בקרת שכבתיות בשכבה השדרה היא אבן הפינה של הנדסה ימית מודרנית, המשפיעה ישירות על הביצועים הידרודינמיים, יעילות דלק ותוחלת החיים התפעולית של ספינות וכלי רכב תת-ימיים.כפי שמשלוחים גלובליים עומדים בפני לחץ גובר על מנת להפחית את פליטות וקיצוץ בעלויות התפעוליות, החיפוש אחר הפחתת המגמות המדכאות ביותר בעולם האחרון הוא פיתוח של ציפויים חדשניים שהונדסויגויגו באופן ספציפי לנטרול של השכבות – על ידי הציפוי-ידי הציפוי-ידי הציפוי-ידי הציפוי-ה-ה-ה-ה- ⁇ של הציפוי של הציפוי של הציפוי של הציפוי- ⁇ של הציפוי- ⁇ של הציפוי- ⁇ של הציפוי- ⁇ של הציפוי-ידי הציפוי-ידי הציפוי- ⁇ של הציפוי- ⁇ של הציפוי-החומרים הפיזיים, ללא מגבלות פיזיות של הציפוי של הציפוי-ידי הציפוי-ידי הציפוי-ידי הציפוי-ידי הציפוי של הציפוי-ידי הציפוי- ⁇ של הציפוי- ⁇ , אשר דורשות של הציפוי-

הפיזיקה של Boundary Layer Flow ו-Gigital

כדי להעריך את האופן שבו ציפויים משפיעים על הביצועים, יש להבין תחילה את שכבת הגבול.כאשר נוזל זורם מעבר משטח מוצק, סטיות גורמת לנוזל מיד ליד פני השטח לדבוק (מצב ללא-עין) ממהירות אפס בקיר, המהירות הנוזלית עולה עם מרחק עד שהוא מגיע למהירות זרם חופשי.אזור זה של מהירות הוא השכבה.

בשכבה גבול laminar, חלקיקים נוזליים נעים בשכבות חלקות, להפקת מתח נמוך יחסית.עם זאת, זרימת laminar היא בלתי יציבה על פני משטחים ארוכים ובדרך כלל מעברים לשכבה גבול סוערת, מאופיינת על ידי eddies כאוטי וחילופי מומנטום גבוהים יותר. Turbulent זרימה, לפעמים עיכוב הפרדה, מייצרת חיכוך גדול יותר לעור אופייני, עבור חיכוך עור אופייני, ל חיכוך עבור 60-0% של צריכת דלק מופחתת באופן ישיר.

אסטרטגיות בקרת שכבתיות חוצות נועדו לשמור על זרימת laminar על חלק גדול יותר של ה-hull (laminar Flow control) או לשנות את שכבת הגבול הסוערת כדי להפחית את עונש החיכוך שלה.comings להשיג זאת באמצעות כמה מנגנונים: צמצום פני השטח רטוב, יצירת שכבה חלקה, שינוי טופוגרפיה, או שחרור lubricants. כל גישה למהירות ⁇ ו Shear בלחץ.

סוגים של קידודים חדשניים עבור בקרת שכבות Boundary Layer

Superhydrophobic Coatings

ציפויים סופר-hydrophobic הם אולי השיעור המלומד ביותר של משטחים גרור-הפחתת גרורתיים. ציפויים אלה נועדו להיות זווית מגע מים גדול מ-150 מעלות וזווית מגע נמוכה hysteresis. בהשראת עלון הלוטוס, הם מלכודות שכבת דק של אוויר בתוך מיקרו-או ננומטרי תכונות משטח כאשר submerged. זה plasts להפחית את השטח מוצק-lidquid, המאפשר לחץ על ידי 10 נוזל נוזל נוזל נוזל-הקלידחסין יעיל.

בסביבה ימית, ציפויים סופר-רפוביים מציעים גם התנגדות ביו-פוחיות.שכבת האוויר מונעת התיישבות של barnacles, אצות, ו רזה, אשר בדרך כלל להגדיל את פני השטח וגרור. עם זאת, שמירה על plastron תחת לחץ הידרוסט ובזרימה סוערת נשאר אתגר - שכבת האוויר יכולה לקרוס או להתמוסס לאורך זמן.

משטחים של לובריקט (LIS)

משטחים מבולבלים (LIS) שואבים השראה מצמח הכרייה הקרנית, אשר משתמש שורש מכוונת נוזל כדי לגרום לחרקים להחליק. in LIS, ⁇ או מרקם משטח מוצק מוזנח עם נוזל סיכה אשר הוא מרתיע באופן דרסטי את משטח נוזל סיכה כי הוא בלתי מוגבל עם מים (בדרך כלל סיליקון או שמן פגום).

מחקרים מדווחים על ירידה של עד 20-40% בזרימי לליטר ו -10-20% בזרמים סוערים.בנוסף, שכבת סיכה רציפה מונעת אורגניזמים מפגיעה באורגניזמים מפרסום.המגירות העיקריות הן מחיקה סיכה לאורך זמן - במיוחד תחת פיגור או בתנאים סוערים - והצורך בחידוש תקופתיים של החוקרים הם חקרו את עצמם - בעיקר תחת מאגרים הנדרשים ממאגרים נוספים.

עקבו אחרי NTUTUTOR

ציפויים ממובנים משתמשים בחוספס משטח ממונדס בקנה מידה דומה עובי sublayer של מולקווס כדי לשנות מבני טורחה.משטחים אלה יכולים להיות נועדו לקדם את מהירות ליד-קיר אשר להפחית ערבוב טורב, או כדי לגרום מעבר מוקדם להתנגשות באופן מבוקר כי להפחית את הגרור הכולל.

  • (FLT:0) ציפויים: FLT:1ir Mimicking עור כריש, פני השטח האלה תכונה grodinal grooves מיושר עם כיוון זרימה. Ribles לעבוד על ידי איפוק תנועה חוצה הזרם של גביעים סוערים, עם זאת להפחית את הלחץ של ריינולדס Sheared יכול להפחית את העור על ידי 5-10%, כפי שמופעל על ידי יאכטות 3Fable;
  • (FLT:0) Superhydrophobic / superoleophilic nanotextures:FreaLT:1 אלה משלבים מבנים היררכיים (למשל, ננו-רשתות, ננווטים, או ננוגר) עם כימאים אנרגיה דלת-קרקע.המשטח וכתוצאה מכך יכול למלכוד אוויר או סיכה, בהתאם למנגנון המיועד.

גישה ביולוגית ונדיידית

הטבע מספק מודלים רבים להפחתה של עור כריש (riblets) ו עלים לוטוס (על-hydrophobicity), העור של דולפינים וחותמות מציג תכונות מבניות אשר מקדם זרימת laminar ומדכאות זעזועים. Dolphin עור, למשל, מכיל מיקרו-ridges כי לחסן את הפגיעות, בעוד מלכודות פרווה כדי ליצור תואמים את החוקרים של קומפוזיציות מוקדם.

מכניזם של ניכוי דרג: איך מתקפלים

הבנת המנגנונים הפיזיים שמאחורי כל סוג של ציפוי חיונית לקידוד העיצוב שלהם ולחזות את הביצועים.

  • (FLT:0Slip Flow:FLT:1 Superhydrophobic ו lubricant-infused משטחים ליצור שכבה של נוזל ראייה נמוך (אוויר או סיכה) בגבול, המאפשר מים מבולדים יתר להחליק.אורך החלקלק - מרחק דמיוני מתחת לפני השטח שבו המהירות תהיה מוגזם ל- אפס - יכול להיות על סדר של עשרות מיקרונים, היא להפחית באופן משמעותי.
  • (FLT:0) רפורמות של מבני טורחות: ⁇ 1) וכמה משטחים nanostructured להפריע ישירות למעגל הזעזועים ליד הקיר.על ידי הגבלת התנועה המקוצרת של תנועות מהירות זרמיות, הם מדכאים את ההזרקה ואירועים גורפים שיוצרים אנרגיה קינטית סוערת.
  • (FLT:0) משטחים עקביים:FLT:1rea ציפויים מסוימים נועדו להיות ניתוק באופן גמיש תחת תנודות לחץ.ציות זה מייצב את שכבת הגבול הלבנדר ואת המעבר, אם כי עמידות היא דאגה גדולה.
  • (FLT:0) מניעת חיסון: FLT:1 משטח נקי הוא חלק מטבעו של קואטינגס אשר מתנגד לטעינה (על ידי דק, עשב, וכו ') לשמור על תכונות משטח מעוצבים, למנוע את העלייה הגרור המלווה ביופוזה (אשר יכול להיות 10–50% גבוה יותר מאשר נקי).

יתרונות ונתוני ביצועים

היתרונות של ציפויים חדשניים המשתרעים מעבר להפחתה פשוטה של גרור.שדה ומחקרי מעבדה הגדירו מספר יתרונות מרכזיים:

  • (FLT:0) חיסכון של 5-20%FLT:1 הוכח עם ציפויים על-ידפוביים ו riblet על כלי רכב גדולים.עבור מיכל טיפוסי צריכת 200 טון דלק ליום, ירידה של 10% מתרגם חיסכון של 10,000 $-20,000 $ ביום במחירי הדלק הנוכחי.
  • (FLT:0) חידוש מרווחי תחזוקה: FLT:1 , Lubricant fused ו Superhydrophobic ציפוי מעכב באופן משמעותי את הביו-fouling, ומאפשר מחזורי הרציפים יבשים להיות מורחבים בין חמש לשבע שנים או יותר.
  • (FLT:0) שיפור מהירות והתמרנות: ⁇ 1:1) התנגדות נמוכה יותר של hull מאפשר לכלים לשמור על מהירויות גבוהות יותר עבור אותה פלט חשמל, או להפחית את עומס המנוע באותה מהירות - יתרון קריטי עבור כלי שיט ימיים ופריחות מהירות גבוהה.
  • (ב) התנגדות קורוזיה:0) 1:1 ציפויים רבים פועלים גם כשכבות מחסום נגד קורוזיה של מים ים, המשתרעים על פני החיים של מבנה השאול.
(ב) לדוגמה, מחקר משנת 2019 של M.J. Lee et al. שפורסם ב-FLT:1 Ocean EngineeringFLT:2 דיווח כי ציפוי סופר-בית החל מדגם 1:20 של נושאת גדולה מופחתת ההתנגדות הכוללת ב 15% במספר פרוד של 0.2, בהתאמה לחיסכון דלק בקנה מידה מלא של כ-12% (LT3Lee, 3, 7) לעומת 79%, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, לעומת זאת, לעומת זאת, 000, 000, לעומת זאת, לעומת זאת, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, לעומת 7.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה שלהם, ציפויים חדשניים עומדים בפני כמה מכשולים משמעותיים לפני שהם יכולים להיות מאומצים על ידי התעשייה הימית.

אפשרויות לHarsh Marine Environment

הסביבה הימית היא אגרסיבית לשמצה: חשיפה מתמדת למים מלוחים, קרינת UV, שחיקה מכנית מחומר חלקי וקרח, ו הידרודינמיקה Shear במהלך פעולה מהירה גבוהה. ציפוי סופריופובי, במיוחד, נוטה לאבד את התכונות הלא-מתפתלות שלהם לאחר שחיקה מכנית או תת-קרקעית ארוכת טווח כי nanocles הם בקלות פגומים ושכבות האוויר מהתמוטטות של Lucanbritine עדיין חסר בעיות ריקות.

דאגות סביבתיות ותקנות

כמה ציפויים מכילים תרכובות פלואו-חלקיקים או חלקיקים שעשויים להיצמד למערכת האקולוגית הימית.לדוגמה, תרכובות מושפעות בשימוש בחלק מהציפוי העל-hydrophobic הם מתמשך, ביו-אקומניטיביים ו רעילים. Regulators כגון ארגון הימי הבינלאומי (IMO) וסוכנות הכימיקלים האירופית (ECHA) הם גם מגבילים את השימוש בפוליורידים, ולכן לא מפריע למגבלות של חומרים כימיים כגון:

עלויות סקלאלה ובקשות

ציפויים חדשניים רבים מוחלים באמצעות שיטות בקנה מידה מעבדה (שיכולות, נפיחות כימית נפיחות) כי הם לא עלות חסכוני עבור hulls גדול הספינה (אשר יכול להיות מאות מטרים אורך) Scaling עד תרסיס או רול-על טכניקות תוך שמירה על מיקרו- וננומטרי תכונות משטח הוא אתגר הנדסי גדול.

Biofouling in the Long Run

למרות ציפויים רבים בתחילה דוחים רעדות, עם הזמן תכונות נגד פיזור.ביופילים (slime) יכול לצבור אפילו על משטחים superhydrophobic פעם את ההתמוטטות plastuling. Lubricant משטחים מבולבלים עשוי להיות רע אם סיכה הוא depleted או אם אורגניזמים. כל מקרו-fouling (barcles, mussels, algas), מבנים גמישים, יכול להיות מכווץ כדי להפוך את הציפוי הציפוי של הציפוי של הציפויטר או מנגנונים תקופתיים.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

ציפוי הדור הבא נועד להתגבר על המגבלות הללו באמצעות חומרים חכמים יותר ועיצובים הסתגלותיים.

מחיאות כפיים עצמיים

בהשראת מערכות ביולוגיות, ציפויים עצמיים יכולים לתקן נזק אוטונומי.מיקרו-קמפוחיות המכילות סוכני ריפוי או lubricants מוטבעים במטריקס הציפוי. כאשר מתרחש סדק או שחיקה, את הכמוסות, שחרור התוכן שלהם כדי לאטום את הפגם ולשחזר תכונות פני השטח.כמה קבוצות מחקר הוכיחו ציפויים על-ידי עצמו כי לשמור על מים עמידים מחדש, לאחר מחזורי מחזורי מחזורי חיים תפקודיים, או מחזורי חיים חוזרים.

משטחים פעילים ובלתי ניתנים להשגה

במקום משטח סטטי, ציפויים עתידיים עשויים לשלב חומרים להגיב לתנאי זרימה משתנים.לדוגמה, פולימרים בצורת-זיכרון יכולים לשנות את העגפיים פני השטח בתגובה לטמפרטורה או ל- Shear, מעבר בין מצב דמוי ראט (גרור נמוך) ומדינת חלק (לניקוי או מהירות נמוכה) יכול לייצר גלי פני השטח להתפרצות של מערכות חשמל מתוחכמות בזמן אמתי, אך דורשות אנרגיה יעילה יותר.

חומרים ידידותיים לסביבה

בהתאם למטרות ההגנה הסביבתיות של IMO, יש דחיפה חזקה כלפי ציפויים המבוססים על רכיבים מתחדשים, ביודידיים, או שאינם רעילים.לדוגמה, פולידי מתילסקסוסקסונים (PDMS) elastomers משמשים נרחב כמו ציפויים שאינם רעילים, יכולים להיות מוקרן כדי להיות בעל תכונות lubritcan-infused.

שילוב עם תאומים דיגיטליים ו-IoT

מאפשר מפתח לאמץ ציפויים מתקדמים הוא היכולת לפקח על המצב שלהם וביצוע בזמן אמת.חיישנים משובצים בציפוי או hull יכול למדוד מתח Shear, פרופילים מהירות, ועומס ביו-פופולינג. נתונים אלה מזינים לתוך תאום דיגיטלי של הכלי, אשר יכול לייעל לוחות זמנים תחזוקה ופרמטרים תפעוליים שלהם.

מסקנה

ציפויים חדשניים של בקרת זרימת גבולות מייצגים את אחד הדרכים המעשיות והחסכוניות ביותר לשיפור היעילות הידרודינמית של כלי שיט ימיים. Superhydrophobic, lubricant-infused, nanostructured, וציפוי ביו-מיגנטיים כל אחד מציעים מנגנונים ייחודיים להפחתה בגרור, עם חיסכון בקנה מידה מעבדה של 10-40%. בשילוב עם התנגדות ביו-פוזה והגנה על קורוזי, אלה יכולים לספק טמפרטורות משמעותיות, אך ורקמות, אך ורק כדי לספק יעילות גבוהה, אך ורק להפחתה של צריכת דלק, אך ורקמות, אך ורק לאחר מכן, אך ורק כדי להפחתה משמעותית, אך ורק להפחתה של צריכת דלק, עם עלויות עמידות ביולוגית, אך ורק להפחתה משמעותית, אך ורק כדי להפחתה משמעותית, עם חיסכון של צריכת דלק, עם חיסכון של 10-חמצני, עם עלויות עמידות פיזית, עם יעילות, עם יעילות, עם חיסכון של 10-חמצני, עם עלויות עמידות, עם יעילות גבוהה, עם עלויות עמידות, עם יעילות גבוהה, עם יעילות גבוהה, עם חיסכון של צריכת דלק, עם חיסכון של 10–4%, עם חיסכון של 10–4%, עם יעילות גבוהה, עם חיסכון של 10-חום, עם יעילות גבוהה, עם יעילות גבוהה, עם חיסכון של צריכת דלק, עם יעילות גבוהה, עם

[הנתיב קדימה] שוכן במחקר בין-תחומי המשלב חומרים מדע, דינמיקות נוזליות, ביולוגיה ימית, והנדסת מערכות.כימאיים, משטחי טוטליטל, ונוסחאות ידידותיות לסביבה עלולות לשלוט בדור הבא של ציפויים ימיים: עם המשך ההשקעה ושיתוף פעולה סיליקון, חזון של "חלל חכם" - אחד אשר מנהל באופן פעיל את השכבה שלו עבור עמידות מינימלית לאורך כל החיים - 3 שנים, כמו: