и стабилизируют продольные приповерхностные структуры потока. Однако каждое из этих покрытий выполняет только одну функцию (например, замедляет образование биологических отложений, выпускает полимер, или создает поверхностную структуру) и требует специального нанесения на сухую поверхность корпуса (то есть без воды). Таким образом, судно должно быть выведено из эксплуатации (то есть, поставлено в сухой док) для повторного нанесения покрытий. Совсем недавно была предпринята масса попыток по использованию появляющихся нанотехнологий, обеспечивающих получение поверхности, взаимодействующей с турбулентностью в интерактивном режиме, что обеспечивает снижение сопротивления трения [Карнядакис Джордж Ем и др. «Способ и устройство для снижение гидродинамического сопротивления турбулентного потока», патент США №6520455 В2, опубликованный 18 февраля 2003 г.; Носенчук Дэниэль М. и др. «Электромагнитное устройство и способ для регулирования пограничного слоя», патент США №5320309, опубликованный 14 июня 1994 г.; и Носенчук Дэниэль М. и др. «Множественные электромагнитные плитки для регулирования пограничного слоя», патент США №5437421, опубликованный 1 августа 1995 г.] [Karniadakis, George Em et al., "Method and Apparatus for Reducing Turbulent Drag," U.S. Patent No. 6,520,455 В2, which issued 18 February 2003; Nosenchuck, Daniel М. et al., "Electromagnetic Device and Method for Boundary Layer Control," U.S. Patent No. 5,320,309, which issued 14 June 1994; and Nosenchuck, Daniel М. et al., "Multiple Electromagnetic Tiles for Boundary Layer Control," U.S. Patent No. 5,437,421, which issued 1 August 1995], но эти системы сложны, требуют продвинутых систем управления и могут потреблять много энергии.
Отсюда следует, что существует потребность в простом, не загрязняющем окружающую среду, и рентабельном, сокращающем гидродинамическое сопротивление покрытии, использование которого улучшает характеристики и эксплуатационную эффективность судов, идущих по воде (а также жидкостей, проходящих по трубам или трубопроводам), и которое может применяться без больших затрат на обслуживание и/или без постановки судна в сухой док.
В экспериментах снижение трения более надежно достигалось введением добавок в пограничный слой. Чаще всего используются добавки в виде водных растворов длинноцепных полимеров [Хойт Дж.В. и Фабула А.Г. «Сопротивление трения в буксировочных (опытных) бассейнах», Труды 10 Международной конференции по буксировочным бассейнам, Теддингтон, 1963 г.; Хойт Дж.В. «Снижение гидродинамического трения», NURDC, 5 мая 1969 г.; и Хойт Дж.В. «Снижение гидродинамического сопротивления с помощью полимеров и поверхностно активных веществ», в «Снижение вязкостного сопротивления в пограничных слоях», под редакцией Д.М.Бушнелл и Дж.Н.Хефнер, том 123, 413-429, 1990 г.] [Hoyt, J.W. and Fabula, A.G., "Frictional Resistance in Towing Tanks," Proc. 10 Intern. Towing Tank Conf., Teddington, 1963; Hoyt, J.W., "Fluid-Flow Friction Reduction," NURDC, May 5, 1969; and Hoyt, J.W., "Drag Reduction by Polymers and Surfactants," in Viscous Drag Reduction in Boundary Layers, edited by D.M.Bushnell and J.N.Hefner, Vol.123, 413-429, 1990]. Было разработано множество способов по выбору, подготовке и стабилизации снижающих гидродинамическое сопротивление растворов полимеров [Бок Ян и др. «Снижающие гидродинамическое сопротивление вещества», патент США №4585810, опубликован 29 апреля 1986 г.; Лабуд Катрина M. и др. «Снижающие гидродинамическое сопротивление полимерные суспензии», публикация США №2003/0187123 А1, опубликована 2 октября 2003 г.; Джонстон Рей Л. и др. «Способ производства снижающих гидродинамическое сопротивление полимерных суспензий», публикация США №2003/0065055 А1, опубликована 3 апреля 2003 г.; Мартин Томас Дж. и др. «Стабилизированные снижающие гидродинамическое сопротивление полимерные взвеси», патент США №7256224 В2, опубликован 14 августа 2007 г.; Мартин Томас Дж. «Стабилизированные и с защитой от замерзания, снижающие гидродинамическое сопротивление полимерные суспензии», публикация США №2007/0205392 А1, опубликована 6 сентября 2007 г.; и Бассет Дэвид Робинсон и др. «Технологии подготовки водных полимерных эмульсий», публикация США №2002/0045703 А1, опубликована 18 апреля 2002 г.] [Bock, Jan et al., "Drag Reduction Agent," U.S. Patent No. 4,585,810, which was issued 29 April 1986; Labude, Katrina M. et al, "Drag-reducing Polymer Suspensions," Pub. No. US 2003/0187123 A1 published 2 October 2003; Johnston, Ray L. et al., "Method for Manufacturing Drag-reducing Polymer Suspensions," Pub. No. US 2003/0065055 A1 published 3 April 2003; Martin, Thomas J. et al, "Stabilized Polymer Drag Reducing Agent Slurries," U.S. Patent No. 7,256,224 B2, which was issued 14 August 2007; Martin, Thomas.1., "Stabilized and Freeze-protected Polymer Drag Reducing Agent Suspensions," Pub. No. US 2007/0205392 A1 published 6 September 2007; and Bassett, David Robinson et al., "Processes for Preparing Aqueous Polymer Emulsions," Pub. No. US 2002/0045703 A1 published 18 April 2002]. С целью упрочнения волокон и герметизации поверхности были разработаны и другие методики, улучшающие свойства полимерных покрытий [Триппе Дж.С. и др. «Полимерные добавки с высоким молекулярным весом для покрытий и защитной продукции», публикация США №2002/0106454 A1, опубликована 8 августа 2002 г.] [Trippe, J.С. et al., "High Molecular Weight Polymer Additive for Coating and Protective Products," Pub. No. US 2002/0106454 A1 published 8 August 2002], а не уменьшающие гидродинамическое сопротивление.
К числу других снижающих гидродинамическое сопротивление добавок относятся растворы на основе поверхностно-активных веществ, в которых образуются мицеллы [Гир А. и Беверсдорф Г.В. «Снижение гидродинамического сопротивления турбулентного потока с помощью добавок», Академическое издательство Клювер, (ISBN 0-7923-3485-Х), 1995] [Gyr, A. and Bewersdorff, H.W., "Drag Reduction of Turbulent Flows by Additives," Kluwer Academic Publ, (ISBN 0-7923-3485-X), 1995]; волокнистые материалы типа асбеста или нейлона [Ли В.К. и др. «Снижение гидродинамического сопротивления турбулентного потока в полимерных растворах, содержащих взвешенные волокна», Al Ch Е J., 20 (1), 128-133, январь 1974 г.; и Шарма Р.С. и др. «Снижение гидродинамического сопротивления впрыском по осевой линии волокон в полимерном растворе», «Журнал химической технологии», 18, 73-79, 1979 г.] [Lee, W.К. et al., "Turbulent Drag Reduction in Polymeric Solutions Containing Suspended Fibers," Al Ch E.1., 20 (1), 128-133, January 1974; and Sharma, R. S. et al., "Drag Reduction by Center-line Injection of Fibers in a Polymeric Solution, "Chem. Eng. J., 18, 73-79, 1979], и маленькие газовые пузыри, далее: "микропузыри" [Меркле С.Л. и Дойч С. «Снижение гидродинамического сопротивления в пограничных слоях жидкости с помощью впрыска газа», в «Снижение вязкостного сопротивления в пограничных слоях», под редакцией Д.М. Бушнель и Дж.H. Хефнер, том 123, 351-410, 1990 г.] [Merkle, С.L. and Deutsch, S., "Drag Reduction in Liquid Boundary Layers by Gas Injection," in Viscous Drag Reduction in Boundary Layers, edited by D.M. Bushnell and J.N. Hefner, Vol.123, 351-410, 1990]. В то время как каждый из этих способов успешно демонстрировался в лабораторных условиях, их практическая осуществимость была ограничена несколькими факторами. Для микропузырей эти ограничения касаются их миграции в сторону от пристенной зоны пограничного слоя, где они наиболее эффективны, а также их объединений в пузыри большего размера, которые менее эффективны для снижения гидродинамического сопротивления. Если не принимать в расчет ограниченный набор конфигураций эжектора, полимеры и другие добавки могут быстро диффундировать в сторону от зоны их эффективности, требуя, таким образом, очень больших расходов на поддержание эффективных уровней концентрации добавок в пристенной зоне [Вдовин А.В. и Смоляков А.В. «Диффузия полимеров в пограничном слое, вызванная турбулентностью», «Журнал прикладной механики и технической физики», 22 (4), 526-531, 1981 г.] [Vdovin, A.V. and Smol'yakov A.V., "Turbulent Diffusion of Polymers in a Boundary Layer," Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 22 (4), 526-531, 1981]. Кроме того, полимеры должны подмешиваться и переноситься в виде взвеси, что обеспечивает их правильное смешивание и гидратацию. При традиционных способах эжекции [см., например, Винкель Е.С. и др. «Снижение сопротивление трения при больших числах Рейнольдса при использовании растворов полимеров, впрыскиваемых в пристенную зону», 26-й Симпозиум военно-морской гидродинамики, Рим, Италия, 2006 г.] [Winkel, E.S. et al., "Friction Drag Reduction at High Reynolds Numbers with Wall Injected Polymer Solutions," 26th Symposium of Naval Hydrodynamics, Rome, Italy, 2006] расходуются большие объемы суспензии, которой, как ожидается, хватает на несколько часов, и поэтому применение полимеров ограничивается только военными судами, для которых используется взрывообразный рост скорости.
Помимо того, что эжекция волокон, типа асбеста или нейлона, сама по себе снижает сопротивление трения, она еще улучшает характеристики эжекции полимера, применяемого для снижения гидродинамического сопротивления [Ли В.К. и др. «Снижение гидродинамического сопротивления турбулентного потока в полимерных растворах, содержащих взвешенные волокна», AlCh E J., 20 (1), 128-133, январь 1974 г.; и Шарма Р.С. и др. «Снижение гидродинамического сопротивления впрыском по осевой линии волокон в полимерном растворе», «Журнал химической технологии», 18, 73-79, 1979 г.] [Lee, W.К. et al., "Turbulent Drag Reduction in Polymeric Solutions Containing Suspended Fibers," AlCh E J., 20 (1), 128-133, Jan. 1974; and Sharma, R.S. et al, "Drag Reduction by Center-line Injection of Fibers in a Polymeric Solution," Chem. Eng. J, 18, 73-79, 1979]. Ли и др. Сообщают, что добавка только волокон обеспечивает приблизительно 15-процентное снижение трения сопротивления, добавка только полимера обеспечивает приблизительно 36-процентное снижение трения кожи, а совместное использование этих двух способов обеспечивают более чем 60-процентное снижение трения. Шарма и др. позже подтвердили универсальность улучшения характеристик снижения гидродинамического сопротивления при совместном использовании полимера и волокон. Возможность использования этого синергизма была неуловима из-за ограничений на применение волокон в море и промышленности. Такие волокна, как известно, являются опасными в обращении и, как полагают, являются долгосрочными загрязняющими агентами, что хуже всего. С другой стороны, микропузыри и полимеры разрушаются, при этом микропузыри превращаются в воздух, а полимеры в углекислый газ и воду.
Существуют другие примеры синергизма различных способов снижения гидродинамического сопротивления. Например, известно, что надлежащее сочетание эжекции полимера и микропузырей, также как волокон и полимера, может привести к снижению гидродинамического сопротивления на более значительную величину, чем сумма этих методов, взятых по отдельности [Семенов Б.Н. и др. «Объединенное влияние небольших количеств полимеров, добавляемых в поток, и податливости поверхности на трение турбулентного потока», Сер.: Технических Наук: 89-94, 1984 г.; Амиров А.И. и др. «Эксперименты по снижению гидродинамического сопротивления турбулентного потока при совместном использовании податливых покрытий, микропузырей газа и полимерных добавок», Реф. 9, Европейская конференция по снижению гидродинамического сопротивления, Равелло-Наполи, 1995 г.; и Дойч С. и др. «Снижение гидродинамического сопротивления при совместном использовании полимера и микропузырей на большой плоской пластине», «Журнал по гидромеханике», 556: 309-327, 2006 г.] [Semenov, В.N. et al., "Combined Effect of Small Amounts of Polymers Added to a Flow and of Surface Pliability on Turbulent Friction," Seriya Tekhnichesikh Nauk: 89-94, 1984; Amirov, A. I. et al., "Experiments on Turbulent Drag Reduction by Joint Use of Compliant Coatings, Gas Microbubbles and Polymer Additives," Abstr. 9 European Drag Reduction Meeting, Ravello-Napoli, 1995; and Deutsch, S. et al., "Combined Polymer and Microbubble Drag Reduction on a Large Flat Plate," Journal of Fluid Mechanics 556: 309-327, 2006]. Кроме того, Козлов, Бабенко, и Семенов сообщили, что эффективность эжекции полимера при используется даже с плохим вязкоупругим покрытием может быть значительно увеличена. Точно так же показано, что совместное действие микроканавок (riblets) и добавок полимера приводит к такому уровню снижения гидродинамического сопротивления, который больше суммы отдельных эффектов [Кури Е. и Вирк П.С.«Снижение гидродинамического сопротивления с помощью полимерных растворов в трубах с микроканавками», Реф. 8, Европейская рабочая группа по снижению гидродинамического сопротивления, Лозанна, Швейцария, 1993 г.] [Koury, E. and Virk, P.S., "Drag Reduction by Polymer Solutions in Riblet-Lined Pipes," Abstracts 8 European Drag Reduction Working Meeting, Lausanne, Switzerland 1993]. Таким образом, если отрицательное экологическое влияние волокон и проблем, связанных с разработкой и обслуживанием снижающего гидродинамическое сопротивление вязкоупругого покрытия, может быть преодолено, то эти методики смогут не только предложить практический способ ограниченного снижения трения сопротивления, но также при использовании этих способов вместе с «эффектом Томса» (эжекция разбавленного водного полимерного раствора), очевидно, что объединенная система была бы и более эффективной и более экономичной, чем эжекция только одного полимера.
Как известно, полимеры типа полиэтиленоксида, полиэтиленгликоля, метилметакрилата, атактического полистирола и атактического полиметилметакрилата, используемые при снижении гидродинамического сопротивления, при контакте с поверхностью или при омывании поверхности образуют перекрывающиеся адсорбционные слои (adsorption entanglement layers) [Барам П. и др. «Перекрывающиеся адсорбционные слои в потоках полимерных растворов с высоким молекулярным весом III. Концентрация раствора и растворяющая способность», «Наука о коллоидах и полимерах», 264 (6): 515-521, 1986 г.; Хэнд Дж. Г. и Уильяме М.С.«Перекрывающийся адсорбционный слой при снижении гидродинамического сопротивления», «Химическая технология», 28: 63-68, 1973 г.; и Ковальский Т. «Подавление турбулентности и снижение вязкого гидродинамического сопротивления при использовании неньютоновских добавок», Труды королевского института военно-морских архитекторов, 207-219, 1968 г.] [Barham, P. et al., "Adsorption-entanglement Layers in Flowing High Molecular Weight Polymer Solutions III. Solution Concentration and Solvent Power," Colloid & Polymer Science. 264(6): 515-521, 1986; Hand, J.H. and Williams, M. C, "The Adsorbed-entangled Layer in Drag Reduction," ChemicalEngineering Science, 28: 63-68, 1973; and Kowalski Т., "Turbulence Suppression and Viscous Drag Reduction by Non-Newtonian Additives," Transactions of the Royal Institution of Naval Architects, 207-219, 1968]. Факторы, которые регулируют формирование и рост перекрывающихся адсорбционных слоев, включают химическую природу поверхности, в которой образуются слои, концентрацию раствора полимера, молекулярную массу полимера, растворяющую способность, температуру, и расход жидкости на поверхности. В частности, при увеличении молекулярной массы, увеличении концентрации, использовании улучшенных растворителей, и увеличенных расходах (например, при более высокой скорости судна), слои формировались быстрее и становились толще [Барам П. Дж. «Количественная модель для расчета образования перекрывающихся адсорбционных слоев», «Наука околлоидах и полимерах». 265 (7): 584-591,1987 г.; и Дийт Дж. С.и др. «Кинетика адсорбции и десорбции пенопласта на кремнии из декалина», «Макромолекулы» 27: 3207-3218, 1994 г.] [Barham, P.J., "A Quantitative Model for the Formation of Adsorption-entanglement Layers," Colloid & Polymer Science. 265(7): 584-591,1987; and Dijt, J.C. et al., "Kinetics of Adsorption and Desorption of Polystyrene on Silica from Decalin," Macromolecules 27: 3207-3218, 1994]. Так как солевой раствор в воде является хорошим растворителем для полиэтиленоксида, достаточно широкий слой можно ожидать в среде соленой воды [Джонс и Ричарде «Полимеры на поверхностях и границах раздела», Издательство университета в Кембридже, 1999 г.] [Jones and Richards, "Polymers at Surfaces and Interfaces," Cambridge University Press, 1999]. Другими подходящими растворителями являются декалин, толуол, монохлорбензол и ксилол. Это явление хорошо изучено в науках о коллоидах и полимерах, особенно в прикладных науках и промышленности, где представляет интерес поведение полимеров на поверхности и на границах раздела. Эти ранние сообщения Ковальского (внешний поток) [Ковальский Т. «Подавление турбулентности и снижение вязкого гидродинамического сопротивления при использовании неньютоновских добавок», Труды королевского института военно-морских архитекторов, 207-219, 1968 г.(см. прилагаемые обсуждения на страницах 216-219 - Г.Е. Габб, А.Г. Фабула, Б. Латто и С.Х. Шен); и Гир А. и Мюллер А. «Влияние пристенной адсорбции на эффект Томса» «Химическая технология» 29: 1057-1060, 1974 г] [Kowalski, Т., "Turbulence Suppression and Viscous Drag Reduction by Non-Newtonian Additives," Transactions of the Royal Institution of Naval Architects. 207-219, 1968 (see the appended written discussions at pages 216-219 by G. E. Gadd, A.G. Fabula, B. Latto and С.Н. Shen); and Gyr, A. and, Mueller A., "The Effect of Wall Absorption on the Toms Effect," Chemical Engineering Science 29: 1057-1060, 1974]. Недостаточная адсорбции полимера на поверхностях для внешних потоков может быть приписана нескольким факторам. Во время лабораторных испытаний моделей или плоских пластин в гидродинамической трубе продолжительность отдельных испытаний часто составляла меньше минуты. Короткие периоды испытаний должны гарантировать, что не произойдет нарастание фонового уровня полимера и не образуется систематическая ошибка. Кроме того, чтобы замедлить любое нарастание фонового уровня, в гидродинамической трубе после коротких периодов испытаний создается высокоскоростной поток и часто с достаточными уровнями хлора, чтобы "разрушить" полимер в растворе. Таким образом, помимо ограничения возможности для адсорбции, дополнительное введение хлора и быстрая промывка гидродинамической трубы замедляют адсорбционный процесс. Обзоры работы Ковальского позволяют сделать заключение о том, что он использовал стенд с разомкнутым, а не с замкнутым контуром. Таким образом, поток может быть непрерывным без учета полимера, который был эжектирован предварительно, который загрязняет поток на входе. Ковальский увеличил периоды испытаний, преднамеренно не стремясь "промыть" испытательный стенд. Он также проводил испытания на модельном судне в незамкнутом контуре. Во-вторых, что очень важно, Ковальский очевидно был первым, кто использовал эжектор, слот которого был установлен под небольшим углом (пять градусов к поверхности). Он продемонстрировал, что такой небольшой угол эжекции сильно снижает скорость диффузии эжектируемого полимера в сторону от поверхности. Значение этой особенности эжектора, состоящей в снижении скорости диффузии, была позже определена количественно Вдовиным и Смоляковым (1978 и 1981 гг.). Позже проводились морские испытания, продолжительность которых ограничивалась двумя-пятью минутами. Этот предел продолжительности, составляющий от двух до пяти минут, был вызван большим расходом полимера неэффективными эжекторами, для работы которых требовались очень большие объемы суспензии полимера. Обычная концентрация суспензии составляла 10000 массовых частей на миллион, что приравнивается к одной массовой доли полимера на 99 массовых частей воды. Таким образом, для нескольких минут испытаний требовался большой объем суспензии, поэтому испытания были короткими, и в них оценивалось несколько условий. В серии морских испытаний, проводимых Муром и др. [Мур К.Дж. и др. «Конструкция и испытание системы снижения гидродинамического сопротивления с помощью полимера на морском лайнере», представлено на 26 Симпозиум по военно-морской гидродинамике, Рим, Италия, 17-22 сентября 2006 г.] [Moore, K.J. et al., "Design and Test of a Polymer Drag Reduction System on Sea Flyer," presented at the 26 Symposium on Naval Hydrodynamics, Rome, Italy, 17-22 September 2006] применялась выполненная на заказ усеченная (смешивание и активация, то есть, раскручивание молекул полимера) система с использованием морской воды. Эта выполненная на заказ система, совмещенная с эжектором фирмы «Кортана флюидикс» («Cortana fluidics»), позволяет уменьшить емкость хранения полимера и его расход, обеспечивая, таким образом, почти непрерывное испытание. Индивидуальные испытания проводились ежедневно. Их продолжительность составляла от 10 до 45 минут, что позволяло в течение одного дня проводить множество испытаний. Следовательно, в отличие от гидродинамической трубы и предыдущих морских испытаний, небольшой расход, эжекция по касательной, и достаточное время обеспечили условия, необходимые для образования перекрывающихся адсорбционных слоев. Известно также, что поток раствора полимера при изменении касательных напряжений вызывает деформацию адсорбируемых слоев полиэтиленоксида. Чураев и другие сообщают, что гидродинамическая толщина адсорбируемых слоев может быть изменена в два раза или большее число раз для касательного напряжения при движении судна со скоростью 30 узлов. Изменения толщины вызваны не десорбцией (термин, используемый в соответствующей литературе), для чего необходимо больше времени. Под действием касательного напряжения адсорбционные слои деформируются быстро, но обратимо и адсорбционные слои полиэтиленоксида ведут себя как вязкоупругие тела [Чураев Н.В. и др. «Гидродинамическая толщина и деформация адсорбируемых слоев полиэтиленоксидов», «Журнал науки о коллоидах и границах раздела» 169: 300-305, 1995 г.] [Churaev, N.V. et al., "Hydrodynamic Thickness and Deformation of Adsorbed Layers of Polyethylene Oxides," Journal of Colloid and Interface Science 169: 300-305, 1995]. Процесс деформации влияет на сжатие и консолидацию адсорбируемых слоев. Следовательно, можно ожидать изменения вязкоупругих свойств слоев как функции согласования касательного напряжения; то есть вязкоупругие свойства модулируют из-за согласования скорости судна, как по величине, так и по частоте изменений. Кроме того, если микропузыри газа используются вместе с эжекцией полимера и с образованием перекрывающихся адсорбционных слоев, присутствие микропузырей может привести к захвату слоями воздуха. Если покрытие только образуется, и по мере образования покрытия захватываются микропузыри газа, плотность покрытия, а также его вязкоупругие свойства будут модифицироваться. По результатам наблюдений модификация в результате захвата воздуха ухудшает общие характеристики снижения гидродинамического сопротивления, которое начинается через несколько минут после начала эжекции газа, и продолжается десятки минут после прекращения эжекции. Однако, для других сформированных покрытий, деградация системы во время и после эжекции газа не наблюдалась. Таким образом, релаксация касательных напряжений на формируемых покрытиях путем умеренного замедления или остановки судна может привести к высвобождению захваченных газов, а возврат к скорости снова сожмет и консолидирует покрытие и не снизит захват материалов.
Кроме того, как показало использование инфракрасной спектроскопии с фурье-преобразованием, в присутствии поля течения главная полимерная цепь ориентируется в направлении потока, даже при небольших скоростях сдвига [Франц П. и др. «Ориентация адсорбируемого полимера в ответ на сдвиговый поток», «Коллоиды и поверхности А: Физико-химические и технические аспекты» 86: 295-298, 1994 г.] [Frantz, P. et al., "Orientation of Adsorbed Polymer in Response to Shear Flow," Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 86: 295-298, 1994]. Таким образом, адсорбируемый вязкоупругий слой, формируемый в поле течения, является анизотропным в направлении потока. Вообще, к поверхности может прикрепляться большое количество длинных молекул. Они могут формировать большие "петли", которые вытягиваются в раствор и отделяются "последовательностями", которые физически адсорбируются, а также длинные "хвосты", которые тянуться назад в раствор. Эти хвосты упоминаются иногда как "щетки" (brushes), которые могут уплотняться, поскольку они вытягиваются в поле течения. Таким образом, поскольку течение остается непрерывным, покрытие может расти за счет переплетения свободно плавающих молекул с предварительно сформированными молекулами, имеющими петли и хвосты.
Также известно, что полиэтиленоксидные поверхности претятствуют адсорбции протеина и других биомолекул [под редакцией Харриса Дж.М. и Залипки С. «Химия полиэтиленкликоля и его применение в биологии», Симпозиум ACS, Сер.680, Американское химическое общество, Вашингтон, округ Колумбия, 1997 г.] [Harris, J.М. andZalipsky, S, (Editors), Poly(ethylene glycol) Chemistry and Biological Applications, ACS Symp.Ser. 680, American Chemical Society, Washington, D.C., 1997]. Полиэтиленоксидная пленка используется в качестве защиты поверхности с целью снижения адсорбции протеина и адгезии клеток в медицинских имплантах, биодатчиках и диагностических устройствах [Бидерман, под редакцией Хинека, «Плазменные полимерные пленки», Издательство Имперского колледжа, Лондон, стр.237-239, 338-340, и 357-361, 2004 г.] [Biederman, Hynek (Editor), Plasma Polymer Films, Imperial College Press, London, pp.237-239, 338-340, and 357-361, 2004]. Авторы настоящего изобретения рассматривали способность полиэтиленоксидной пленки ингибировать адгезию клеток и предотвращать образование микробной слизи, которая увеличивает гидродинамическое сопротивление и способствует образованию макроотложений в виде ракообразных и трубчатых червей.
∞
Для получения эффективного и экономичного анизотропного вязкоупругого покрытия концентрация растворов полимеров с высоким молекулярным весом как вдоль стенки, так и в свободном потоке (имеющем скорость U) должна быть достаточно высокой, чтобы гарантировать высокую вероятность адсорбционного перекрытия на стенке. Способы эжекции, которые выводят эжектируемый полимер в поток, а не по касательной или почти по касательной к стене, усиливают диффузию полимера в сторону от пристенной зоны. [Вдовин А.В. и Смоляков А.В. «Диффузия полимерных растворов в турбулентном пограничном слое», «Журнал прикладной механики и технической физики» 19 (2), 196-201, 1978 г.; и Вдовин А.В. и Смоляков А.В. «Диффузия полимеров в пограничном слое, вызванная турбулентностью», «Журнал прикладной механики и технической физики» 22 (4), 526-531, 1981 г.] [Vdovin, A.V. and Smol′yakov, A.V., "Diffusion of Polymer Solutions in a Turbulent Boundary Layer," Journal of Applied Mechanics and Technical Physics 19 (2), 196-201, 1978; and Vdovin, A.V. and Smol'yakov, A.V., "Turbulent Diffusion of Polymers in a Boundary Layer," Journal of Applied Mechanics and Technical Physics 22 (4), 526-531, 1981]. С другой стороны, эжектор, который направит эжектируемый полимер вдоль стенки судна (то есть, корпуса судна), не внося, при этом, неустойчивости, внесет свой вклад в подавление турбулентной диффузии и обеспечит высокие концентрации эжектируемого материала в пристенной зоне, увеличивая, таким образом, возможность образования перекрывающихся адсорбционных слоев. Изготовление касательного эжектора с прямыми слотами в прошлом сталкивалось с проблемами конструирования, изготовления и компоновки. Однако, такой эжектор с небольшим углом (приблизительно пять градусов к поверхности потока) был продемонстрирован, и обеспечил образование короткоживущих (то есть, порядка минут) адсорбируемых слоев [Ковальский Т. «Подавление турбулентности и снижение вязкого гидродинамического сопротивления путем введения неньютоновских добавок», Труды королевского института военно-морских архитекторов, 207-219, 1968 г.] [Kowalski, Т., "Turbulence Suppression and Viscous Drag Reduction by Non-Newtonian Additives," Transactions of the Royal Institution of Naval Architects 207-219, 1968]. Так как контур испытательной установки не замкнут, очевидно, что наблюдаемая адсорбция была результатом только эжектируемого полимера, а не долгосрочного накапливания "фоновой" концентрации полимера в поле течения. Еще раньше морские эксперименты с эжектором фирмы «Cortana fluidics» [Myp К.Дж. и др. «Способ и устройство повышения эффективности и экономичности методик регулирования множественных пограничных слоев», патент США №6357374 В1, опубликован 19 марта 2002 г.] [Moore, К.J. et al., "Method and Apparatus for Increasing the Effectiveness and Efficiency of Multiple Boundary Layer Control Techniques," U.S. Patent No. 6,357,374 В1, which issued 19 March 2002] продемонстрировали техническую осуществимость формирования более длительных и работоспособных перекрывающихся адсорбционных слоев на работающем судне. Путем эжекции по касательной, избегая, при этом, увеличения локальной турбулентности, традиционно связанной с эжекцией добавок, эта методика эжекции задерживает диффузию добавки по поперечному сечению пограничного слоя.
i
S
S
i
i
Авторы определили, что эжекция по касательной полиэтиленоксида WSR-310 концентрацией С, от 1000 до 1500 массовых частей на миллион с расходом, превышающим расход через вязкий подслой (то есть, Q=от 5Q до 10Q) в 5-10 раз адекватен образованию адсорбируемых слоев на период порядка десятков минут. Сразу после образования адсорбируемого покрытия, расход (то есть, произведение концентрации C на расход потока Q) может снизиться существенно (а именно, более, чем в два раза) относительно начального расхода с корпусом без покрытия с достижением того же уровня снижения гидродинамического сопротивления. Следовательно, все более длинные периоды снижения гидродинамического сопротивления, обеспечиваются намного более скромными количествами добавок. Кроме того, способность смешивать добавки, например, полимер с морской водой [Мур К.Дж. и др. «Конструкция и испытание системы снижения гидродинамического сопротивления с помощью полимера на морском лайнере», представлено на 26 Симпозиум по военно-морской гидродинамике, Рим, Италия, 17-22 сентября 2006 г.] [Moore, К.J. et al., "Design and Test of a Polymer Drag Reduction System on Sea Flyer," presented at the 26 Symposium on Naval Hydrodynamics, Rome, Italy, 17-22 September 2006] исключает необходимость перевозить добавку в виде суспензии на основе пресной воды, и позволяет выполнять смешивание и эжекцию полимера в водяном растворе соли.
8
18
2
2
2
2
Что же касается воздействия на окружающую среду, то массовый расход полимера по отношению к массе сэкономленного топлива на данное судно зависит от величины снижения гидродинамического сопротивления, скорости судна, и доли сопротивления трения относительно общей величины гидродинамического сопротивления. Так как расход полимера при использовании соответствующего эжектора линейно зависит от скорости, а расход топлива с ростом скорости возрастает в кубе, выигрыш от снижения гидродинамического сопротивления при введении полимера с ростом скорости судна увеличивается. Для быстроходных судов со скоростью более 30-35 узлов, типа больших многокорпусных паромов, отношение сэкономленного топлива к израсходованному полимеру соответствует приблизительно 10:1. При сгорании простого топлива, например, октана CH, образуется много вредных газов, вода, и конечно углекислый газ (CO). При окислении килограмма октана образуется больше трех килограммов углекислого газа. Полимер естественно распадается на воду и углекислый газ. В морской воде, из-за присутствия солей, процесс распада протекает быстро в течение нескольких десятков минут. Однако, в результате этого процесса на каждый килограмм окисленного полимера образуется около двух килограммов углекислого газа. Следовательно, в результате окисления одного килограмма октана может образоваться на 50 процентов больше углекислого газа, чем при окислении одного килограмма полиэтиленоксида. Так как отношение массы сэкономленного топлива к массе израсходованного полимера составляет около 10, то выброс CO в результате несгорания сэкономленного топлива снижается в 15 раз (то есть, выброс CO составляет около 93% величины, которая будет получена в любом случае). Таким образом, снижение общего гидродинамического сопротивления судна на 30 процентов соответствует экономии топлива на 30 процентов, и таким образом будет получено снижение выброса CO на 28%.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении изложен способ формирования вязкоупругого, снижающего гидродинамическое сопротивление покрытия на поверхности морских или промышленных объектов, либо с целью обеспечения небольших уровней снижения сопротивления трения с очень низкими или даже средними расходами полимера, либо с целью обеспечения высоких уровней снижения сопротивления трения со значительно уменьшенными нормами расхода полимера относительно традиционных систем эжекции полимера. Сначала способ будет описан в общих терминах. Сначала полимер для снижения гидродинамического сопротивления, который растворим в воде и не ионизирован, соединяется с жидкостью, которая характеризуется как хороший растворитель, типа пресной воды или морской воды, с образованием концентрированного (например, около 1000 массовых частей на миллион) раствора полимера (здесь концентрированный раствор будет называться "первой жидкостью"). Затем должным образом концентрированная первая жидкость эжектируется по касательной в пограничный слой второй жидкости по мере того, как вторая жидкость омывает поверхность, что позволяет избежать быстрой диффузии полимера по поперечному сечению пограничного слоя второй жидкости. Скорость второй жидкости может регулироваться (например, путем изменения скорости судна), чтобы гарантировать вероятность того, что большое количество эжектированных молекул полимера войдет в контакт сначала с поверхностью и затем с адсорбируемыми слоями на поверхности, чтобы сформировать вязкоупругое, снижающее гидродинамическое сопротивление покрытие в пределах требуемого периода времени. По мере того, как первая жидкость омывает поверхность и входит с ней в контакт, длинноцепные полимеры образуют на поверхности пленочное покрытие. Поскольку полимер во время смывания поверхности осаждается на ней, молекулы полимера, из-за их чрезвычайного характеристического отношения, склонны к продольной ориентации, при этом образующаяся пленка структурируется и приобретает анизотропию в направлении потока. Она также непрерывна вдоль поверхности так, что нежелательные поперечные края отсутствуют. Помимо анизотропии и почти непрерывной поверхности толщина образовавшегося покрытия, его поперечная структура, и его плотность удовлетворяют требованиям для хорошо-размещенного, снижающего гидродинамическое сопротивление покрытия. Кроме того, когда полимеры, типа полиэтиленоксида, образуют структуры подобные щетке, покрытие стремится вести себя как система полимера, волокон, и микроканавок (riblets). При увеличении касательных напряжений, адсорбируемые слои могут сжиматься и консолидироваться. Таким образом, во время осаждения касательные напряжения должны меняться, например, судно замедляет ход, чтобы выпустить захваченные газы и таким образом регулировать плотность и вязкоупругие свойства перекрывающихся адсорбирционных слоев. Из-за природы покрытия и турбулентного поля течения поверхность пленки подвержена циклическому процессу осаждения (адсорбция) и абляции (десорбция). В зависимости от скорости эжекции, полимер может быть в состоянии осаждения, в состоянии равновесия (скорость осаждения приблизительно равна скорости абляции), или в состоянии абляции. При введении добавок полимера для использования с покрытиями, микроканавками (riblets), или волокнами расход полимера, необходимого для достижения определенного уровня гидродинамического сопротивления, сильно снижается относительно расхода, необходимого во время коротких периодов эжекции вдоль твердой поверхности. Полномасштабные испытания в море продемонстрировали, что в состоянии абляции, то есть без непрерывной эжекции или с уменьшенной эжекцией, пленка может снизить сопротивление трения приблизительно на десять процентов.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ
В настоящем изобретении рассмотрен способ формирования вязкоупругого, снижающего гидродинамическое сопротивление покрытия на поверхности морских или промышленных объектов. Способ включает следующие этапы, выполняемые в обозначенном порядке, но не обязательно последовательно:
(a) смешивание полимера с растворителем в концентрированный раствор для получения первой жидкости, плотность которой приблизительно равна плотности второй жидкости, омывающей поверхность, и сопротивление трения которой требуется уменьшить;
(b) эжекция первой жидкости, полученной на этапе (а), во вторую жидкость, омывающую поверхность, таким образом, чтобы не увеличивать диффузию эжектируемой первой жидкости в поперечном сечении граничного слоя второй жидкости, по мере того, как вторая жидкость омывает поверхность, при этом концентрация и скорость эжекции первой жидкости обеспечивают адсорбцию полимерного покрытия на поверхности, и утолщение полимерного покрытия на первом этапе со временем; и
(с) снижение эжекции первой жидкости, полученной на этапе (а), во вторую жидкость, или инжекции первой жидкости, полученной на этапе (а), во вторую жидкость до такой скорости, при которой полимерное покрытие становится тоньше со временем.
На этапе (b) может регулироваться одна концентрация первой жидкости или большее их число, скорость эжекции первой жидкости, и скорости второй жидкости для регулирования скорости адсорбции полимера на поверхности с целью формирования перекрывающегося адсорбционного слоя полимера в течение требуемого периода времени. Кроме того, на этапе (b), для регулирования возможного захвата газов или других материалов и консолидации формируемых перекрывающихся адсорбционных слоев полимера на перекрывающемся адсорбционном слое полимера может произойти одна релаксация касательных напряжений произвольно или большее их число. Помимо этого, после релаксации касательных напряжений на перекрывающемся адсорбционном слое (слоях) полимера, эжекция первой жидкость может осуществляться со скоростью, которая обеспечивает равновесное состояние покрытия, во время которого скорость абляции полимера с поверхности уравновешивается скоростью осаждения полимера на поверхность. Однако, равновесное состояние покрытия может быть сколь угодно коротким (то есть, это может быть только мгновение).
Вышеупомянутые этапы (а)-(с) могут повторяться в течение длительного времени, чтобы поддерживать требуемую минимальную толщину покрытия полимера.