Спосіб стабілізації стаціонарних та нестаціонарних течій рідини або газу та усунення вібрацій стінок трубопроводів

Реферат: Спосіб стабілізації стаціонарних та нестаціонарних течій рідини або газу і усунення вібрацій стінок трубопроводів (систем), який включає визначення відповідних параметрів багатошарового покриття, що наносять пошарово на внутрішню поверхню стінок трубопроводу, причому шари покриття виконують з анізотропного в'язкопружного матеріалу після визначення їх реологічних та геометричних параметрів на основі математичної моделі з урахуванням параметрів течій рідини (газу) для забезпечення стійких режимів роботи системи. UA 68407 U (54) СПОСІБ СТАБІЛІЗАЦІЇ СТАЦІОНАРНИХ ТА НЕСТАЦІОНАРНИХ ТЕЧІЙ РІДИНИ АБО ГАЗУ ТА УСУНЕННЯ ВІБРАЦІЙ СТІНОК ТРУБОПРОВОДІВ UA 68407 U UA 68407 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до трубопровідного транспорту, гідравлічних систем та біомедичних пристроїв, зокрема до способів боротьби з вібраціями стінок трубопроводів (систем трубок) і випромінюваними ними шумами і може бути використана для усунення вібрацій стінок трубопроводів, які викликані стаціонарними та нестаціонарними течіями рідини або газу та для стабілізації течій рідини (газу) в цілому. Проблема стабілізації течій рідини (газу) і зниження рівня коливань та вібрацій при русі останніх у трубопроводах залишається актуальною в сучасній аерогідромеханіці через всезростаючу необхідність впровадження технологій заощадливих витрат енергетичних ресурсів. Це дає поштовх до удосконалення засобів стабілізації течій рідини (газу) та зниження рівня коливань, серед яких найпоширенішим є розробка пружних та в'язкопружних покриттів. Застосування таких покриттів призводить до значного зниження рівня вібрацій за умови правильного узгодження параметрів потоку рідини (газу) й покриття, при цьому не вимагаючи тонких технологій виготовлення й додаткових витрат енергії та речовини під час руху. Пружні та в'язкопружні покриття активно використовують при транспортуванні рідких і газоподібних середовищ, у судо-, авіа- і ракетобудуванні, у конструкціях гідроакустичної техніки та інших галузях промисловості. Нестійкість гідравлічних систем та зокрема трубок біомедичних пристроїв являє собою такі шкідливі явища, як викликання вібрації трубопроводів (систем трубок), підвищення гідродинамічного опору в примежовому шарі; викликання шуму, зниження провідності систем в цілому, зниження ефективності гідродинамічних пристроїв на величину пульсаційних втрат, швидке спрацювання матеріалів та - в найбільш шкідливих випадках - зруйнування пристрою. Найближчим аналогом корисної моделі є спосіб стабілізації течій рідини (газу), що викликані стаціонарними та нестаціонарними течіями рідини (газу) [1], який включає визначення відповідних параметрів багатошарового покриття, що наносять пошарово на внутрішню поверхню стінок трубопроводу. За допомогою математичного опису балансу енергії на межі розділу в'язко-пружної поверхні і рідини, що рухається, даний спосіб забезпечує вибір відповідних властивостей матеріалу для зниження турбулентного опору тертя, з урахуванням конкретної конфігурації тіла і швидкості потоку, який набігає, а також дозволяє визначити взаємодію турбулентного примежового шару з коливаннями в'язко-пружного шару шляхом вирішення двох додаткових задач - тобто, гідродинамічної задачі і задачі теорії пружності. Відомі також способи стабілізації течії рідини в трубах та навколо твердих тіл шляхом виконання двошарового покриття, яке має складну внутрішню структуру у вигляді виступівзаглибин [2, 3]. Зменшення гідродинамічного тертя при використанні цього покриття також пов'язано з керуванням прикордонним шаром, а ефективність його використання значно варіює в залежності від режиму течії. Недоліками зазначених способів стабілізації є вузькоспеціалізоване застосування, направлене лише на зниження турбулентного опору тертя, тому автори цих способів обмежувались впливом на стійкість системи лише пристінного тертя, а також описували баланс енергії лише для випадку "пристінний шар рідини - стінка" та використовували однорідні матеріали покриття, а не в'язкопружні матеріали, які армовані волокнами. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу стабілізації течій рідини (газу), що викликані стаціонарними та нестаціонарними течіями рідини (газу) [1], в якому, за рахунок введення нових суттєвих ознак, була досягнута можливість стабілізації течій рідини (газу), зниження рівня коливань та усунення вібрацій при русі рідини (газу) в трубопроводах. Поставлена задача вирішується тим, що в способі, вибраному за найближчий аналог [1], який включає визначення відповідних параметрів багатошарового покриття, що наносять пошарово на внутрішню поверхню стінок трубопроводу, згідно з корисною моделлю, шари покриття виконують з анізотропного в'язкопружного матеріалу після визначення їх реологічних та геометричних параметрів на основі математичної моделі з урахуванням параметрів течій рідини (газу) для забезпечення стійких режимів роботи системи. Крім того, покриття виконують тришаровим у послідовності: пружний, в'язко-пружний та пружний шари. Найкраще, коли шари покриття виконують з ортотропного армованого волокнами матеріалу з різним вмістом в'язкої складової компоненти. Технічним результатом корисної моделі, що заявляється, є ефективне усунення вібрацій трубопроводів (систем трубок) та випромінюваних ними шумів при різних режимах течії рідини (газу) та стабілізація течій останніх в цілому. За допомогою в'язкопружного шару створюють динамічний гаситель коливань тиску потоку рідини (газу) та вібрацій стінок трубопроводу у вигляді багатошарового в'язкопружного покриття 1 UA 68407 U 5 10 з ортотропного армованого волокнами матеріалу з різним вмістом в'язкої складової компоненти. При появі коливань тиску або вібрацій у вищезгаданому потоці виникає гідродинамічний опір та вимушені коливання самого покриття у протифазі коливанням тиску рідини в потоці. Для кожного фіксованого набору параметрів, що характеризують режим течії, визначають параметри матеріалу шарів покриття, чим досягають зниження рівня коливань та забезпечують затримку переходу течії до турбулентного режиму. При застосуванні анізотропного матеріалу покриття забезпечується більша можливість підбору матеріалів із визначеними за допомогою корисної моделі параметрами для багатошарового покриття, яке стабілізує заданий режим течії рідини (газу). Для забезпечення стійкості трубопроводу враховують вплив 36 гідродинамічних, геометричних та фізичних параметрів, що характеризують конфігурацію трубопроводу (системи трубок), властивостей матеріалів покриття, властивостей та режимів руху рідини (газу), а саме: H j - товщини шарів,  j    w  j  - щільності шарів,  w  j  - в'язкості шарів, E 1j 3 - модулі Юнга, G1j 3 - модулі зсуву,  1 3 15 коефіцієнти Пуассона, j  12,3 - номери шарів. , Два важливих безрозмірних параметри Re та Г являють собою відношення інерційних сил рідини до в'язких сил Re  та до пружних сил Г  шарів покриття. В рамках поставленої задачі досліджувалося дисперсійне рівняння за умови, що detM  0 , де M - матриця коефіцієнтів розв'язку задачі:   i j  j Y0 ia j 20   g 3 a, Y  M  j J1 ia j g 3 a, J g1 b, Y  g1 a, J g 3 b, J g1 b, J n к j Y0 aк j    j w j   Y1 aк j   j w g 4 a, Y  g 2 a, Y  g 4 b, Y  g 2 b, Y  n к n   j w n   J 0 aк j   J1 aк j   j w g 4 a, J g 2 a, J g 4 b, J g 2 b, J    к j J0 iaк j   iJ1 iaк j g6       j J0 ia j   , 2  2  j J1 ia j  iJ1 ia j  2 jк j J1 iaк j 0 g5 0 0 0 де функції g1 x, G   w  j2 G 0 ix j   2 w  j  2 G1 ix j  , g2 x, G  2i jк j G1 ixк j  ,  j j  g3 x, G  2 w  j  2 G1 ix j  , g 4 x, G   2  к 2 G1 xк j  , g5  2 2 J1 ia j   i j J0 ia j  , j j  j j g 6    2  к 2 J1 iaк j  , а також к 2  2  w  j /  w  j   2 ,  j  2jf0 - кругова частота,  j  i j   j ,  j і  j j j j j j - хвильове число і коефіцієнт загасання j-ї гармоніки, а - внутрішній радіус трубки,  і  щільність та кінематична в'язкість рідини, J0,1Y0,1 - функції Бесселя першого і другого роду.  30    j Y1 ia j g1 a, Y  g 3 b, Y  25   i j  j J0 ia j    Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями (фіг. 1 - фіг. 4). На фіг. 1 зображено структуру тришарового покриття трубки, де показані зовнішній та внутрішній пружні шари 1 і 3, в'язкопружний шар 2 та стінка трубки 4. На фіг. 2 зображена залежність показника абсолютної нестійкості sr від відносної в'язкості матеріалу шару покриття  r . Суцільна, пунктирна та штрихова лінії відповідають значенням 2 3 3 2  r   r  0, 1   r  0 та 1   r  0 відповідно; значки «+» та «» відповідають значенням r r E1 j  2G1 j, E 2 j  20G2  j та E1 j  20G1 j, E 2  j  2G2  j відповідно. На фіг. 3 дана залежність показника абсолютної нестійкості sr від модуля зсуву матеріалу 35 G i відповідного шару покриття j  12,3 . , 40 На фіг. 4 дана залежність показника групової швидкості g від модуля зсуву матеріалу G i відповідного шару покриття j  12,3 . , Суцільна, пунктирна та штрихова лінії (фіг. 3 та фіг. 4) відповідають значенням G2  G3  0,1 G1  G3  0,1 та G1  G2  0,1 відповідно. , Запропонована корисна модель була досліджена для випадку режиму течії рідини (газу) для труб кругового перерізу з тришаровим покриттям внутрішньої поверхні (фіг. 1), для діапазону числа Рейнольдса Re у діапазоні 1-100, відносного розміру діаметра труби d  1 та товщині покриття h  0,1d [4-8]. Було знайдено, що збільшення в'язкості середнього шару, в той час як два інші шари є переважно пружними, стабілізує систему, тобто значно знижує рівень вібрацій 2 UA 68407 U стінок трубопроводу (фіг. 2). Вихідні дані, які бралися для дослідження, представлені у табл. 1. Внутрішній шар, що знаходиться в безпосередньому контакті з рідиною (газом), та зовнішній шар покриття являють собою два переважно пружні за властивостями шари, а середній шар виконаний з в'язко-пружного матеріалу. 5 Таблиця1 j  12,3 , Hj   1j3 м / с 2  rj Па  с  j G13 ,10 5 Па  E 1j 3  E 1j 3 1 0,33  h 0,3 0 2 20 G1 2 G1 1 20 G2 2 G2 2 20 G3 2 G3 2 15 0,5 10 3 10 0,33  h 0,33  h 0,3 3 0 За вказаними в табл. 1 параметрами системи знаходили всі нестійкі моди, і, завдяки вибору відповідних параметрів матеріалу та товщин шарів стінки, систему вдавалося стабілізувати. Нами була досліджена стійкість трубок відносно до вісесиметричних малих збурень у рамках лінійного аналізу стійкості, і результати показали, що ортотропія в'язко-пружного покриття значно впливає на стійкість системи. Як один із варіантів покриття, досліджувалася композиційна структура, що являє собою "сендвіч", який складається з одного в'язко-пружного шару, замкнутого між двома переважно пружними шарами. Зниження рівня коливань тиску рідини в примежовому шарі досягається за рахунок того, що середній в'язко-пружний шар покриття змінює під тиском рідини (газу) свою форму і тим самим зменшує рівень вібрацій стінок трубопроводу та викликаний нестійкістю шум. Було показано, що саме такий вид покриття може сприяти усуненню як конвективної, так і абсолютної нестійкості системи (фіг. 3 та фіг. 4). Вихідні дані, які бралися для дослідження, представлені у табл. 2. 20 Таблиця 2 j 40  j G13 ,10 5 Па h1  0,25h 1  0 1  0 G1  104 h2  0,4h 2  0 2  0 G2  105 3 35  rj Па  с 2 30   1j3 м / с 2 1 25 Hj h3  0,25h 3  0 3  0 G3  104  E 1j 3 E1 1  20G1 E12  20G2 E13  20G3  E 1j 3 E3 1  2G1 E 3 2  2G2 E 3 3  2G3 Таким чином, результати показали, що саме пропонований вид покриття, згідно з корисною моделлю, є ефективним для усунення вібрацій стінок трубопроводів при стаціонарних та нестаціонарних режимах течії рідини або газу. В різних системах транспортування рідини (газу), коли важливим фактором є максимальна провідність трубопроводу, найголовнішою вимогою є стійкість системи відносно до течії самої рідини (газу).В пропонованому технічному рішенні слід вибирати більш жорсткий зовнішній шар покриття з в'язким середнім шаром. За деяких умов течій перенос маси і тепла на поверхні розділу рідини та внутрішнього шару збільшується через наявність коливань у стінках, обумовлених нестійкістю системи. Тому, отримана корисна модель вказує на нові можливості стабілізації течій рідини (газу) завдяки використанню запропонованого ортотропного в'язкопружного покриття. Джерела інформації: 1. Patent US № 06516652, G01N 19/02, G01N 3/56, Feb., 2005. 2. Патент UA № 14048, F15D 1/00. - Бюл. № 4, 2006 p. 3. Патент UA № 18126, F15D 1/00. - Бюл. № 10, 2006 p. 4. Hamadiche M., Kizilova N., Gad-el-Hak M. Suppression of Absolute Instabilities in the Flow inside a Compliant Tube. //Communications in Numerical Methods in Engineering. 2009. vol. 25, N5. P. 505-531. 5. Kizilova N., Hamadiche M., Gad-el-Hak M. Flow in Compliant Tubes: Control and Stabilization by Multilayered Coatings. // Intern. J. Flow Control.-2009. - v. 1, N3. - P. 199-211. 6. Kizilova N., Hamadiche M. Stabilization of the turbulent flows in anisotropic viscoelastic tubes. // Advances in Turbulence XII. Series: Springer Proceedings in Physics, Vol. 132 Eckhardt, Bruno (Ed.).-2010. - P. 899-904. 3 UA 68407 U 5 7. Кизилова Н. Н., Чистина Э. О. Распространение волн в заполненных жидкостью многослойных вязкоупругих трубках: асимптотический анализ // Современные проблемы механики сплошной среды. Сборник трудов. - Ростов-на-Дону.-2010. - С. 167-171. 8. Чистина Э. О., Кизилова Н. Н. Распространение волн давления в заполненных жидкостью многослойных волноводах из вязкоупругого материала // Современные проблемы математики и еѐ приложения в естественных науках и информационных технологиях. Сб. тезисов междунар. конф. - Харьков. -2011. - С. 113-114. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 1. Спосіб стабілізації стаціонарних та нестаціонарних течій рідини або газу і усунення вібрацій стінок трубопроводів (систем), який включає визначення відповідних параметрів багатошарового покриття, що наносять пошарово на внутрішню поверхню стінок трубопроводу, який відрізняється тим, що шари покриття виконують з анізотропного в'язкопружного матеріалу після визначення їхреологічних та геометричних параметрів на основі математичної моделі з урахуванням параметрів течій рідини (газу) для забезпечення стійких режимів роботи системи. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що покриття виконують тришаровим у послідовності: пружний, в'язко-пружний та пружний шари. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що шари покриття виконують з ортотропного армованого волокнами матеріалу з різним вмістом в'язкої складової компоненти. 4 UA 68407 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5