Спосіб керування інтенсивністю змішування потоків у вихровій камері

Реферат: Спосіб керування інтенсивністю змішування потоків у вихровій камері циліндричної форми із тангенціально розташованими вхідними соплами, у вхідний потік вводять додаткові керуючі вихрові структури, сформовані у проточному тракті сопла камери. У впускному соплі камери встановлюють тонке прямокутне крило малого подовження та розташовують його під відповідним додатним або від'ємним кутом атаки по відношенню до вектора швидкості рідини (газу) на вході до сопла. UA 110914 U (12) UA 110914 U UA 110914 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі гідроаеродинаміки, а саме до способів керування інтенсивністю змішування потоків у вихрових камерах (далі ВК), та може бути використана у тепломасообмінних апаратах та пристроях, вихрових камерах згоряння, змішувачах, хімічних реакторах та інших вихрових апаратах, які мають циліндричну форму робочої камери. У технічній літературі структура течії у ВК традиційно була представлена у вигляді сукупності векторів або ліній течії, що вказували приблизний (за логікою розробників конструкцій камер або за далеко не завжди адекватними результатами комп'ютерного моделювання складної течії існуючими програмними пакетами) напрямок руху частинок рідини (газу) у порожнині камери. Уперше чітке виділення існуючих когерентних вихрових структур (далі КВС) у циліндричних ВК із тангенціально розташованою проточною частиною вхідного сопла, опис взаємодії та формування КВС було зроблено в експериментальній роботі [1]. Згідно з її результатами, у циліндричних ВК можна виділити п'ять областей специфічних вихрових течій, до яких належать: течія біля сопла; течія у периферійній пристінній області камери; течія біля глухого торця циліндричної частини камери; течія у внутрішній області камери; течія в активній (проточній) частині ВК. Послідовно розглянута структура течії у зазначених областях ВК дозволила виділити та дослідити шляхом інструментальних вимірювань характерні типи регулярних КВС, до яких було віднесено такі: пари вихорів у кутових зонах вхідного сопла; пари поперечних вихорів у відривній зоні течії за соплом; розбіжні вихори типу Гьортлера-Людвіга на увігнутій стінці циліндричної поверхні камери після сопла; різні види квазітейлорівських вихорів; найбільш енергоємні спіралеподібні вихрові системи "вуса" у пристінній області, які розходяться у тупикову та активну частини ВК; центральний (приосьовий, торнадоподібний) квазітвердотільний вихор (далі ЦКТВ), що формується біля глухого торця та рухається від нього у бік активної частини камери. Через послідовний взаємозв'язок усіх зазначених регулярних вихрових структур, зміна інтенсивності масопереносу в одній окремій структурі незмінно призводить до зміни характеру течій у всіх інших подальших структурах. Відомим аналогом є камера змішування, що містить циліндричний корпус, в бічній поверхні якого виконані отвори, у корпусі розташовано диск з можливістю переміщення, який утворює глухий торець, а в отворах розміщені сопла з можливістю зміни їхнього положення, оснащені тангенціальними впускними вікнами. В тангенціальних впускних вікнах встановлено додаткові сопла з кутами тангенціальності, що не дорівнюють тангенціальним кутам впускних вікон [2]. Основний недолік аналога полягає в тому, що додаткові внутрішні сопла конструктивно займають значну частину проточних трактів основних впускних вікон, що обмежує діапазон зміни кутів входу струменів до камери з додаткових сопел. Додаткові струмені різко руйнують, головним чином, приосьовий ЦКТВ та прилеглі до нього вихрові структури. Це ускладнює організацію спрямованих керувальних дій, згідно з принципом взаємної сприйнятливості вихрових структур [3] на найбільш енергоємні спіралеподібні КВС типу "вуса" в області їх формування (у тому числі через впливи на вихри Гьортлера-Людвіга та квазітейлорівські вихри) для ефективної інтенсифікації перемішування об'ємів робочої рідини (газу) в них, а отже, процесів переносу маси, імпульсу та енергії в тупиковій та активній зонах камери, оскільки саме ці КВС, які біля глухого торця трансформуються в ЦКТВ, значною мірою їх визначають. Недоліком також є те, що керування структурою течії в такий спосіб призводить до зростання аерогідродинамічного опору ВК. Найближчим аналогом до корисної моделі є спосіб керування інтенсивністю змішування потоків у ВК циліндричної форми із тангенціально розташованими вхідними соплами, в якому у вхідний потік вводять додаткові керуючі вихрові структури, які впливають на вже сформовані у порожнині камери регулярні вихрові структури, причому параметри керуючих структур підбирають за масштабом, формою та інтенсивністю таким чином, щоб керуючі структури при взаємодії з конкретними регулярними вихровими структурами інтенсифікували (синфазність керуючих та регулярних структур) або гальмували (протифазність керуючих та регулярних структур) процеси масопереносу у ВК [4]. Недоліком найближчого аналога є відсутність інформації про те, яким чином формують додаткові керуючі вихори у вхідному соплі камери або поза його межами та реалізують їх узгоджене з існуючими в камері структурами уведення в порожнину ВК, не порушуючи принципу взаємної сприйнятливості вихрових структур [3]. В основу корисної моделі поставлена задача створити ефективний спосіб керування інтенсивністю змішування потоків у вихровій камері шляхом внесення у вхідний потік керуючих додаткових вихрових структур, які формуються у вхідному соплі і взаємодіють з існуючими у ВК вихровими структурами згідно з принципом взаємної сприйнятливості. 1 UA 110914 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Поставлена задача вирішується тим, що у впускному соплі камери встановлюють тонке прямокутне крило малого подовження, яке в залежності від швидкості потоку у вихровій камері та заданого впливу на окремі вихрові структури потоку у вихровій камері та розташовують його під відповідним додатним або від'ємним кутом атаки по відношенню до вектора швидкості рідини (газу) на вході до сопла. Крило малого подовження формує за задньою кромкою вихрові джгути (пелена), розташованих в трансверсальному напрямі на відстані один від одного, що дорівнює розмаху крила малого подовження, і поширюються вздовж напрямку бічних кромок крила малого подовження, які обертаючись назустріч один одному, при вигляді зверху на крило малого подовження, при взаємодії з вже сформованими вихровими структурами у порожнині вихрової камери інтенсифікують тепломасообмін. Технічним результатом є створення вихрових камер змішування з простою системою керування інтенсивністю змішування потоків рідкого середовища у порожнині камери, які здатні забезпечити виготовлення якісної готової суміші із наперед заданими параметрами при фіксованій кінцевій продуктивності. Корисна модель пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 представлено макет вихрових структур, що формуються у порожнині вихрової камери із тангенціально розташованим соплом. У соплі вихрової камери вмонтовано крило малого подовження, за задньою кромкою якого формуються вихрова пелена, яка згортається за крилом малого подовження до пари поздовжніх вихорів уздовж торцевих кромок крила малого подовження; на фіг. 2 зображено поперечний переріз А-А запропонованої корисної моделі по фіг. 1. На фіг. 1 наведено макет вихрових структур, що сформовані у вихровій камері при обтіканні внутрішньої стінки 1 циліндричної камери, до якої примикає впускне сопло 2, всередині якого розташоване крило малого подовження 3, а напрямок вхідного потоку позначено стрілкою 4. Вздовж кутів прямокутного сопла 2 формуються пари поздовжніх вихорів 5. Вздовж внутрішньої стінки 1 сформовані системи вихорів типу Гьортлера-Людвіга 6, а після першого кола обертання потоку вздовж внутрішньої циліндричної стінки між вихорами 6 та центральним квазітвердотільним вихором 9, напрямок руху якого позначено стрілкою 8, формуються системи квазітейлорівських вихрових структур 7. "Первинний" пристінний струмінь 10 після першого оберту формує "вторинний" струмінь 11. За передньою кромкою сопла 2 на його внутрішній стінці 1 у відривній зоні формується пара поперечних вихорів 12. За задньою кромкою крила малого подовження 3, які встановлено під кутом атаки, формується вихрова пелена 13, яка стікає в напрямках до кромок крила малого подовження і формує нижче по потоку пару поздовжніх вихорів 14. У місцях спряження кутових зон проточного тракту сопла з внутрішньою циліндричною поверхнею 1 формуються пари спіралеподібних енергоємних вихорів типу "вуса" 15, які спрямовуються до тупикової та активної частин камери. Їх тупикова частина на внутрішній поверхні торця 17 вихрової камери переформовується в поверхню конусоподібної форми, що зображена лініями течії 16, а далі від торця 17 ця конусоподібна поверхня формує квазітвердотільний вихор 9. Стрілками показано напрямок руху вихрових систем. На фіг. 2 наведено поперечний переріз А-А, що проходить уздовж поперечного перерізу камери по середині сопла по фіг. 1, Товщина стінки визначається відстанню між внутрішньою 1 і зовнішньою 19 циліндричними поверхнями корпусу вихрової камери. Усередині сопла 2 під кутом атаки α встановлено крило малого подовження 3. Стрілкою 4 показаний напрям потоку на вході до сопла 2. Кут атаки α визначається кутом між напрямком хорди 18 крила малого подовження 3 і віссю симетрії нахиленого сопла 2. По торцях крила малого подовження 3 формуються поздовжні вихори 14. Корисну модель виконують наступним чином. Із задньої кромки крила малого подовження 3 (фіг. 1) збігає вихрова пелена 13, яка згортається нижче по потоку за крилом малого подовження до форми двох поздовжніх керуючих вихорів 14, розташованих згідно з напрямком торцевих кромок крила малого подовження. Пара вихорів 14 потрапляє до складу напівобмеженого "первинного" пристінного струменя 10. За умов взаємної сприйнятливості, тобто взаємної узгодженості за формою, геометричними та енергетичними характеристиками, вихори 14 взаємодіють з вихровими структурами, що утворюються у вихровій камері внаслідок криволінійності траєкторій, тобто із системою вихорів типу Гьортлера-Людвіга 6, модифікуючи їх, а також далі, після першого кола обертання потоку по внутрішній стінці вздовж криволінійного потоку в зоні "вторинного" пристінного струменя 11, з квазітейлорівськими вихорами 7, що формуються між вихорами 6 та центральним квазітвердотільним вихором 9, також модифікуючи їх. Після цього модифікована пара вихорів 14 потрапляє до пари енергоємних вихорів типу "вуса" 15, які поширюються в тупикову та активну зони вихрової камери, і взаємодіють з ними. Якщо за умов сприйнятливості вихори 14 мають характеристики, що не відповідають характеристиками вихрових систем 6 та 7, то вихори 2 UA 110914 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 14 відразу за соплом взаємодіють із вихорами типу "вуса" 15, або вихори 14 проходять один оберт в зоні "первинного" пристінного струменя 10 та "вторинного" пристінного струменя 11, і вже після цього взаємодіють з вихорами типу "вуса" 15. В результаті при резонансному режимі взаємодії керуючих вихорів 14 з енергоємними системами вихорів типу "вуса" 15 виникає суттєве збільшення масштабів та інтенсивності останніх, що завдяки їх розповсюдженню в тупикову та активну зони камери значною мірою впливає на процеси тепломасообміну при мінімальних енергетичних затратах на керування структурою течії. Отже, застосоване тонке крило малого подовження у якості генератора вихорів, що розташоване в соплі камери, дозволяє цілеспрямовано трансформувати частину енергії середньої турбулентної течії вхідного потоку в енергію енергоємних вихрових утворень у вихровій камері. Окрім розмаху крила малого подовження 3 має велике значення кут атаки, з яким крило малого подовження встановлене в соплі 2. В залежності від величини кута атаки  та його додатного або від'ємного значень пара керуючих вихорів 14 може впливати не тільки на зазначені вище КВС потоку у вихровій камері, але і на область розташування ЦКТВ. Застосування крила малого подовження дає такі переваги: значно розширює діапазон кутів атаки, при яких відсутній небажаний відрив примежового шару, який міг би руйнувати упорядковані кінцеві вихрові джгути 14 та порушувати узгодженість характеристик керуючих вихорів 14 з характеристиками системи вихорів, якими необхідно управляти; мінімізує величину профільного опору крила, а отже, гідравлічний опір всієї вихрової камери в процесі управління вихровими системами вихрової камери. До того ж, оскільки у тонких профілів крила коефіцієнт підіймальної сили залишається майже постійним зі зміною числа Рейнольдса, то з огляду на відомий зв'язок коефіцієнтів підіймальної сили та індуктивного опору, можна стверджувати, що в широкому діапазоні режимних параметрів застосоване тонке крило малого подовження забезпечуватиме найсприятливіші умови стійкого генерування кінцевих вихрових джгутів, які мають впливати на характеристики КВС у вихровій камері. Сприятиме цим умовам також близькість крила до нижньої частини проточного тракту сопла, що спричиняє дію екранного ефекту, який збільшує коефіцієнт підіймальної сили, а відповідно й індуктивний опір, природа якого зв'язана саме з утворенням вихорів 14, що управляють. Додаткові керуючі вихрові структури, що вводяться у запропонованому сопловому пристрої до вхідного потоку, забезпечать отримання більш якісного керування процесом змішування у ВК і зменшать енергетичні та матеріальні затрати на систему керування. Джерело інформації: 1. Бабенко В.В., Турик В.Н. Макет вихревых структур течения в вихревой камере //Прикладна гідромеханіка. - 2008. - 3(82), № 3. - С. 3-19. 2. Деклараційний патент на корисну модель, Україна, № 3443 U МПК B01F5/00. Камера змішування з додатковими соплами. Автори - Турик В.Н., Бабенко В.В., Рожавський В.Г. Опубл. 15.11.2004. Бюл. № 11. 3. Л.Ф. Козлов, А.И. Цыганюк, В.В. Бабенко и др. Формирование турбулентности в сдвиговых течениях. - К.: Наукова думка. - 1985. - 284 с. 4. Деклараційний патент на корисну модель, Україна, № 55789 U. МПК В01F5/00. Спосіб керування інтенсивністю змішування потоків у вихровій камері. Бабенко В.В., Турик В.М., Мілюков Д.Є. Опубл. 27.12.2010, Бюл. № 24. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб керування інтенсивністю змішування потоків у вихровій камері циліндричної форми із тангенціально розташованими вхідними соплами, у вхідний потік вводять додаткові керуючі вихрові структури, сформовані у проточному тракті сопла камери, який відрізняється тим, що у впускному соплі камери встановлюють тонке прямокутне крило малого подовження та розташовують його під відповідним додатним або від'ємним кутом атаки по відношенню до вектора швидкості рідини (газу) на вході до сопла. 2. Спосіб керування інтенсивністю змішування потоків у вихровій камері за п. 1, який відрізняється тим, що крило малого подовження формує за задньою кромкою вихрові джгути, які, обертаючись назустріч один одному, при взаємодії з вже сформованими вихровими структурами у порожнині вихрової камери інтенсифікують тепломасообмін. 3 UA 110914 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4