Как текстуры поверхности могут минимизировать перетаскивание и максимизировать подъем на морских судах

Неустанное стремление к эффективности в морских перевозках заставило инженеров выйти за рамки традиционных конструкций корпуса. В то время как такие факторы, как форма корпуса и двигательные системы, получают значительное внимание, микроскопический ландшафт экстерьера судна играет удивительно мощную роль. Поверхностные текстуры - преднамеренные узоры или модификации, применяемые к корпусам и фольгам - появились как сложный метод минимизации гидродинамического сопротивления и максимизации подъема. Путем манипулирования поведением воды на пограничном слое, эти текстуры обещают ощутимые выгоды в скорости, экономии топлива и стабильности. В этой статье рассматриваются основные принципы, практические применения и будущий потенциал текстурирования поверхности в военно-морской архитектуре.

Физика драги, лифта и пограничного слоя

Чтобы понять, как работают текстуры поверхности, необходимо сначала понять фундаментальные силы, действующие на движущемся судне. Драг является силой сопротивления, противостоящей движению вперед, в первую очередь состоящей из двух компонентов: фрикционного сопротивления (также называемого трением кожи) и сопротивления давлению (формовое сопротивление). Трение сопротивления возникает из-за вязкости воды, когда она прилипает к поверхности корпуса, создавая тонкую область сдвига потока, известную как пограничный слой. Перетаскивание давления возникает из-за перепада давления между носом и кормой, усугубляемого разделением потока. Подъем , наоборот, является силой, перпендикулярной направлению движения. В то время как подъем наиболее связан с крыльями самолета, он играет критическую роль в морских судах — например, на гидрофольгах, рулях и килах. Эффективное производство подъема требует управления пограничным слоем, чтобы задержать разделение и поддерживать различия давления.

Граничный слой может быть ламинарным (гладким, упорядоченным) или турбулентным (хаотическим, смешивающим потоком). Ламинарный поток производит более низкое трение кожи, но он нестабилен и быстро переходит в турбулентность по большинству поверхностей корпуса. Турбулентный поток, увеличивая трение, может фактически задерживать разделение потока, уменьшая сопротивление давления. Поверхностные текстуры обеспечивают инструмент для избирательного воздействия на этот переход и местные характеристики потока. Это не новая концепция в природе - акулы, дельфины и другие водные животные разработали сложные текстуры кожи для уменьшения сопротивления и манипулирования потоком. Инженеры давно стремились воспроизвести и улучшить эти биологические решения.

Типы текстур поверхности для морских применений

Риблетные текстуры

Риблеты являются одними из наиболее широко изученных текстур поверхности. Они состоят из небольших параллельных канавок — обычно V-образных или гребешковых — выровненных с направлением потока воды. Канавки, часто всего от нескольких десятков до сотен микрометров в глубину и разнесенные через аналогичные промежутки, работают путем изменения турбулентного пограничного слоя. Вместо устранения турбулентности риблеты ограничивают движение турбулентных вихрей вблизи стены. Пиковые канавки создают «виртуальные стены», которые поднимают стримовые вихри от поверхности, уменьшая обмен импульсами, который генерирует трение кожи. Исследования продемонстрировали уменьшение сопротивления на 5-10% на плоских пластинах и моделях кораблей. Практические реализации включают клеевые пленки, применяемые к существующим корпусам, а также постоянно тисненые или лазерно-абляционные поверхности.

Микро-патерны и ямочки

Вдохновленные ямочной поверхностью мячей для гольфа, микро-шаблоны, такие как полусферические ямочки или синусоидальные волнения, могут быть применены к поверхностям корпуса. В отличие от риблет, эти узоры не обязательно выровнены с потоком. Они функционируют, индуцируя локальную турбулентность контролируемым образом, что может уменьшить сопротивление давления, способствуя прикреплению потока. На мяче для гольфа ямочки создают турбулентный пограничный слой, который дольше цепляется за мяч, сокращая будку низкого давления и уменьшая сопротивление. Для морских судов аналогичные эффекты могут быть достигнуты на блефовых телах или участках, склонных к разделению потока, таких как корма корабля или присоски на гидропленке. Исследования показали, что оптимизированные ямочные массивы могут уменьшить общее сопротивление до 15% в определенных числах Рейнольдса, в зависимости от плотности и глубины рисунка.

Гидрофобные и супергидрофобные покрытия

Репеллентность воды предлагает еще один способ уменьшения сопротивления. Гидрофобные покрытия (угол контакта > 90 °) и супергидрофобные покрытия (угол контакта > 150 °) заставляют воду подниматься и скатываться с поверхности. При погружении эти покрытия могут захватывать тонкий слой воздуха между водой и текстурой - явление, известное как образование пластрона. Этот воздушный слой действует как смазочная пленка, позволяя воде проскальзывать мимо корпуса с значительно сниженным трением кожи. Наиболее эффективные супергидрофобные поверхности сочетают микромасштабную шероховатость (например, микростолбы или нанотравка) с химической обработкой с низкой энергией поверхности. Проблемы включают долговечность и коллапс пластона при высоком гидростатическом давлении или турбулентном потоке. Тем не менее, недавние достижения в надежных покрытиях (например, нанокомпозиты на основе эпоксидной кислоты) приблизили эту технологию к коммерческой жизнеспособности. Снижение драга на 20-30% было зарегистрировано в лабораторных условиях, хотя производительность поля часто не достигается.

Био-вдохновленные текстуры: акулья кожа и за ее пределами

Возможно, самая знаковая естественная поверхность для уменьшения сопротивления - это кожа быстро плавающих акул, которая покрыта крошечными, похожими на зуб структуры, называемыми дермальными зубцами. Эти зубцы ориентированы на поток и имеют риблетообразные гребни, но их форма более сложна - часто с короноподобными наконечниками и гибкими основаниями. Исследования показывают, что они уменьшают сопротивление, поднимая вихри, а также уменьшая биообрастание (накопление организмов) из-за их поверхностной энергии и крошечного размера.[1] ] Материалы искусственной «кожи акулы», такие как разработанные НАСА и Speedo, были применены к гоночным яхтам и купальникам. Более поздние биомиметические конструкции включают серпантинные чешуйки угрей и пористые, слизистые кожи некоторых рыб, каждый из которых предлагает уникальные механизмы для контроля пограничного слоя.

Активные и адаптивные текстуры

Следующий рубеж включает поверхности, которые могут изменять свою текстуру в ответ на условия потока. Например, сплавы с памятью формы или пневматические пузыри могут изменять высоту ресниц или глубину ямочки для оптимизации производительности на разных скоростях или в разных морских состояниях. Хотя такие адаптивные текстуры по-прежнему в значительной степени экспериментальны, такие адаптивные текстуры обещают преодолеть узкие рабочие полосы статических текстур, которые часто оптимизируются для одной точки проектирования.

Механизмы сокращения драги

Поверхностные текстуры уменьшают сопротивление через несколько взаимосвязанных механизмов. Первичное воздействие оказывает турбулентный пограничный слой. Риблеты, например, увеличивают толщину вязкого подслоя вблизи стенки, уменьшая напряжение сдвига стенки. Между тем, гидрофобные поверхности уменьшают эффективную вязкость пограничного слоя через скольжение. Ямочки и микро-паттерны могут изменять распределение давления, запустив ранний переход к турбулентности, что активизирует пограничный слой и задерживает разделение. В сочетании несколько текстур могут быть адаптированы к конкретным местам на корпусе. Например, нос корабля (где поток в основном ламинарный) может извлечь выгоду из гладкой поверхности или текстуры скольжения пограничного слоя, в то время как среднее сечение и корма (где поток турбулентный и подвержен разделению) выгоду от риблет или ямочек.

Важно отметить, что уменьшение сопротивления не гарантируется для всех условий. Размер текстуры должен быть масштабирован до локальной толщины вязкого подслоя, что зависит от числа Рейнольдса и, следовательно, скорости судна. Неправильная текстура может фактически увеличить сопротивление. Инженеры обычно используют вычислительную динамику жидкости (CFD) для прогнозирования производительности до физического тестирования. Исследование 2021 года, опубликованное в журнале Ship Research , показало, что оптимизированное расстояние между риблетами, соответствующее неразмерной высоте около y + ≈ 10-15, дало максимальное уменьшение сопротивления турбулентного потока канала. [2]

Усиление лифта с текстурированными поверхностями

Поколение подъемников в морских фольгах (например, гидрофольгах, рулях и парусах) зависит от создания перепада давления между верхней и нижней поверхностями. Текстуры могут улучшить соотношение сопротивления при сохранении или даже увеличении подъема. Например, применение риблет на стороне всасывания гидрофольги может задержать разделение под высокими углами атаки, подняв угол кабинки и увеличив максимальный подъем. Аналогичным образом, микро-грибы или генераторы вихрей (небольшие выступы, которые создают контролируемые вихри) могут повторно прикрепить разделенный поток на верхней поверхности, эффективно увеличивая эффективный камбер и задержку кабинки. В эксперименте 2019 года с фольгой NACA 0012, ямочки, расположенные вблизи ведущего края, увеличили коэффициент подъема до 8% при умеренных углах атаки без значительного увеличения сопротивления.[3] Для прокалывающих поверхность фольг на гоночных катамаранах, текстурированные поверхности, как было показано, уменьшают

Практические преимущества и операционные последствия

  • Сбережения топлива:] Для крупных грузовых судов, которые сжигают мазут, даже 5%-ное сокращение сопротивления приводит к экономии миллионов долларов в течение срока службы судна. 10%-е снижение сопротивления трению для балкера Panamax может сэкономить более 100 000 литров топлива в год.
  • Скорость и дальность: Морские суда и высокоскоростные паромы могут достигать более высоких максимальных скоростей или той же скорости с меньшими двигателями. Это также расширяет эксплуатационную дальность — критическое преимущество для подводных лодок или экспедиционных судов.
  • Стабильность и ведение плавания: Улучшенные характеристики подъема на фольгах и стабилизаторах позволяют лучше затухать крен и вести курс в бурных морях. Текстурированные рули могут поддерживать контроль над управлением при более низких скоростях потока, улучшая маневренность в гаванях.
  • Биообрабатывающая резистентность:] Некоторые текстуры, в частности супергидрофобные поверхности и микротопографии, препятствуют заселению ракушек, водорослей и других морских организмов. Это снижает потребность в противообрастающих красках, которые часто содержат токсичные биоциды, снижая воздействие на окружающую среду и затраты на техническое обслуживание.
  • Сниженный шум и вибрация:] Контролируя разделение потока и вихревое сбрасывание, текстуры могут смягчать неустойчивые силы, которые вызывают вибрацию корпуса и излучаемый под водой шум. Это особенно важно для морской скрытности и для исследовательских судов, требующих тихих операций.

Проблемы и ограничения

Несмотря на их обещание, текстуры поверхности сталкиваются с несколькими препятствиями для широкого внедрения. Долговечность остается главной проблемой. Долговечность . Гидрофобные покрытия могут разрушаться или терять свою отталкиваемость с течением времени. Гидрофобные покрытия могут разрушать микроструктуры, отрицая их эффективность после всего нескольких недель в воде. Очистка таких текстур затруднена; очистка таких текстур под высоким давлением или очистка корпуса в воде может повредить тонкие функции. Масштабируемость требует производственных процессов (например, тиснение рулоном на рулон, роботизированная лазерная текстура или применение распыления), которые являются одновременно высокопроизводительными и экономически эффективными. Добавленная стоимость должна быть оправдана экономией топлива, которая может занять годы на судах с низким использованием. оптимизация для различных условий — скорость, нагрузка, состояние моря и состояние загрязнения — требует либо

Тематические исследования и реальные мировые реализации

Коммерческие перевозки

Японский судостроитель Oshima Shipbuilding в партнерстве с судоходной компанией Mitsui O.S.K. Lines и Национальным морским исследовательским институтом в 2019 году провел полномасштабное испытание с использованием риблетной пленки, применяемой к 185-метровому балкеру. За шестимесячный рейс фильм сохранил среднее снижение сопротивления на 4,5%, несмотря на накопление загрязнения, что привело к предполагаемой экономии топлива на 0,8% после учета собственного штрафа за трение.[4] Испытание подчеркнуло необходимость периодической очистки для поддержания производительности. Другое испытание проекта Европейского союза SHOPERA продемонстрировало, что комбинация ямочек носовой части и кормовых риблет на химическом танкере снизила общее сопротивление на 3-6% в морских испытаниях.

Гоночные яхты

Кубок Америки и Volvo Ocean Race давно являются лабораториями для экстремальной поверхностной инженерии. На лодках для кубков использовались риблеты, гидрофобные покрытия и даже активные мембраны на фольгах. В Кубке Америки 2017 года гидрофольги команды-победителя имели лазерные микро-резинки, которые, как сообщается, улучшили подъем до тряски на 2-3%. Конкурентное преимущество в гонках огромно, где доли процента переводят на длину лодки в течение курса.

Морские применения

Управление военно-морских исследований США профинансировало обширную работу по покрытию, вдохновленному акульей кожей, для уменьшения сопротивления и биообрастания на подводных лодках. Исследование с использованием 3-метрового подводного корабля с корпусом с риблетным рисунком показало снижение мощности движения на 7% при крейсерской скорости. Снижение шума также позволило транспортному средству быть более акустически скрытным.

Будущие направления и исследовательские рубежи

Эволюция текстур поверхности в морской технике сходится с несколькими другими технологиями. Машинное обучение и CFD позволяют осуществлять высокопроизводительную оптимизацию текстурных геометрий, материалов и компоновок. Аддитивное производство (3D-печать) позволяет создавать иерархические текстуры с функциями от микрометров до миллиметров, сочетая в себе множество функций (снижение драги, сопротивление загрязнению, структурное усиление) в одном слое. Биоразлагаемые и устойчивые материалы также изучаются, поскольку экологические нормы ужесточаются. Например, гидрофобные покрытия на основе целлюлозы могут заменить нефтехимические.

Фундаментальные исследования исследуют пределы уменьшения сопротивления. Супергидрофобные поверхности со стабилизированными пластронами теоретически могут достигать длины скольжения в десятки микрометров, уменьшая трение кожи на 40% или более в ламинарных условиях. Однако поддержание этого в турбулентном потоке при высоких числах Рейнольдса остается неуловимым. Другим перспективным направлением является совместимые покрытия — эластичные поверхности, которые поглощают турбулентные колебания и демпфирующие колебания в пограничном слое. Они были хорошо исследованы в 1960-х годах, но их было трудно реализовать; современные материалы, такие как вязкоупругие полимеры, могут возродить концепцию.

Наконец, интеграция текстур поверхности с системами воздушной смазки (где пузырьки вводятся вдоль корпуса) может дать синергетический эффект. Текстуры могут стабилизировать слой пузыря, предотвращая коалесцирование и улучшая покрытие. Ранние эксперименты показывают, что текстурированный корпус может снизить скорость впрыска воздуха, необходимую для эффективной смазки, на 30%, экономя энергию перекачки.

Будущее текстур поверхности в морских судах — это не одно новшество, а наслоение нескольких дополнительных методов. Путем манипулирования потоком в микромасштабе мы можем достичь макроскопических успехов в эффективности, устойчивости и производительности.

Заключение

Поверхностные текстуры представляют собой проверенную, но все еще развивающуюся стратегию улучшения гидродинамических характеристик морских судов. От риблет и ямочек до имитаций акульей кожи и супергидрофобных покрытий эти модификации предлагают ощутимое сокращение сопротивления и улучшения в подъеме. В реальных испытаниях подтверждается экономия топлива на несколько процентов, в то время как лабораторные эксперименты обещают гораздо больший выигрыш, когда проблемы долговечности и масштабируемости будут преодолены. По мере того, как инструменты вычислительного проектирования и передовое производство созреют, мы можем ожидать, что поверхностные текстуры станут стандартными функциями на новых судах, модернизациях и морских судах. Чистый результат будет заключаться в более низких эксплуатационных расходах, уменьшении выбросов и более способных судах - небольшое изменение текстуры, которое окажет большое влияние на будущее морского транспорта.

Ссылки

  1. Дин, Б., & Бхушан, Б. (2010) Поверхности акульей кожи для уменьшения тряски жидкости в турбулентном потоке: обзор. Философские сделки Королевского общества A, 368 (1929), 4775–4806. doi:10.1098/rsta.2010.0201
  2. García-Mayoral, R., & Jiménez, J. (2011). Снижение бровей риблетами. Журнал механики жидкости , 676, 21-47. doi:10.1017/jfm.2010.510
  3. Park, H., & Lee, S. (2019). Влияние конфигурации ямочки на аэродинамические характеристики аэродинамического профиля NACA 0012. Журнал механической науки и техники , 33, 1671–1678. doi:10.1007/s12206-019-0317-8
  4. Yamamori, T., et al. (2020). Полномасштабное измерение эффекта уменьшения сопротивления риблетной пленкой на балкере. Журнал морской науки и техники , 25, 1039-1047. doi:10.1007/s00773-020-00705-5