Boiko, Andrey V.;Kulik, Victor M.;Chun, Ho-Hwan;Lee, In-Won
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제3권4호
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pp.242-253
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2011
Skin frictional drag reduction efficiency of "stiff" compliant coating was investigated in a wind tunnel experiment. Flat plate compliant coating inserts were installed in a wind tunnel and the measurements of skin frictional drag and velocity field were carried out. The compliant coatings with varying viscoelastic properties had been prepared using different composition. In order to optimize the coating thickness, the most important design parameter, the dynamic viscoelastic properties had been determined experimentally. The aging of the materials (variation of their properties) during half a year was documented as well. A design procedure proposed by Kulik et al. (2008) was applied to get an optimal value for the coating thickness. Along with the drag measurement using the strain balance, velocity and pressure were measured for different coatings. The compliant coatings with the thickness h = 7mm achieved 4~5% drag reduction within a velocity range 30~40 m/s. The drag reduction mechanism of the attenuation of turbulence velocity fluctuations due to the compliant coating was demonstrated. It is envisioned that larger drag reduction effect is obtainable at higher flow velocities for high speed trains and subsonic aircrafts.
The amplitude and phase lag of surface deformation were determined for a compliant coating under the action of turbulent pressure fluctuations. For this purpose, pressure fluctuations were measured experimentally. The amplitude and duration of coherent wave train of pressure fluctuations were investigated using digital filtration. The transient response was calculated for stabilization of forced oscillations of the coating in approximation of local deformation. The response of coating was analyzed with considerations of its inertial properties and limited duration of coherent harmonics action of pressure fluctuations. It is shown that a compliant coating interacts not with the whole spectrum of pressure fluctuations, but only with a frequency range near the first resonance. According to the analysis, with increasing elasticity modulus of the coating material E, deformation amplitude decreases as 1/E, and dimensionless velocity of the coating surface decreases as $1/\sqrt{E}$. For sufficiently hard coatings, deformation amplitude becomes smaller than the thickness of viscous sublayer, while surface velocity remains comparable to vertical velocity fluctuations of the flow.
A specially designed flat plate was mounted vertically over the axial line in the wind tunnel of the Pusan National University. Strain balances were mounted in the trailing part of the plate to measure the skin friction drag over removable insertions of $0.55{\times}0.25m^2$ size. A set of the insertions was designed and manufactured: 3 mm thick polished metal surface and three compliant surfaces. The compliant surfaces were manufactured of a silicone rubber Silastic$^{(R)}$ S2 (Dow Corning company). To modify the viscoelastic properties of the rubber, its composition was varied: 90% rubber + 10% catalyst (standard), 92.5% + 7.5% (weak), 85% + 15% (strong). Modulus of elasticity and the loss factor were measured accurately for these materials in the frequency range from 40 Hz to 3 kHz. The aging of the materials (variation of their properties) for the period of one year was documented as well. Along with the drag measurement using the strain balance, velocity and pressure were measured for different coating. The strong compliant coating achieved 5% drag reduction within a velocity range $20{\sim}40$ m/s while standard and weak coatings increased drag reduction.
Calculation was carried out for phase velocity and deformation wave decay in a layer of viscoelastic material fixed tightly on the solid substrate. Analysis has been performed regarding the inner structure of the wave, i.e., the proportions between the vertical and horizontal displacements and their profiles. The wave characteristics depend strongly on media compressibility factor. The effect of viscous losses on parameters of the main oscillation mode was studied in detail. Results were compared with the model of coating with local deformation. A new experimental approach was made in order to measure such wave properties of a compliant coating as the dependency of deformation wave velocity on frequency and decay factor was made. The method for estimation of coating parameters enabling the drag reduction in turbulent flow was then refined.
수중운동체가 주행할 때 수중운동체의 표면에는 난류 경계층이 형성되고, 난류 경계층 내 벽면 변동압력은 탄성체인 수중운동체의 표면을 가진시켜 유동 유기 소음을 발생시킨다. 이러한 유체 소음을 감소시키기 위한 하나의 방법으로 수중운동체 표면에 유연재를 부착하여 수중운동체의 유동 유기 방사 소음을 감소시키는 방법이 제안되기도 한다. 본 논문에서는 유연재 부착에 따른 수중에서의 유체소음의 변화 특성을 살펴보기 위하여 유연재가 코팅되지 않은 강판 시편과, 고무 재질의 Neoprene 및 폴리우레탄 재질의 유연재가 부착된 강판시편을 저소음 공동수조에 설치한 후 여러 가지 유속 조건에서 유체소음의 주요 소음원인 난류 경계층 내 벽면 변동압력을 측정하고 그 결과를 비교 분석하였다. 그 결과 유연재를 코팅한 경우에는 유연재로 인하여 난류 경계층의 두께가 두꺼워지는 등 경계층 유동이 변화하지만, 유연재에서의 난류 에너지의 소산으로 인하여 고주파수 대역에서 약 10dB의 벽면 변동압력의 감소 효과를 확인할 수 있었다.
An improved method to measure the dynamic viscoelastic properties of elastomers is proposed. The method is based on the analysis of forced oscillation of a cylindrical sample loaded with inertial mass. No special equipment or instrumentation other than the ordinary vibration measurement apparatus is required. Typical measurement of the viscoelastic properties of a silicone rubber $Silastic^{(R)}$ S2 were measured over the wide frequency range from 10 Hz to 3 kHz under the action of wide region of deformation from $10^{-4}%$ to 5%. It was shown that modulus of elasticity and loss tangent fall on the single curves when the ratio of load mass to sample mass changed from 1 to 20.
한국윤활학회 2002년도 proceedings of the second asia international conference on tribology
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pp.51-52
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2002
We report results on microtribological studies of chemically grafted nanoscale polymer layers of different architecture with thickness below 30 nm. We have fabricated the molecular lubrication coatings from elastomeric tri-block copolymers and tested two different designs of corresponding nanocomposite coatings. We observed a significant reduction of friction forces and an increase of the wear stability when a minute amount of oil was trapped within the grafted polymer layer. These polymer gel layers exhibited a very steady friction response and a small value of the coefficient of friction as compared to the initial polymer coating. A polymer 'triplex' coating has been formed by a multiple grafting technique. The unique design of this layer Includes a hard-soft-hard architecture with a compliant rubber interlayer mediating localized stresses transferred through the topmost hard layer. This architecture provides a non-linear mechanical response under a normal compression stress and allows additional dissipation of mechanical energy via the elastic rubber interlayer.
Experiments were conducted to determine the structural dynamic characteristics of bump foil bearing. The housing of the bearing on the journal was driven by two shakers which were used to simulate dynamic forces acting on the bump foil strips. Three different bump foils(Cu-coated bump, silicon bump, viscoelastic bump) are tested and the dynamic coefficients of three bump foils compared, based on the experimental measurements for a wide range of operating conditions. From the test results, the high damping coefficients of viscoelastic bump are achieved and the possibility of the super-bending-critical operation is suggested.
Instability of a thin film attached to a compliant substrate often leads to emergence of exquisite wrinkle patterns with length scales that depend on the system geometry and applied stresses. However, the patterns that are created using the current techniques in polymer surface engineering, generally have low aspect ratio of undulation amplitude to wavelength, thus, limiting their application. Here, we present a novel and effective method that enables us to create wrinkles with a desired wavelength and high aspect ratio of amplitude over wavelength as large as to 2.5:1. First, we create buckle patterns with high aspect ratio of amplitude to wavelength by deposition of an amorphous carbon film on a surface of a soft polymer poly(dimethylsiloxane) (PDMS). Amorphous carbon films are used as a protective layer in structural systems and biomedical components, due to their low friction coefficient, strong wear resistance against, and high elastic modulus and hardness. The deposited carbon layer is generally under high residual compressive stresses (~1 GPa), making it susceptible to buckle delamination on a hard substrate (e.g. silicon or glass) and to wrinkle on a flexible or soft substrate. Then, we employ glancing angle deposition (GLAD) for deposition of a high aspect ratio patterns with amorphous carbon coating on a PDMS surface. Using this method, pattern amplitudes of several nm to submicron size can be achieved by varying the carbon deposition time, allowing us to harness patterned polymers substrates for variety of application. Specifically, we demonstrate a potential application of the high aspect wrinkles for changing the surface structures with low surface energy materials of amorphous carbon coatings, increasing the water wettability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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