Спосіб визначення локальної структури газового потоку

Спосіб визначення локальної структури газового потоку шляхом вприскування в газовий потік сажогасової суміші, яку готують при концентрації сажі в гасі із розрахунку 1:9...11 (у вагових частинах), який відрізняється тим, що сажогасову суміш вводять в газовий потік у точку, що попередньо визначена за системою координат з наступною фіксацією картини течії газового потоку на світлому покритті, яке наносять на досліджувані знежирені поверхні шляхом розпилювання швидкосохнучого розчину безпосередньо перед вприскуванням сажогасової суміші. (19) (21) u201102532 (22) 03.03.2011 (24) 26.09.2011 (46) 26.09.2011, Бюл.№ 18, 2011 р. (72) ПИСЬМЕННИЙ ЄВГЕН МИКОЛАЙОВИЧ, РУДЕНКО ОЛЕКСАНДР ІГОРЕВИЧ, НІЩИК ОЛЕКСАНДР ПАВЛОВИЧ, ТЕРЕХ ОЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ "КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ" 3 готують при концентрації сажі в гасі із розрахунку 1:9...11 (у вагових частинах). Введення сажогасової суміші в газовий потік шляхом вприскування дозволяє забезпечити перенесення часток сажі самим потоком та їх осадження на досліджуваному профілі у відповідності з закономірностями течії потоку. Для будь-якого положення в просторі робочої поверхні сажогасова суміш доставляється до неї газовим потоком та осаджується на ній у відповідності із закономірностями течії потоку. При цьому концентрація часток сажі та їх розміщення задаються параметрами газового потоку. В той же час одноразове введення сажогасової суміші в газовий потік перед досліджуваним тілом не дозволяє дослідити особливості течії газового потоку на ділянках, віддалених від місця введення сажогасової суміші, особливо для тіл великої протяжності, тіл складної форми з багатьма змінюваннями режиму течії газового потоку відповідно до змінювання форми тіла, наприклад з конфузорно-дифузорними перехідними ділянками (конфузор-звуження, дифузор-розширення поперечного перерізу каналу), тощо, а також для систем тіл. В згаданих випадках, що часто зустрічаються на практиці, за цим способом можна буде отримати чіткі картини течії газового потоку тільки на початкових ділянках досліджуваного тіла чи систем тіл, а на наступних ділянках вона буде розмитою і менш інформативною, тому що сажогасова суміш буде в основному витрачена на відтворення картини течії газового потоку на перших за ходом потоку ділянках. В основу корисної моделі поставлено задачу створення способу визначення локальної структури газового потоку, в якому нова послідовність операцій способу та введення нової операції дозволили б забезпечити розширення інформативності отримуваних картин течії газового потоку на всьому протязі досліджуваного тіла чи систем тіл при довільної орієнтації досліджуваних тіл у просторі, точності і одночасно простоті та невисокій вартості способу. Поставлена задача вирішується тим, що в способі візуалізації течії газового потоку шляхом вприскування в газовий потік сажогасової суміші, яку готують при концентрації сажі в гасі із розрахунку 1:9...11 (у вагових частинах), згідно з корисною моделлю, сажогасову суміш вводять в газовий потік у точку, що попередньо визначена за системою координат з наступною фіксацією картини течії газового потоку на світлому покритті, яке наносять на досліджувані знежирені поверхні шляхом розпилювання швидкосохнучого розчину безпосередньо перед вприскуванням сажогасової суміші. Введення сажогасової суміші в газовий потік у точку, що попередньо визначена за системою координат з наступною фіксацією картини течії газового потоку на світлому покритті, яке наносять на досліджувані знежирені поверхні шляхом розпилювання швидкосохнучого розчину безпосередньо перед вприскуванням сажогасової суміш дозволяє забезпечити розширення інформативності отримуваних картин течії газового потоку на всьому протязі досліджуваного тіла чи систем тіл при до 63068 4 вільної орієнтації поверхонь тіла чи тіл у просторі за рахунок того, що на відміну від способу - найближчого аналога, в якому сажогасова суміш одноразово вприскується перед досліджуваним тілом і осаджувані частки сажі якісно виявляють картину течії газового потоку для невеликих за розмірами тіл або на початкових ділянках великих за розмірами тіл чи систем тіл, вприскується в пропонованому способі на всіх ділянках (або на вибраних ділянках) досліджуваного тіла чи систем тіл за попередньо складеною системою координат, що дозволяє отримувати на всіх ділянках (або вибраних ділянках) якісні картини течії газового потоку, складати з цих локальних фрагментів загальну картину течії газового потоку та отримувати повну і точну структуру течії газового потоку на всіх ділянках тіла чи системи тіл. Простота і, відповідно, невисока вартість пропонованого способу, що є важливим для методів дослідження газових потоків, досягаються за рахунок застосування в даному способі крім аеродинамічної труби, що як правило завжди є необхідною для газодинамічних дослідів і пристрою для вприскування сажогасової суміші (в найпростішому випадку це шприц, хоча можуть використовуватися і більш складні засоби), також і пристрою для розпилювання розчину для утворення світлого покриття, що може конструктивно бути виконаним у єдиному блокові з пристроєм для вприскування сажогасової суміші. Технічна суть та принцип дії запропонованого способу визначення локальної структури газового потоку пояснюється кресленням. На кресленні зображено приклади визначення локальної структури газового потоку для тіл складної форми та системи тіл: фіг. 1 - досліджуваний профіль у вигляді пластини (ширина 40 мм, довжина 80 мм, товщина 3 мм) із заглибленнями сферичної форми (діаметр сфери складає 6 мм, глибина 1,5 мм), що розташовані у шахматному порядку (поперечний крок 12 мм, повздовжній крок 9 мм) після визначення локальної структури газового потоку (тіло складної форми); фіг. 2 - досліджуваний профіль у вигляді пластини (ширина 30 мм, довжина 60 мм, товщина 2 мм) із встановленим на ній циліндром (діаметр 10 мм, висота 13 мм) після визначення локальної структури газового потоку (тіло складної форми); фіг. 3 - досліджуваний профіль у вигляді пластини - трубної дошки із встановленою в ній системою тіл, а саме поперечно оребрених труб (діаметр несучих труб 21 мм, діаметр оребрення 81 мм, коефіцієнт оребрення 38,3) після визначення локальної структури газового потоку (система тіл). На поверхні досліджуваних профілів (пластина 1 із заглибленнями сферичної форми 2, розташованими у шахматному порядку - фіг. 1, пластина 1 з циліндром 3 на ній - фіг. 2 та пластина 1 - трубна дошка з встановленими в ній у шахматному порядку оребреними трубами 4 - фіг. 3), нанесено шар світлого покриття 5, наприклад білої емалі. Локальні структури газового (повітряного в даному випадку) потоку, отримані за допомогою даного способу, які формуються при набіганні газового потоку на досліджувані профілі зліва направо, 5 представлені на фіг. 1, 2, а зверху вниз - представлені на фіг. 3. При реалізації способу на пластині 1, наприклад виготовленій зі сталі, виготовляють сферичні заглиблення 2 (фіг. 1), після чого знежирюють робочу поверхню пластини (робочою буде я зовнішня поверхня пластини 1 разом із сферичними заглибленнями 2) за однією з відомих технологій. На підготовлену таким чином робочу поверхню наносять шар швидкосохнучої білої емалі 5. Готують сажогасову суміш при співвідношенні сажа/гас, як 1:9...11 (у вагових частинах), ретельно її перемішують та заправляють у пристрій для внесення у газовий потік, наприклад шприц. Розміщують пластину 1 в пристрій (наприклад, аеродинамічну трубу), який утворює направлений газовий потік так, що він буде омивати робочу поверхню. Пропускають газовий потік, в який в кількох точках (в двох в даному випадку) вводять сажогасову суміш шляхом вприскування на всьому протязі пластини (перед першими двома рядами заглиблень, з яких у першому ряду за ходом газового потоку розміщена одна заглибина 2, а у другому - дві заглибини 2 та перед двома іншими рядами заглиблень, з яких у третьому ряду міститься три заглибини 2, а у четвертому - дві заглибини 2) і отримують на шарі емалі 5 робочої поверхні пластини 1 локальну структуру газового потоку за рахунок розташування часток сажі за лініями течії потоку, що переміщуються по поверхні білої емалі 5. При обтіканні сферичного заглиблення 2 за її вхідним краєм 6 (по відношенню до напряму набігаючого газового потоку) утворилась рециркуляційна зона 7, яка в залежності від швидкості потоку може займати весь об'єм сферичного заглиблення 2. За вихідним краєм 8 сферичного заглибленням 2 утворився ламінарний пограничний шар 9. При реалізації способу на пластині 1, наприклад виготовленій зі сталі, закріплюють, наприклад шляхом зварювання, циліндр 3 також зі сталі (фіг. 2), після чого знежирюють поверхню пластини та циліндра. На підготовлену таким чином робочу поверхню (зовнішня поверхня пластини зі сторони приєднаного до неї циліндра) наносять шар швидкосохнучої білої емалі 5. Готують сажогасову суміш при вказаному вище співвідношенні, ретельно її перемішують та заправляють у пристрій для внесення у газовий потік. Далі розміщують пластину в аеродинамічну трубу. Пропускають газовий потік, в який вводять сажогасову суміш шляхом вприскування перед циліндром 3 та за ним і отримують на шарі емалі 5 робочої поверхні пластини 1 локальну структуру газового потоку. На фіг. 2 зафіксовано відривання турбулентного пограничного шару та його закручування з утворенням вихорової системи перед циліндром 3. Кінці цієї вихорової системи загинаються та приймають характерну форму, що має назву підковоподібного вихора. На фіг. 2 спостерігається так звана сідлова точка 10 первинного відривання потоку перед циліндром 3. Добре відслідковується також точка вторинного відривання потоку 11 перед циліндром 3. Достатньо проявлені також на фіг. 2 за циліндром 3 вихорові структури відривання 12 пограничного шару від поверхні циліндра 3, які мають місце 63068 6 на кутах (82-84) від лобової точки циліндра 3 (в місці з'єднання циліндра 3 з пластиною 1). При реалізації способу в пластині 1 - трубній дошці встановлюють та закріплюють поперечнооребрені труби 4 в шахматному порядку з поперечними та повздовжніми кроками S1=83,58 мм та S2=72,03 мм відповідно (в даному прикладі), що разом складають систему тіл (фіг. 3, вид зверху), після чого знежирюють поверхню пластини 1 трубної дошки та прилягаючих ділянок оребрених труб 4. На підготовлену таким чином робочу поверхню (зовнішня поверхня пластини 1 - трубної дошки разом з прилягаючими оребреними трубами 4) наносять шар швидкосохнучої білої емалі 5. Готують сажогасову суміш при вказаному вище співвідношенні, ретельно її перемішують та заправляють у пристрій для внесення у газовий потік. Далі розміщують пластину в аеродинамічну трубу. Пропускають газовий потік, в який вводять сажогасову суміш шляхом вприскування перед кожним з рядів оребрених труб 4 і отримують на шарі емалі 5 робочої поверхні пластини 1 - трубної дошки локальну структуру газового потоку на поверхні пластини 1 - трубної дошки за рахунок розташування часток сажі за лініями течії потоку. На фіг. 3 чітко проглядаються межі ребер 13 в площині пластини 1 - трубної дошки за рахунок підвищених швидкостей газового потоку в поміжтрубних (з врахуванням ребер) проміжках 14 по відношенню до швидкостей газового потоку в поміжреберних каналах 15, які розташовуються по висоті поміж ребрами (в даному випадку мова йде тільки про один канал, що прилягає до пластини 1 - трубної дошки). Основним джерелом збурення в потокові, що омиває труби 4 пучка, є циліндр-зовнішня поверхня кожної з несучих оребрених труб 4. Великомасштабні вихорові ділянки, що виникають внаслідок відривання пограничних шарів, утворюють за ребристою трубою 4 темний турбулентний слід 16. Ширина і довжина цього турбулентного сліду залежить від параметра розміщення оребрених труб 4 в пластині 1 - трубній дошці, а саме від величини відношення поперечних та повздовжніх кроків S1/S2. При зменшенні цього параметра відбувається стиснення потоку та зменшення сліду за кожною з труб. Відповідно до запропонованого технічного рішення проведено визначення локальної структури газового потоку на трьох типах профілів обтікання у вигляді сферичних заглиблень на пластині, приєднаного до пластини циліндра та системи тіл у вигляді встановлених в трубній дошці поперечнооребрених труб. В результаті проведених дослідів по визначенню локальної структури газових потоків було встановлено наступне (див. фіг. 1, 2, 3): - запропонований спосіб дозволяє зафіксувати локальну структуру газових потоків при обтіканні тіл складної форми та системи тіл; частки сажі розташовуються вздовж ліній течії під дією руху повітряного потоку і фіксують структуру газового потоку на робочій поверхні; - концентрація часток сажі відображає локальні характеристики течії газового потоку на досліджуваних профілях. 7 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 63068 8 Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601