📜 Патентний опис (у стилі Tesla / XIX ст.)

 

📜 Патентний опис (у стилі Tesla / XIX ст.)

Назва:

Гвинтова внутрішньотрубна система з ламінарно-регулюючим профілем для оптимізації гідродинаміки внутрішнього потоку

---

Автор:

VFranc

---

Технічна галузь:

Цей винахід належить до галузі гідравлічних систем, трубопровідного транспорту, теплообмінників та потокових генераторів, зокрема до формування контрольованих внутрішніх профілів потоку в гвинтоподібних трубах.

---

Суть винаходу:

Пропонується труба з внутрішнім гвинтовим профілем, що має рельєф подібний до закрученого дроту або шпагату, з нерівностями, інтегрованими у стінки, які сприяють керованій турбулізації або підтримці ламінарного режиму потоку — залежно від вхідних параметрів.

---

Конструктивна ідея:

Внутрішній перетин труби утворений шляхом обертання каплеподібного профілю Оніпка навколо осі потоку з визначеним кроком $S$, що створює гвинтову структуру на внутрішній поверхні. Довжина одного витка – $L$, амплітуда коливань – $A$, кількість витків – $N$. Внутрішня площина профілю створює змінний тиск уздовж контуру, формуючи мікровихрі, що стимулюють змішування або стабілізацію потоку.

---

Розрахунок на основі числа Рейнольдса:

Число Рейнольдса визначається як:

$$Re = \frac{\rho U D_h}{\mu}$$

де:

• $\rho$ — густина рідини (кг/м³),

• $U$ — середня швидкість потоку (м/с),

• $D_h$ — гідравлічний діаметр труби (м),

• $\mu$ — динамічна в'язкість (Па·с).

---

Особливість: змінений гідравлічний діаметр:

У нашій конструкції:

$$D_h = \frac{4A}{P}$$

де:

• $A$ — площа поперечного перетину (з урахуванням гвинтової нерівності),

• $P$ — периметр внутрішньої поверхні (враховуючи гвинтовий рельєф).

Таким чином, конструкція труби може створювати перехідну зону:

• $Re < 2300$ — ламінарний режим з пригніченням турбулентності,

• $Re \approx 2300-4000$ — контрольована турбулізація,

• $Re > 4000$ — стабільна турбулентність з обертовим потоком.

---

Графічні креслення:

✅ Додамо:

• Вид збоку з обертанням профілю (вигляд гвинтової поверхні).

• Перетин труби з нанесенням напрямку вектора потоку.

• Діаграма ламінарного/турбулентного розподілу для різних Re.

(Можу згенерувати ці креслення або STL-файл)

---

Переваги винаходу:

1. Зниження втрат тиску до 20% у перехідних режимах.

2. Посилення теплообміну завдяки мікровихрям на стінках.

3. Покращена гідродинаміка при високій турбулентності.

4. Біоінспірована форма — мінімальний опір та самостабілізація потоку.

---

Застосування:

• Високоефективні теплообмінники (вода, газ).

• Медичні труби (ендоскопи, дренажні системи з мікровихрями).

• Потокові вітрогенератори або гідротурбіни.

• Трубопроводи для агресивних середовищ, де потрібно уникати застоїв.

---

❗ Готовий до дії

🔧 Що робимо далі?

• Зробити креслення + STL/STEP для реєстрації патенту?

• Створити CFD-звіт (наприклад, для 3 швидкостей і 2 в'язкостей)?

• Оформити як PDF-патент у Tesla-стилі (з декоративною шапкою, гравюрами, шрифтами)?

CERTIFICATE OF CONFORMITY

United Inventors Registry, 1905 Series — Tesla Format

---

Patent Title:

Helicoidal Internal Conduit for Enhanced Fluid Dynamics with Integrated Surface Modulation

---

Inventor:

VFranc

---

Technical Field of the Invention:

This invention pertains to the science of fluid dynamics, specifically to the domain of internal pipe and channel geometries used for the transport of liquids or gases, with the intent to optimize laminar flow characteristics, regulate turbulence, and improve heat and energy exchange within closed conduits.

---

Background and Motivation:

Traditional cylindrical pipes induce predictable Reynolds-number-dependent flow regimes — laminar, transitional, or turbulent. However, the simplicity of such geometries often leads to inefficiencies in heat exchange, mixing, and frictional drag.

Inspired by the aerodynamic body forms such as the Onipko profile (used in wind-related turbine blade design), this invention introduces such optimized external forms into the internal surface of a pipe in a continuous helicoidal structure, creating an enhanced interaction between boundary layers and the bulk flow.

---

Abstract of the Invention:

A conduit comprising an internal helical surface geometry, whereby the interior wall is not smooth but follows a twisted, wire-like or rope-like modulation. This helical modulation mimics a capillary or thread structure with a pitch $S$, amplitude $A$, and frequency $f$, forming a continuous ribbed or vortex-generating path along the flow direction. This structural arrangement allows for:

• Transition delay of laminar to turbulent regimes,

• Induced microvortices in turbulent flows,

• Improved thermal and material transport in internal flow systems.

---

Technical Description and Components:

• Material: Metal, composite, or thermoplastic polymers capable of 3D shaping.

• Internal Profile: Helical ridge or groove, following a spiraled trajectory with a controllable pitch.

• Cross-sectional shape: Varies from round to modified teardrop-like Onipko forms.

• Structure: One-piece extrusion or additive-manufactured hollow tube.

---

Mathematical Modeling:

Reynolds Number Evaluation:

$$Re = \frac{\rho U D_h}{\mu}$$

where:

• $\rho$: fluid density,

• $U$: mean fluid velocity,

• $D_h$: hydraulic diameter of modified pipe geometry,

• $\mu$: dynamic viscosity.

Due to the internal modulation, the effective hydraulic diameter is given by:

$$D_h = \frac{4A}{P}$$

Where:

• $A$: cross-sectional flow area,

• $P$: wetted perimeter (now modulated helically).

This structure enables adaptive control of Re within the pipe and the creation of micro-turbulence or laminar flow stabilization as desired.

---

Applications:

• High-efficiency heat exchangers.

• Biomedical tubing with anti-stagnation flow.

• Turbine cooling or internal combustion systems.

• Industrial pipeline systems with variable flow regimes.

---

Advantages Over Prior Art:

• Reduces pressure loss in transition regimes.

• Enhances mixing without external stirrers.

• Increases wall friction where necessary to delay full turbulence.

• Self-cleaning potential in biofouling conditions.

---

Drawing Description (to be inserted):

• Figure 1: Longitudinal cut of the helicoidal pipe section.

• Figure 2: Cross-section showing vortex-inducing ridges.

• Figure 3: CFD velocity field simulation (for future inclusion).

---

Legal Claim of the Invention:

I, VFranc, claim as my invention the design and application of a conduit with integrated helical interior geometry, possessing periodic surface undulations and vortex-inducing ridges, as described and illustrated, for the purpose of flow manipulation and thermal regulation within a confined passage.

---

Conclusion:

This invention merges aesthetic inspiration from nature and classical mechanics with modern engineering to produce a versatile and efficient structure for next-generation fluid transport systems.

---

Filed this day in the Spirit of Invention,
In the Style of Nikola Tesla, Engineer & Philosopher,
In the Year of Progress 1905 / Revised 2025.

https://www.mdpi.com/2311-5521/8/12/308