ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Исследование и анализ структуры потоков в вихревой трубе с винтовыми сопловыми вводами природа вихревого эффекта из "Эффективность внедрения вихревых аппаратов" В вихревой трубе обеспечивается эффективное температурное разделение поступающего сжатого газа на охлажденный и нагретый потоки. Данное явление, открытое еще в 1931 г. Жозефом Ранком, до настоящего времени полностью не раскрыто, хотя предложено много гипотез для его объяснения [9, 10, 12-14]. Так, сущность вихревого эффекта пытались объяснить только перестроением в сечении соплового ввода ВТ свободного вихря в вынужденный, под действием сил трения, расширением истекающей струи из соплового ввода в осевую зону и сжатием ее в периферийной зоне ВТ за счет центробежных сил. Наиболее глубокое теоретическое объяснение вихревого эффекта в противоточной трубе, подтверждаемое экспериментами, дано А. П. Меркуловым [9], принявшим за основу гипотезу взаимодействия вихрей Г. Шепера [13] и теоретические предположения Ван Димтера [14] об энергетическом обмене в вихревой трубе за счет турбулентного перемешивания потоков. Многие специалисты по вихревому эффекту у нас в стране считают данную теорию наиболее полной. А. В. Мартынов и В. М. Бродянский [10] дали несколько иное толкование механизма вихревого процесса в трубе. [c.27] С более общих позиций подошел к объяснению вихревого эффекта М. Е. Дейч [16], подробно изложивший механизм перераспределения полной энергии за счет турбулентного переноса. [c.27] Вторым процессом, обеспечивающим температурное разделение газа, является перестройка поля скоростей вращающихся потоков, которая приводит, по мнению авторов данного толкования вихревого эффекта, к образованию в сечении соплового ввода потока, вращающегося по закону вынужденного вихря и занимающего почти все сечение трубы. Как будет показано ниже, такое вращение не наблюдается в приосевой зоне, а выше отмечалось, что турбулентный теплоперенос при квазитвердом вращении не может активно действовать. Процесс перестройки поля скоростей сопровождается снижением окружной скорости внутреннего потока и повышением ее у внешнего потока по мере приближения к сечению соплового ввода, что соответствует отводу кинетической энергии от внутреннего потока к внешнему. Как известно, по А. П. Меркулову, в сечении соплового ввода взаимодействуют развитый свободный вихрь и внутренний вынужденный. При этом кинетическая энергия передается от свободному вихря к внутреннему вынужденному. [c.29] Рассмотрение данного явления, как в первом, так и во втором толковании сущности температурного разделения вязкого газа в вихревой трубе, а именно в последовательности во времени происходящих стадий, раздельном анализе двух потоков, и, в то же время, взаимодействии потоков, изолированных от целостного общего процесса, является методически нечетким при рассмотрении таких понятий, как причина и следствие, и приводит к уже отмеченным и другим противоречиям. [c.29] Для раскрытия механизма температурного разделения (расслоения) вязкого газа в вихревой трубе интересно отметить, что это явление наблюдается не только в случае высокоскоростного вращения газа в трубе. Так, температурное расслоение в потоке наблюдается и при высокоскоростном течении газа по плоской пластине [16, 20] (рис. 1.13) и обтекании перпендикулярно расположенного цилиндра (рис. 1.14) [2, 20]. При этом отмечается, что разделительный эффект в пограничном слое 5 на плоской пластине в 10 раз меньше, чем в вихревой трубе, а за цилиндром соизмерим с эффектом в вихревой трубе. [c.29] В случае обтекания пластины более низкая температура торможения Тд получается непосредственно у пластины, а большая — в свободном потоке То по сравнению с температурой торможения набегающего потока газа. Если в первом случае в энергообмене между слоями газа основную роль играет трение, то во-втором, по-видимому, сужение газа (канала) между цилиндром и стенкой, его разгон как в плоском сопле и последующее расширение с понижением температуры газа и другие факторы. [c.30] СКИМ теплообменом между газовой струей и газом в полости. Газ внутри полости подвергается последовательному прохождению ударных волн и волн разрежения. Кроме того, процесс сопровождается излучением звуковых колебаний. Таким образом, в трубке Г-Ш кинетическая энергия расширяющейся струи преобразуется в тепловую энергию и энергию акустических колебаний газа, находящегося в полости трубки. [c.32] Из приведенного графика (рис. 1.17) видно, что максимальное температурное разделение (Ato = 6,5°С) в трубке Г-Ш получается тогда, когда 20% нагретого газа выводится из трубки через вентиль (3) в ее торце. Использование трубки для охлаждения в таком виде малоэффективно, что обусловлено, главным образом, трудностями в выделении охлажденного потока из общей массы газа, прошедшего через сопловой ввод. Для случая нагрева в тонкостенной плохо проводящей тепло трубке с //d = 34 температура газа в полости трубки может на сотни градусов превышать температуру торможения возбуждающего потока. В работе [21] отмечается, что при степени расширения л = 5 и температуре перед сопловым вводом 20°С в конце трубки воздух нагревался до 500°С, а при наличии пыли, взвешенной в воздухе, отмечали температуры до 1000°С. Основной эффект нагрева в данном устройстве осуществляется за счет ударно-волно-вых процессов. При обтекании газовым потоком цилиндра более резкое снижение температуры обусловлено, кроме сказанного, значительными перепадами давления, затрачиваемого на сужение и расширение потока, созданием неустойчивого течения за цилиндром. Возникающие при этом пульсация, циркуляционные вихри, находящиеся в состоянии тепло- и массообмена с основным потоком, обусловливают большее понижение температуры по сравнению с обтеканием пластины. Необходимо отметить, что излучение звуковых колебаний в окружающую среду имеет место и в вихревой трубе. Кроме того, экспериментально доказано, что в вихревой трубе течение неустойчиво и возникают регулярные колебания давления. Нами было показано, что низкочастотные колебания являются следствием процеСсионного движения вынужденного вихря вокруг геометрической оси камеры закручивания. [c.32] В эксперименте, выполненном на устройстве из органического стекла, в стационарных условиях (и = 0) с истечением наклонной к плоскости поверхности воздушной струи было найдено, что при прочих равных условиях, основной температурный эффект расслоения определяется диаметром сопла d, углом наклона сопла к плоскости а и его расстоянием h до плоскости (рис. 1.15). Для данной установки и условий опыта (скорость истечения воздуха из сопла 50 м/с) наибольшего эффекта (-1ГС и +30°С для охлажденного и нагретого потоков соответственно) достигали при а 67° и соотношении h/d 1,5. На этом принципе основан ряд предложенных нами конструкций энергоразделителей [23]. Следует заметить, что, кроме основного температурного эффекта, наблюдалось температурное расслоение и в разделенных потоках. Причем, в слоях воздуха ближе к плоскости температуры были несколько ниже, чем в верхних слоях потоков. [c.34] Поперечный температурный градиент предопределяет возникновение тепловых потоков, направление которых, т. е. диффузия выделившегося при торможении тепла, определяется числом Прандтля — Рг. [c.35] При натекании наклонной высокоскоростной низкотемпературной струи на плоскость образование разнотемпературных потоков — охлажденного — на стороне тупого угла и нагретого — на стороне острого угла — можно объяснить, видимо, вышеописанным механизмом и различными условиями торможения частей и слоев исходной струи. Неравномерность скорости в сечении свободной струи уже создает понижение температуры по ее периферии, а из-за различного противодавления на слои, создающего условия для дополнительного перераспределения полной энергии по ее сечению, обеспечивается более низкая температура на стороне тупого угла. [c.36] Рассмотренные выше другие пути температурного разделения газа дают основание предположить, что в вихревой трубе этот процесс определяется целым комплексом факторов с различным их вкладом в общий итог температурного разделения. В ВТ имеют место расширение и сжатие газа, трение между слоями, перестроение и взаимодействие вихрей, неравномерное торможение разнотемпературных слоев расширяющихся струй, пульсационные и ударно-волновые процессы и т. д. [c.36] Претензии авторов различных гипотез на общее описание процесса с единых позиций приводят к противоречиям их положений с некоторыми фактами работы ВТ. [c.36] Для более полного раскрытия природы собственно вихревого эффекта необходимы знания структуры течения потоков в ВТ. Ниже рассматриваются результаты таких исследований. Как уже отмечалось, эффективность температурного разделения в значительной степени определяется конструктивными особенностями закручивающего устройства (ЗУ) и условиями формирования исходной высокоскоростной струи. В тангенциальном ЗУ (ТЗУ) формирование происходит, как правило, на прямолинейном участке сужающегося соплового ввода, из которого струя истекает на криволинейную (цилиндрическую) поверхность трубы и попадает под воздействие центробежного поля. Предложенное нами для вихревых аппаратов взамен ТЗУ винтовое закручивающее устройство (ВЗУ) обладает кроме конструктивных и рядом преимуществ термо- и газодинамического порядка. [c.36] При течении газа в сужающемся винтовом канале соплового ввода от сечения к сечению происходит непрерывное перераспределение скоростей и общий их рост, возникают как продольные, так и поперечные градиенты давления центробежные силы создают повышенное на вогнутой (внешней) и пониженное на выпуклой (внутренней) поверхностях канала давления. В результате поперечного перепада давления возникает движение частиц к вогнутой стенке, в сторону плоских стенок и по ним в направлении к выпуклой стенке. Поскольку Ь Ь, вторичные движения частиц газа по вогнутой и выпуклой стенкам затруднительны вторичные движения, характерные для условия Ь Ь [16], вырождаются в вихри, образующиеся по углам плоских и выпуклых стенок вихри вращаются в противоположных направлениях (рис. 1.19). Кроме того, как показывает анализ теоретических и аналитических исследований, данный в работе [24] для таких сечений криволинейного канала, при обтекании вогнутой поверхности с потерей устойчивости создаются условия для возникновения макровихрей Тей-лора-Гертлера с осями, совпадающими с общим направлением потока, и с чередующимся левым и правым вращением. Кинетическая энергия потока в данном случае теряется из-за значительной неравномерности полей скоростей, на компенсацию потерь из-за трения во вторичных течениях и на создание вихрей. [c.36] Другие потери, а именно, потери на отрыв пограничного слоя и выравнивание параметров потока, составляющие наибольщую часть при движении вязкого газа в криволинейном канале [16], будут отсутствовать в связи с постоянным радиусом кривизны. В ВТ с ВЗУ подобные крупномасштабные структуры с характерными для них свойствами поступают в камеру энергетического разделения, получая дальнейшее развитие, где следует ожидать их активное участие в процессах температурного разделения газа (переносах массы и энергии). [c.37] Торочешников Н. С. и др. Исследование эффекта температурного разделения воздуха в вихревой трубе // ЖТФ.— 1958.— Т. 28, вып. 6.— С. 1229. [c.38] Механизм происходящих в вихревой трубе процессов помогает раскрыть данные изучения внутренней структуры потоков. Проанализируем распределение по радиусу (в десяти точках) параметров потока в калиброванной стеклянной вихревой трубе (рис. 1.3) (Д.т = 40 мм, Ь = 30,5Д) с ВЗУ /с = 0,092, двухканальное с размерами Ь х Ь = 4 х 15 мм, углом наклона винтовой линии Р = 78°, 1д = 20 мм), полученных нами методом зондирования в шести сечениях на расстояниях от сечения соплового ввода Ь 2,5Дт 7,5Дт 12,5Д, 22,5Дт 27,5Дт. Условия опыта на воздухе составляли р 0,2 МПа, Р = 35 нм с, ц = 0 0,5 1,0. Схема установки и методика исследования аэро- и термодинамических параметров приведены в работе [25]. [c.39] На рис. 1.20 и 1.21 даны графики распределения параметров при ц = О и 0,5. [c.39] Нами проанализированы графики, полученные при ц = 0,5. [c.39] Вернуться к основной статье