ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Обзор теоретических исследований вихревого эффекУсловия обеспечения подобия протекания процессов из "Вихревые аппараты" К началу теоретических исследований объем экспериментальных материалов был недостаточен для формирования даже качественной картины процессов, протекающих в камере разделения. В связи с этим первые исследователи обычно предлагали простые модели, которые давали качественное совпадение расчетных результатов с отдельными участками экспериментальных характеристик вихревой трубы. Стимулом для выдвижения новых гипотез и расчетных моделей были большие количественные расхождения результатов расчета и эксперимента, а также обнаруженные в экспериментах новые явления, которые не удавалось объяснить в рамках существующих гипотез. Дростота конструкции часто рождала ложное представление о простоте процессов, происходящих в рассматриваемых вихревых аппаратах. [c.15] Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования вихревого эффекта начались после его вторичного открытия Р. Хильшем, который, как и Ж. Ранк, считал, что определяющую роль в энергетическом разделении играют силы трения между слоями газа. Действие их приводит к перестройке свободного вихря в вынужденный. Эта гипотеза получила дальнейшее развитие в работе И. А. Чарного, опубликованной в 1962 г. Факт снижения температуры торможения был объяснен передачей энергии за счет трения, возникающего нри захвате осевыми слоями периферийных, формирующих нагреваемый поток . [c.16] При современном понимании вихревого эффекта не составляет особого труда выявление недостатков рассмотренной гипотезы. В явном противоречии с предложенной моделью процесса находится тот факт, что внутренний поток при движении от дросселя к диафрагме не передает, а получает кинетическую энергию от периферийного потока. Вместе с тем этот процесс сопровождается уменьшением энтальпии внутреннего потока (см. рис. 5). Но, несмотря на несовершенство, гипотеза была одной из наиболее полезных для изучения вихревого эффекта. Она показала, что столь упрощенная зависимость для определения сил трения между] слоями не позволяет получить надежную модель процесса, а также что для получения значений АТх, зафиксированных в экспериментах, необходимы сверхзвуковые скорости течения газа в камере разделения. Возможность существования сверхзвукового течения ставили под сомнение большинство исследователей. Это обстоятельство стимулировало проведение замеров поля скоростей. Факт существования сверхзвукового течения потом был подтвержден экспериментально. [c.16] Гипотеза взаимодействия вихрей предложена А. П. Меркуловым [16]. Как и в предыдущих гипотезах, в ней отводится существенная роль силам вязкостного взаимодействия между слоями газа, рассматривается взаимодействие движущихся навстречу периферийного и центрального закрученных потоков. Основное отличие от предыдущих гипотез заключается в том, что определяющая роль в переносе энергии от осевых слоев к периферийным отведена радиальным турбулентным пульсациям газа. В поле с большим радиальным градиентом статического давления пульсации позволяют осуществлять перенос теплоты от центральных слоев к периферийным даже на тех участках камеры, где статическая температура на оси ниже статической температуры на периферии. [c.18] По мнению авторов, эта гипотеза наиболее полно отражает специфику процессов, происходящих в камере разделения. Пока не обнаружены явления, которые нельзя объяснить в рамках данной гипотезы. Некоторые критические замечания относятся не к гипотезе, а к расчетной модели, в которой процессы рассматриваются по упрощенной схеме, т. е. недостатки определяются допущениями, принятыми при составлении расчетных зависимостей. [c.18] Трудности аналитического описания процесса разделения усложняют) систематизацию накопленных экспериментальных материалов. При современном уровне развития теории не удается полностью исключить появление недостаточно согласованных трактовок результатов исследований, проведенных) различными авторами. В связи с этим поиск условий соблюдения подобия протекания процессов. остается одним из перспективных направлений в исследованиях вихревых аппаратов. [c.19] При отсутствии решения уравнений движения используют метод анализа, размерностей [33]. Основная трудность состоит в выборе необходимых и достаточных переменных, характеризующих процесс вихревого энергетического разделения. Попытки использовать все без исключения переменные, влияющие на эффект, привели к выводу функционального уравнения, содержащего И безразмерных комплексов. Решение уравнения получить не удалось, поэтому его невозможно использовать при анализе процесса. [c.20] Эффективны предварительная ранжировка параметров в рамках принятой модели вихревого эффекта и выбор переменных, наиболее существенных для процесса. В работе Б. Н. Калашникова такими переменными приняты расход сжатого газа Сс, момент количества движения потока Ml, внутренняя, энергия потока Е, расход охлажденного газа Gx, плотность газа перед диафрагмой Q2, диаметр вихревой трубы в сопловом сечении Do, удельные теплоемкости при постоянном давлении Ср и при постоянном объеме Из этих восьми переменных составлено четыре независимых безразмерных комплекса i GJG , M = Q2Aii-Do/G2 m = Mi/DoV iG ) k = pI с, . [c.20] Рассмотренную в работе Б. Н. Калашникова систему переменных целесообразно проанализировать в соответствии с требованиями метода анализа размерностей. Решение задачи с точностью до постоянной можно получить только в случае, если разность между числом существенных для процесса переменных и числом размерностей основных физических величин равна 1. При этом единицы измерения должны быть независимы, но например с -, имеют зависимые единицы. [c.21] Введем масштабы геометрических и газодинамических параметров. Момент количества движения потока Мх и внутренняя энергия потока Е характеризуют энергию, вводимую в камеру энергетического разделения с рабочим телом. Зависимой переменной, к определению которой сводится анализ, является разность энтальпии Ых. В качестве характеристики охлажденного потока примем плотность р2 газа в вихревой трубе перед диафрагмой. Поскольку перепады давлений и температур на диафрагме невелики, можно принять А1х 1с Ср Тс х) Ср(7 с Г 2) — А12-в рез ультате получена система, связывающая шесть величин (А 2, М, Ех, 0, Ос и рг), существенных для характеристики вихревого эффекта. Размерности этих шести величин представляют собой произведения размерностей трех основных величин — длины, массы и Времени (табл. 1). [c.21] В этих выражениях d = DxlDi Dx — диаметр отверстия диафрагмы) W2 — усредненная скорость течения газа через диафрагму. [c.23] То обстоятельство, что с повышением е несколько снижается максимум коэффициента температурной эффективности, объясняется влиянием гидравлического сопротивления диафрагмы, диаметр которой во время опытов не изменяли. С увеличением е от 5 до 16,5 расход сжатого газа при оптимальном режиме работы увеличился на 41%, соответственно возрос и расход охлажденного потока. [c.25] Вернуться к основной статье