Спосіб керування інтенсивністю змішування потоків у вихровій камері

Спосіб керування інтенсивністю змішування потоків у вихровій камері, що має циліндричну форму із тангенційно розташованими вхідними соплами, згідно якого вплив на потік у центральній частині порожнини вихрової камери здійснюють 3 призводить до зміни характеру течій у всіх інших послідуючих структурах. Найбільш близьким до корисної моделі є спосіб, що прийнятий за прототип, в якому вперше пропонують керувати характером течії конкретної вихрової структури (центрального квазітвердотільного вихору) шляхом зміни напрямку частини вхідного потоку у вигляді окремого струменя через додаткові сопла у тангенційно розташованих впускних вікнах циліндричної камери, причому кути тангенційності струменів не співпадають із кутами тангенційності впускних вікон [3]. Однак шляхом зміни напрямку частини вхідного потоку у вигляді окремої додаткової течії (струменя) згідно відомого способу можна впливати головним чином на одну вихрову структуру, а саме центральний квазітвердотільний вихор, прискорюючи чи гальмуючи швидкість його обертання або розбиваючи його, який в свою чергу є продуктом дії всіх інших регулярних структур, сформованих у порожнині вихрової камери, що робить цей спосіб малоефективним у процесі керування. В основу корисної моделі поставлена задача створити спосіб керування інтенсивністю змішування потоків у вихровій камері, у якому шляхом використання додаткових керуючих вихрових структур, що формуються у вхідному соплі або за його межами (зовні камери), та введення їх у вхідний потік забезпечують отримання більш якісного процесу змішування, а також зменшують енергетичні затрати на систему керування процесом змішування. Технічним результатом є створення вихрових камер змішування з простою системою керування інтенсивністю змішування потоків рідкого середовища у порожнині камери, які здатні будуть забезпечувати виготовлення якісної готової суміші із наперед заданими параметрами при фіксованій кінцевій продуктивності. Поставлена задача вирішується тим, що в способі керування інтенсивністю змішування потоків у вихровій камері циліндричної форми із тангенційно розташованими вхідними соплами, в якому вплив на потік у центральній частині порожнини вихрової камери здійснюють зміною напрямку частини вхідного потоку у впускних вікнах, у вхідний потік вводять додаткові керуючі вихрові структури, які впливають на вже сформовані у порожнині камери регулярні вихрові структури, причому параметри додаткових керуючих структур підбирають за масштабом, формою та інтенсивністю таким чином, щоб ці керуючі структури при взаємодії з конкретними регулярними вихровими структурами інтенсифікували (синфазність керуючої та регулярної структури) або гальмували («протифазність» керуючої та регулярної структури) процеси масопереносу у вихровій камері. Масштаб та інтенсивність додаткових керуючих структур підбирають відповідно до масштабу та інтенсивності регулярних вихрових структур. Суть корисної моделі пояснюється схемою структури течії у вихровій камері, що приведена на фігурі, де зображено макет вихрових структур, що формуються у порожнині вихрової камери із тангенційно розташованим соплом. В якості прикладу 55789 4 на фігурі зображено дію поздовжніх керуючих вихрових структур у вхідному потоці. Малими стрілками на фігурі показано напрямок перенесення потоку у регулярних вихрових структурах, а великими стрілками - напрямок основного потоку разом із наведеними в ньому структурами. На фігурі прийняті наступні позначення: 1 - вихрова структура «вуса»; 2 -внутрішня стінка циліндричного корпусу камери; 3,7 - кутові вихрові пари; 4 -внутрішня стінка тангенційно розташованого впускного вікна прямокутного перерізу; 5 - керуючі поздовжні вихрові структури; 6 - напрямок вхідного потоку; 8 - система вихорів типу Гьортлера; 9 система квазітейлоровських вихорів; 10 - центральний квазітвердотільний вихор; 11 - основний напрямок переносу змішаної маси в бік активної зони; 12, 13 - «вторинний» та «первинний» пристінкові струмені відповідно; 14 - пара поперечних вихорів у відривній зоні за соплом; 15 - лінії утворення торнадоподібного вихору на торці вихрової камери; 16 - внутрішня поверхня торця вихрової камери. Згідно експериментальних досліджень [4] показано, що взаємодія існуючих вихрових структур та вношуваних структур відбувається тільки у тому випадку, якщо вони співпадають за формою, масштабом та інтенсивністю, причому, якщо взаємодіючі структури синфазні, то їх взаємодія відбувається у резонансному режимі, яка супроводжується суттєвим збільшенням масштабу та інтенсивності вихрових структур, або якщо їх взаємодія відбувається у протифазі, тоді може відбуватися дисипація взаємодіючих вихрових структур. Проте, якщо взаємодіючі вихрові структури не є подібними за формою, масштабом та інтенсивністю, то вони будуть перенесені потоком рідкого середовища далі згідно напрямку перенесення маси у сформованій структурі течії в порожнині вихрової камери або дисиповані в інших більш енергонасичених регулярних вихрових структурах. При перенесенні керуючих вихрових структур у напрямку основного потоку масопереносу вони можуть почати взаємодіяти з іншими характерними структурами, якщо в процесі переносу буде встановлена вищезгадана умова співмірності параметрів вихрових структур. Тобто, якщо синфазно (закручування керуючої структури за напрямком співпадає з напрямком закручування керованої (регулярної) структури) вводити, наприклад, в зоні вхідного сопла (див. фіг.) поздовжні вихрові структури, які за масштабом та інтенсивністю є співмірними лише з характерними вихровими структурами типу Гьортлера, що наводяться на увігнутій внутрішній стінці циліндричного корпусу у «первинному» пристінковому струмені [2], то вношувані керуючі структури будуть переноситись вхідним потоком рідкого середовища, минаючи пару поперечних вихорів у відривній зоні за соплом до моменту, коли вони почнуть взаємодіяти із характерними структурами типу Гьортлера, інтенсифікуючи процес змішування в них, тим самим змінюючи подальший розвиток інтенсивності змішування потоків у загальній структурі течії у вихровій камері. Якщо ж, наприклад, вношувані поздовжні керуючі структури за 5 масштабом та інтенсивністю є співмірними із квазітейлоровськими характерними вихровими структурами, то взаємодія з вихровою структурою типу Гьортлера не відбудеться та поздовжні керуючі структури будуть перенесені вздовж «первинного» пристінкового струменя навколо осі циліндричної камери далі за напрямком основного потоку масопереносу, після чого, переходячи до «вторинного» пристінкового струменя, вони частково дисипуються у вихровій структурі «вуса», а інша частина вихорів почне взаємодіяти з квазі-тейлоровськими характерними вихровими структурами, інтенсифікуючи процес масопереносу у самих структурах, які створюються в зазорі між центральним квазітвердотільним вихором та «вторинним» пристінковим струменем, що також змінить подальший загальний характер інтенсивності змішування потоку у вихровій камері. Таким чином, вношувані додаткові керуючі вихрові структури при взаємодії з подібними за походженням та параметрами регулярними вихровими структурами у порожнині камери здібні збуджувати або гальмувати процеси змішування та масоперенсу у загальній структурі течії вихрової камери. Слід також зауважити, що енергія вхідного потоку має величину на порядок вищу за енергію потоку у внутрішній області камери через різницю швидкостей та на основі гіпотези про суцільність рідкого середовища. Це означає, що наведені або вношувані в зоні сопла керуючі вихрові системи, які відбирають малу частину енергії вхідного потоку, можуть бути за своїми параметрами суттєво меншими ніж керовані характерні структури у вихровій камері, тобто потужність самих керуючих вихрових структур може бути на порядок менша ніж потужність регулярних структур, на які спрямована керуюча дія. Таким чином, вживання вказаних заходів в реалізації способу керування інтенсивністю змішування потоків рідкого середовища у вихрових камерах за рахунок формування додаткових керуючих вихрових структур на стінках впускних сопел або за їх межами через використання енергії вхідного потоку відкидає потребу у додаткових джерелах енергії, тобто реалізується спосіб пасивного керування інтенсивністю змішування потоків у вихрових камерах циліндричної форми на мікрорівні. Спосіб реалізується таким чином. Керуючі вихрові структури 5, що створюються у вхідному соплі або за його межами і є співмірними за масштабом та інтенсивністю з вихровою системою «вуса» 1, а також синфазними до вказаної системи, потрапляють у порожнину камери змішування через тангенційно розташоване у циліндричному корпусі 2 впускне вікно 4. Основний вхідний потік 6 разом із наведеними парами вихорів 3 та 7 у кутових місцях сопла (поява таких вихорів обумовлюється формою перерізу сопла) та керуючими вихровими структурами 5 потрапляють у вигляді «первинного» пристінкового струменя13 далі, у камеру, де вже на увігнутій внутрішній стінці циліндричної поверхні корпусу 2 виникають умови створення системи вихорів типу Гьортлера 8, які, здійснюючи оберт на внутрішній стінці камери, 55789 6 підходять до впускного вікна 4 та у вигляді «вторинного» пристінкового струменя 12 накладаються на «первинний» 13. При накладанні струменів 12 та 13 відбувається сплющування «первинного» струменя 13, за рахунок чого створена система вихорів типу Гьортлера 8 починає розширюватись, при чому на бокових поверхнях «первинного» пристінкового струменя 13 внаслідок його сплющування та взаємодії із «вторинним» струменем 12 формуються та відокремлюються пари вихорів характерної вихрової структури «вуса» 1, частина яких із високою коловою швидкістю здійснюють перенос змішуваної маси до торця камери 16, де трансформуються у торнадоподібний вихор 15, який є початком формування центрального квазітвердотільного вихору 10, а друга частина структури 1 розповсюджується у бік активної зони камери за напрямком 11. Через суттєву різницю швидкостей обертання квазітвердотільного вихору 10 та колового переміщення «первинного» 13 та «вторинного» 12 пристінкових струменів можливе виникнення в зазорі між струменями 13, 12 та вихором 10 квазі-тейлоровських вихрових структур 9, існування яких буде підживлюватися зберіганням у певних межах різниці колових швидкостей переміщення характерних вихрових структур 10, 12 та 13. У свою чергу, створені квазі-тейлоровські характерні структури 9, віддаляючись від зони взаємодії струменів 12 та 13, послаблюються через обмеженість розповсюдження умов їх існування та поглинаються більш енергонасиченими вихровими структурами «вуса» 1. В даному випадку створені у соплі поздовжні пари керуючих вихрових структур 5, з урахуванням своїх параметрів, переносяться вздовж «первинного» пристінкового струменя 13, минаючи пару поперечних вихорів 14 та систему вихорів Гьортлера 8. При сплющувані «первинного» пристінкового струменя 13 під дією накладання на нього «вторинного» пристінкового струменя 12 «первинний» струмінь 13 розширюється та відокремлює в обидва боки вздовж осі камери вихрові структури «вуса» 1, з якими починають взаємодіяти керуючі вихрові структури 5. Інтенсифікуючи таким чином процес змішування у зазначеній структурі 1, характер течії поблизу торця 16 змінюється внаслідок прискореного переносу змішуваної суміші більшої насиченості, ніж до взаємодії з керуючими структурами 5. Така зміна характеру потоку у структурі «вуса» 1 незмінно призводить до змінювання умов формування торнадоподібної вихрової структури 15, продовження якої у вигляді центрального квазітвердотільного вихору 10 переносить отриману суміш потоків до активної зони вихрової камери 2, де відбувається кінцевий контроль якості отриманої суміші та передача її за призначенням. Тобто керований вплив додатковими вихровими структурами 5 лише на одну регулярну вихрову структуру у камері змішування дає змогу впливати на загальну структуру течії змішаного потоку в активній зоні камери 11. Джерела інформації: 1. Патент України на винахід №54767 А МПК 7 B01F5/00, 2003. 7 55789 2. В.В.Бабенко, В.Н.Турик. Макет вихревых структур течения в вихревой камере // Прикладна гідромеханіка. - 2008. - 3(82), №3.-С.3-19. 3. Патент України на корисну модель №3443 U МПК 7 В01F5/00, 2004 -прототип. Комп’ютерна верстка М. Мацело 8 4. Л.Ф.Козлов, А.И.Цыганюк, В.В.Бабенко и др. Формирование турбулентности в сдвиговых течениях. - К.: Наукова думка, 1985.-284с. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601