Снижение гидравлического сопротивления за счет лазерного текстурирования упорядоченного рельефа на цилиндрической поверхности
Ключевые слова:
гидрофобность, лазерная абляция, медная поверхность, текстурированный рельеф, гидравлическое сопротивление
Аннотация
В настоящее время растет интерес к управлению смачиваемостью функциональных поверхностей. Гидрофобизация функциональных поверхностей способствует снижению гидравлического сопротивления, что, в свою очередь, позволяет повысить эффективность установки за счет уменьшения энергопотребления привода насосов.
Описан процесс достижения свойств несмачиваемости медной цилиндрической поверхности экспериментальных образцов путем лазерного текстурирования рельефа и последующего формирования молекулярных слоев поверхностно-активного вещества (ПАВ). Изготовлен экспериментальный стенд для проведения исследований по определению влияния модификации функциональных поверхностей на их гидравлическое сопротивление. Разработана методика проведения исследований. Установлено, что использование экспериментального образца со структурированным рельефом и последующей обработкой ПАВ в экспериментальном стенде показало максимальное снижение гидравлического сопротивления, составившее 32-36%.
Литература
1. Liravi M., Pakzad H., Moosavi A., Nouri-Borujerdi A. A Comprehensive Review on Recent Advances in Superhydrophobic Surfaces and Their Applications for Drag Reduction // Progress in Organic Coatings. 2020. V. 140. P. 105537.
2. Li S., Liu Y., Tian Z., Liu X., Han Z., Ren L. Biomimetic Superhydrophobic and Antibacterial Stainless-steel Mesh Via Double-potentiostatic Electrodeposition and Modification // Surface and Coatings Technol. 2020. V. 403. P. 126355.
3. Samanta A., Wang Q., Shaw S.K., Ding H. Roles of Chemistry Modification for Laser Textured Metal Alloys to Achieve Extreme Surface Wetting Behaviors // Materials and Design. 2020. V. 192(15). P. 108744.
4. Tudu B.K., Kumar A., Bhushan B. Facile Approach to Develop Anti-corrosive Superhydrophobic Aluminium with High Mechanical, Chemical and Thermal Durability // Philosoph. Trans. of the Royal Soc. a Math., Phys. and Eng. Sci. 2018. V. 377(2138). P. 20180272.
5. Rajappan A. e. a. Influence of Textural Statistics on Drag Reduction by Scalable, Randomly Rough Superhydrophobic Surfaces in Turbulent Flow // Phys. Fluids. 2019. V. 31. P. 042107.
6. Kotenko M., Oskarsson H., Bojesen C., Nielsen M.P. An Experimental Study of the Drag Reducing Surfactant for District Heating and Cooling // Energy. 2019. V. 178. Pp. 72—78.
7. Haibao H., Peng D., Feng Z., Dong S., Yang W. Effect of Hydrophobicity on Turbulent Boundary Layer Under Water // Experimental Thermal and Fluid Sci. 2015. V. 60. Pp. 148—156.
8. Гортышов Ю.Ф., Повов И.А., Зубков Н.Н., Каськов С.И., Щелчков А.В. Кипение воды на микроструктурированных поверхностях // Труды Академэнерго. 2012. № 1. С. 14—31.
9. Shaeri M.R., Attinger D., Bonner R.W. Vapor Chambers with Hydrophobic and Biphilic Evaporators in Moderate to High Heat Flux Applications // Appl. Thermal Eng. 2018. V. 130. Pp. 83— 92.
10. Кузма-Кичта Ю.А. и др. Исследование интенсификации теплообмена при кипении воды на поверхности с микро и нанорельефом // Теплоэнергетика. 2014. № 3. С. 35—38.
11. Li L. e. a. Study of Adhesion and Friction Drag on a Rough Hydrophobic Surface: Sandblasted Aluminum // Phys. Fluids. 2018. V. 30. P. 071903.
12. Ryzhenkov A.V. e. a. The Influence of Laser Impact on Wettability of Brass Surface // SSRG Intern. J. Eng. Trends and Technol. 2020. V. 68. Pp. 25—32.
13. Ryzhenkov A.V., Grigoriev S.V., Dasaev M.R., Trushin E.S., Tyabut E.M. The Influence of Relief Texturing by Laser Ablation on Wettability of Brass Surface // Eurasian J. Biosci. 2020. V. 14. Pp. 6197—6205.
14. Lukin M.V., Ryzhenkov A.V., Kurshakov A.V., Ryzhenkov O.V. Karpunin A.P. The Results of the Implementation of SAS Technology for the Renovation and Life Extension of District Heating Systems // Proc. V Intern. Conf. Energy and Sustainability. 2014. V. 186. Pp. 701—709.
15. Пат. № 2439204 РФ. Способ защиты поверхностей гидравлических систем от коррозии и накопления отложений / В.А. Рыженков, А.В. Куршаков, И.П. Анахов, О.В. Калакуцкая. Бюл. изобрет. 2012. № 1.
---
Для цитирования: Григорьев С.В., Рыженков А.В., Волков А.В., Дасаев М.Р., Трушин Е.С., Лихаева А.Ю. Снижение гидравлического сопротивления за счет лазерного текстурирования упорядоченного рельефа на цилиндрической поверхности // Вестник МЭИ. 2022. № 6. С. 110—116. DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-110-116
---
Работа выполнена: в рамках проекта «Повышение эффективности установок на низкокипящих рабочих веществах на основе использования бифильных поверхностей теплообмена» при поддержке гранта НИУ «МЭИ» на реализацию программ научных исследований «Энергетика», «Электроника, радиотехника и IT» и «Технологии индустрии 4.0 для промышленности и робототехника» в 2020—2022 гг
#
1. Liravi M., Pakzad H., Moosavi A., Nouri-Borujerdi A. A Comprehensive Review on Recent Advances in Superhydrophobic Surfaces and Their Applications for Drag Reduction. Progress in Organic Coatings. 2020;140:105537.
2. Li S., Liu Y., Tian Z., Liu X., Han Z., Ren L. Biomimetic Superhydrophobic and Antibacterial Stainless-steel Mesh Via Double-potentiostatic Electrodeposition and Modification. Surface and Coatings Technol. 2020;403:126355.
3. Samanta A., Wang Q., Shaw S.K., Ding H. Roles of Chemistry Modification for Laser Textured Metal Alloys to Achieve Extreme Surface Wetting Behaviors. Materials and Design. 2020;192(15):108744.
4. Tudu B.K., Kumar A., Bhushan B. Facile Approach to Develop Anti-corrosive Superhydrophobic Aluminium with High Mechanical, Chemical and Thermal Durability. Philosoph. Trans. of the Royal Soc. a Math., Phys. and Eng. Sci. 2018;377(2138):20180272.
5. Rajappan A. e. a. Influence of Textural Statistics on Drag Reduction by Scalable, Randomly Rough Superhydrophobic Surfaces in Turbulent Flow. Phys. Fluids. 2019;31:042107.
6. Kotenko M., Oskarsson H., Bojesen C., Nielsen M.P. An Experimental Study of the Drag Reducing Surfactant for District Heating and Cooling. Energy. 2019;178:72—78.
7. Haibao H., Peng D., Feng Z., Dong S., Yang W. Effect of Hydrophobicity on Turbulent Boundary Layer Under Water. Experimental Thermal and Fluid Sci. 2015;60:148—156.
8. Gortyshov Yu.F., Povov I.A., Zubkov N.N., Kas'kov S.I., Shchelchkov A.V. Kipenie Vody na Mikrostrukturirovannykh Poverkhnostyakh. Trudy Akademenergo. 2012;1:14—31. (in Russian).
9. Shaeri M.R., Attinger D., Bonner R.W. Vapor Chambers with Hydrophobic and Biphilic Evaporators in Moderate to High Heat Flux Applications. Appl. Thermal Eng. 2018;130:83— 92.
10. Kuzma-Kichta Yu.A. i dr. Issledovanie Intensifikatsii Teploobmena pri Kipenii Vody na Poverkhnosti s Mikro i Nanorel'efom. Teploenergetika. 2014;3:35—38. (in Russian).
11. Li L. e. a. Study of Adhesion and Friction Drag on a Rough Hydrophobic Surface: Sandblasted Aluminum. Phys. Fluids. 2018;30:071903.
12. Ryzhenkov A.V. e. a. The Influence of Laser Impact on Wettability of Brass Surface. SSRG Intern. J. Eng. Trends and Technol. 2020;68:25—32.
13. Ryzhenkov A.V., Grigoriev S.V., Dasaev M.R., Trushin E.S., Tyabut E.M. The Influence of Relief Texturing by Laser Ablation on Wettability of Brass Surface. Eurasian J. Biosci. 2020;14:6197—6205.
14. Lukin M.V., Ryzhenkov A.V., Kurshakov A.V., Ryzhenkov O.V. Karpunin A.P. The Results of the Implementation of SAS Technology for the Renovation and Life Extension of District Heating Systems. Proc. V Intern. Conf. Energy and Sustainability. 2014;186:701—709.
15. Pat. № 2439204 RF. Sposob Zashchity Poverkhnostey Gidravlicheskikh Sistem ot Korrozii i Nakopleniya Otlozheniy. V.A. Ryzhenkov, A.V. Kurshakov, I.P. Anakhov, O.V. Kalakutskaya. Byul. Izobret. 2012;1. (in Russian).
---
For citation: Grigoriev S.V., Ryzhenkov A.V., Volkov A.V., Dasaev M.R., Trushin E.S., Likhaeva A.Yu. Reducing Flow Friction by Laser Texturing of an Ordered Relief on a Cylindrical Surface. Bulletin of MPEI. 2022;6:110—116. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-110-116
---
The work is executed: Within the Framework of the Project «Improving the Efficiency of Low-boiling Working Substances Installations Based on the Use of Bifilic Heat Exchange Surfaces» with the support of a grant from the National Research University «MPEI» for the Implementation of Research Programs «Energy», «Electronics, Radio Engineering and IT» and «Industry 4.0 Technologies for Industry and Robotics» in 2020—2022
2. Li S., Liu Y., Tian Z., Liu X., Han Z., Ren L. Biomimetic Superhydrophobic and Antibacterial Stainless-steel Mesh Via Double-potentiostatic Electrodeposition and Modification // Surface and Coatings Technol. 2020. V. 403. P. 126355.
3. Samanta A., Wang Q., Shaw S.K., Ding H. Roles of Chemistry Modification for Laser Textured Metal Alloys to Achieve Extreme Surface Wetting Behaviors // Materials and Design. 2020. V. 192(15). P. 108744.
4. Tudu B.K., Kumar A., Bhushan B. Facile Approach to Develop Anti-corrosive Superhydrophobic Aluminium with High Mechanical, Chemical and Thermal Durability // Philosoph. Trans. of the Royal Soc. a Math., Phys. and Eng. Sci. 2018. V. 377(2138). P. 20180272.
5. Rajappan A. e. a. Influence of Textural Statistics on Drag Reduction by Scalable, Randomly Rough Superhydrophobic Surfaces in Turbulent Flow // Phys. Fluids. 2019. V. 31. P. 042107.
6. Kotenko M., Oskarsson H., Bojesen C., Nielsen M.P. An Experimental Study of the Drag Reducing Surfactant for District Heating and Cooling // Energy. 2019. V. 178. Pp. 72—78.
7. Haibao H., Peng D., Feng Z., Dong S., Yang W. Effect of Hydrophobicity on Turbulent Boundary Layer Under Water // Experimental Thermal and Fluid Sci. 2015. V. 60. Pp. 148—156.
8. Гортышов Ю.Ф., Повов И.А., Зубков Н.Н., Каськов С.И., Щелчков А.В. Кипение воды на микроструктурированных поверхностях // Труды Академэнерго. 2012. № 1. С. 14—31.
9. Shaeri M.R., Attinger D., Bonner R.W. Vapor Chambers with Hydrophobic and Biphilic Evaporators in Moderate to High Heat Flux Applications // Appl. Thermal Eng. 2018. V. 130. Pp. 83— 92.
10. Кузма-Кичта Ю.А. и др. Исследование интенсификации теплообмена при кипении воды на поверхности с микро и нанорельефом // Теплоэнергетика. 2014. № 3. С. 35—38.
11. Li L. e. a. Study of Adhesion and Friction Drag on a Rough Hydrophobic Surface: Sandblasted Aluminum // Phys. Fluids. 2018. V. 30. P. 071903.
12. Ryzhenkov A.V. e. a. The Influence of Laser Impact on Wettability of Brass Surface // SSRG Intern. J. Eng. Trends and Technol. 2020. V. 68. Pp. 25—32.
13. Ryzhenkov A.V., Grigoriev S.V., Dasaev M.R., Trushin E.S., Tyabut E.M. The Influence of Relief Texturing by Laser Ablation on Wettability of Brass Surface // Eurasian J. Biosci. 2020. V. 14. Pp. 6197—6205.
14. Lukin M.V., Ryzhenkov A.V., Kurshakov A.V., Ryzhenkov O.V. Karpunin A.P. The Results of the Implementation of SAS Technology for the Renovation and Life Extension of District Heating Systems // Proc. V Intern. Conf. Energy and Sustainability. 2014. V. 186. Pp. 701—709.
15. Пат. № 2439204 РФ. Способ защиты поверхностей гидравлических систем от коррозии и накопления отложений / В.А. Рыженков, А.В. Куршаков, И.П. Анахов, О.В. Калакуцкая. Бюл. изобрет. 2012. № 1.
---
Для цитирования: Григорьев С.В., Рыженков А.В., Волков А.В., Дасаев М.Р., Трушин Е.С., Лихаева А.Ю. Снижение гидравлического сопротивления за счет лазерного текстурирования упорядоченного рельефа на цилиндрической поверхности // Вестник МЭИ. 2022. № 6. С. 110—116. DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-110-116
---
Работа выполнена: в рамках проекта «Повышение эффективности установок на низкокипящих рабочих веществах на основе использования бифильных поверхностей теплообмена» при поддержке гранта НИУ «МЭИ» на реализацию программ научных исследований «Энергетика», «Электроника, радиотехника и IT» и «Технологии индустрии 4.0 для промышленности и робототехника» в 2020—2022 гг
#
1. Liravi M., Pakzad H., Moosavi A., Nouri-Borujerdi A. A Comprehensive Review on Recent Advances in Superhydrophobic Surfaces and Their Applications for Drag Reduction. Progress in Organic Coatings. 2020;140:105537.
2. Li S., Liu Y., Tian Z., Liu X., Han Z., Ren L. Biomimetic Superhydrophobic and Antibacterial Stainless-steel Mesh Via Double-potentiostatic Electrodeposition and Modification. Surface and Coatings Technol. 2020;403:126355.
3. Samanta A., Wang Q., Shaw S.K., Ding H. Roles of Chemistry Modification for Laser Textured Metal Alloys to Achieve Extreme Surface Wetting Behaviors. Materials and Design. 2020;192(15):108744.
4. Tudu B.K., Kumar A., Bhushan B. Facile Approach to Develop Anti-corrosive Superhydrophobic Aluminium with High Mechanical, Chemical and Thermal Durability. Philosoph. Trans. of the Royal Soc. a Math., Phys. and Eng. Sci. 2018;377(2138):20180272.
5. Rajappan A. e. a. Influence of Textural Statistics on Drag Reduction by Scalable, Randomly Rough Superhydrophobic Surfaces in Turbulent Flow. Phys. Fluids. 2019;31:042107.
6. Kotenko M., Oskarsson H., Bojesen C., Nielsen M.P. An Experimental Study of the Drag Reducing Surfactant for District Heating and Cooling. Energy. 2019;178:72—78.
7. Haibao H., Peng D., Feng Z., Dong S., Yang W. Effect of Hydrophobicity on Turbulent Boundary Layer Under Water. Experimental Thermal and Fluid Sci. 2015;60:148—156.
8. Gortyshov Yu.F., Povov I.A., Zubkov N.N., Kas'kov S.I., Shchelchkov A.V. Kipenie Vody na Mikrostrukturirovannykh Poverkhnostyakh. Trudy Akademenergo. 2012;1:14—31. (in Russian).
9. Shaeri M.R., Attinger D., Bonner R.W. Vapor Chambers with Hydrophobic and Biphilic Evaporators in Moderate to High Heat Flux Applications. Appl. Thermal Eng. 2018;130:83— 92.
10. Kuzma-Kichta Yu.A. i dr. Issledovanie Intensifikatsii Teploobmena pri Kipenii Vody na Poverkhnosti s Mikro i Nanorel'efom. Teploenergetika. 2014;3:35—38. (in Russian).
11. Li L. e. a. Study of Adhesion and Friction Drag on a Rough Hydrophobic Surface: Sandblasted Aluminum. Phys. Fluids. 2018;30:071903.
12. Ryzhenkov A.V. e. a. The Influence of Laser Impact on Wettability of Brass Surface. SSRG Intern. J. Eng. Trends and Technol. 2020;68:25—32.
13. Ryzhenkov A.V., Grigoriev S.V., Dasaev M.R., Trushin E.S., Tyabut E.M. The Influence of Relief Texturing by Laser Ablation on Wettability of Brass Surface. Eurasian J. Biosci. 2020;14:6197—6205.
14. Lukin M.V., Ryzhenkov A.V., Kurshakov A.V., Ryzhenkov O.V. Karpunin A.P. The Results of the Implementation of SAS Technology for the Renovation and Life Extension of District Heating Systems. Proc. V Intern. Conf. Energy and Sustainability. 2014;186:701—709.
15. Pat. № 2439204 RF. Sposob Zashchity Poverkhnostey Gidravlicheskikh Sistem ot Korrozii i Nakopleniya Otlozheniy. V.A. Ryzhenkov, A.V. Kurshakov, I.P. Anakhov, O.V. Kalakutskaya. Byul. Izobret. 2012;1. (in Russian).
---
For citation: Grigoriev S.V., Ryzhenkov A.V., Volkov A.V., Dasaev M.R., Trushin E.S., Likhaeva A.Yu. Reducing Flow Friction by Laser Texturing of an Ordered Relief on a Cylindrical Surface. Bulletin of MPEI. 2022;6:110—116. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-110-116
---
The work is executed: Within the Framework of the Project «Improving the Efficiency of Low-boiling Working Substances Installations Based on the Use of Bifilic Heat Exchange Surfaces» with the support of a grant from the National Research University «MPEI» for the Implementation of Research Programs «Energy», «Electronics, Radio Engineering and IT» and «Industry 4.0 Technologies for Industry and Robotics» in 2020—2022
Опубликован
2022-05-04
Выпуск
Раздел
Теоретическая и прикладная теплотехника (технические науки) (2.4.6)
