Hvordan minimering af væskefriktion kan gøre oceangående skibe mere brændstofeffektive og reducere skadelige emissioner

Forestil dig at gå fra den ene side af en swimmingpool til den anden. Hvert trin kræver stor indsats - det er det, der gør vandaerobic til så effektiv fysisk træning.

Den modstand, du føler, er forårsaget af væskefriktion - eller træk - og det er den samme kraft, der virker på både og andre genstande, når de bevæger sig gennem vandet. Imidlertid, søfartsfartøjer har udviklet sig til former, der har til formål at minimere luftmodstand, og skibe er designet med kraftfulde motorer, der overvinder modstand for at drive dem hurtigere og mere jævnt hen over havet.

For nylig, super hydrofobe overflader (SHS) har fanget opmærksomheden hos forskere, der ser deres potentiale for at reducere væskefriktion. Men som professor i maskinteknik ved UC Santa Barbara Paolo Luzzatto-Fegiz bemærkede, mens den grundlæggende teori om disse overflader er sund, deres præstationer i den virkelige verden lader meget tilbage at ønske.

Ifølge Luzzatto-Fegiz, ekspert i væskedynamik, SHS kombinerer vandafvisende kemi med mikroskalamønster på en måde, der i det væsentlige reducerer overfladekontakten med vand. Imidlertid, de har vist sig i bedste fald at være upålidelige, fungerer ofte uregelmæssigt eller virker slet ikke.

Og nu, i forskning fremhævet i Proceedings of the National Academy of Sciences , Luzzatto-Fegiz og hans kolleger ved University of Cambridge og University of Manchester har identificeret en nøgleårsag til hvorfor.

Teoretisk set, super hydrofobe overflader er effektive, fordi de indeholder små luftlommer. Luft er meget mindre tyktflydende end vand, Luzzatto-Fegiz bemærkede, så at mindske mængden af ​​vand, der kommer i kontakt med overfladen, vil mindske den resulterende modstand.

Fordelene ved at reducere modstanden har direkte indflydelse på brændstoføkonomien:Jo mindre flydende friktion et skib oplever, jo mindre brændstof er nødvendigt for at overvinde modstand. Og fordi modstanden øges med hastigheden, jo hurtigere skibet bevæger sig, jo mere brændstof kræver det for at modvirke den resulterende modstand.

Imidlertid, ved at teste hypotesen, som kunne, i teorien, viser en betydelig reduktion i luftmodstand, resultater fra andre forskere fandt ofte ingen reduktion overhovedet, og i nogle tilfælde, viste en lidt dårligere præstation.

Dette var problemet, der fik forskerne til at klø sig i hovedet - indtil det gik op for Luzzatto-Fegiz, at overfladeaktive stoffer kunne være skylden. Mens forskere før ham havde identificeret denne mulighed, han og hans team var de første til at demonstrere konceptet. Ifølge numeriske simuleringer og stramt kontrollerede eksperimenter, Luzzatto-Fegiz, et al, fandt ud af, at selv små spormængder af overfladeaktive stoffer - forbindelser, der reducerer overfladespændingen, såsom sæbe - var nok til at forårsage en ubalance i strømmen af ​​vand langs dets grænseflade med overfladen, resulterer i træk.

Mysteriet løst. Men kan problemet løses?

"Nøgletanken er, at ingen væske er ren, " sagde Luzzatto-Fegiz. Oceaner og floder indeholder mængder af naturlige og menneskeskabte overfladeaktive stoffer. Men det kan være muligt at designe en vej ud af problemet ved at ændre mønstret af SHS, han sagde. For eksempel, ved at skabe længere riller i mønstret på linje med vandstrømmen, ophobningen af ​​overfladeaktive stoffer, der forhindrer reduktionen af ​​modstand på overfladen, akkumuleres længere nede langs grænsefladen, reducere noget af luftmodstanden.

Resultaterne af dette eksperiment kunne give værdifuld viden til dem, der designer oceangående fartøjer med et øje mod brændstofeffektivitet. Især i skyggen af ​​forestående regler, der vil kræve, at den globale flåde af handelsskibe køber dyrere, men renere brændende brændstof, en reduktion af luftmodstanden kan gå langt i retning af at holde omkostningerne nede for skibe, der sejler på verdenshavene, samt reducere de forurenende biprodukter fra afbrænding af fossile brændstoffer.

"Reducering af luftmodstanden på brændstofforbruget og dermed på emissionerne - herunder svovlforbindelser og CO2, " sagde Luzzatto-Fegiz.