|
|
|
ОСОБЛИВОСТІ СТРУКТУРИ ТЕЧІЇ ГАЗУ У ВИХРОВИХ КАМЕРАХ ТОРЦЕВОГО ТИПУ
| |
| 26.09.2023 23:47 |
|
Автор: Турик Володимир Миколайович, кандидат технічних наук, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»;
Кочін Віктор Олександрович, кандидат технічних наук, Інститут гідромеханіки Національної академії наук України;
Мороз Володимир Васильович, кандидат технічних наук, Інститут гідромеханіки Національної академії наук України
|
|
[26. Технічні науки;] |
Для інтенсифікації процесів перемішування компонентів робочих середовищ та тепломасообміну в хімічному та енергетичному машинобудуванні широко застосовують вихрові камери (ВК). Всі конструкції ВК можна умовно поділити на камери осьового та торцевого типів. У ВК першого типу напрямки поздовжніх осей потоку на вході та виході камери відбуваються вздовж її осі, а у ВК торцевого типу ці напрямки не збігаються.
Повна або часткова закрутка потоків у ВК осьового типу здійснюється аксіально-лопатковими або шнековими завихрювачами, причому гідроаеродинаміка таких ВК досліджена набагато повніше порівняно з ВК другого типу [1]. Але загальною властивістю досліджень робочих процесів ВК обох типів є переважне вивчення макроструктури течії. Щодо ВК торцевого типу, то слід зауважити, що особливості течії середовищ в тупиковій їх частині, як правило, не привертали уваги дослідників, оскільки довжину цієї частини при проектуванні камер всемірно скорочували, розглядаючи її як зайву через уявлення про неупорядкований характер течії в ній. Виключенням є виявлене Уормлі явище «торцевого ефекту» — спрямування спіралеподібних траєкторій руху частинок рідини в торцевому примежовому шарі до центру торцевого диску короткої ВК при потраплянні до нього певної долі потоку з області ядра в середній зоні камери, яка зростає при збільшенні параметра закрутки [2]. Проте наведений автором теоретичний аналіз залишив осторонь причину виявленого ефекту та вплив глибини тупикової частини ВК на макро- і мікроструктуру потоку в ній. Саме ці питання й складають предмет представлених досліджень аеродинаміки ВК з однобічним підведенням робочого середовища. За допомогою термоанемометрії досліджено кінематичні параметри течії в камерах з видовженою і гранично короткою тупиковими частинами при числах Рейнольдса за параметрами сопла Re=47080–86530. Показано, що у видовжених тупикових частинах ВК відносної глибини 0 < L/d0 < 4,4 (де d0 – внутрішній діаметр ВК) формуються цілком упорядковані великомасштабні концентричні та пристінні когерентні вихрові структури (КВС) Наведені на рис. 1 ізотахи осьової складової швидкості вздовж тупикової зони ВК діаметром d0 = 0,102 м при L/d0= = 4,4, числі Рейнольдса Re = 47080, куті тангенціальності входу потоку до порожнини ВК у=88о ілюструють зазначені вище великомасштабні КВС.
Рис. 1. Приклад розподілу ізотах безрозмірної осьової швидкості в тупиковій частині камери (білий і світло-сірий кольори відповідають напрямку течії праворуч до торця; чорний і темно-сірий кольори – від торця, причому чорний колір відповідає більш високій швидкості), x ̄=x/d0
Крупні КВС головним чином визначають процеси переносу маси, імпульсу та енергії в потоках. Враховуючи це, а також те, що зсувні ефекти на межі контакту цих КВС генерують вихори меншого масштабу, тупикову зону можна вважати додатковим вихорогенератором камери. Показано, що КВС цієї зони підвищують інтенсивність пульсацій швидкості та покращують рівномірність їх розподілу у вихідному перерізі ВК без суттєвого зростання гідравлічних втрат. Виявлено, що при Re=86530 видовження тупикової частини камери призводить до зменшення у вихідному перерізі трансверсальної складової швидкості на 15 % при збільшенні осьової складової на 19,7 %, а при Re=47080 — до зменшення трансверсальної складової на 21 % при збільшенні осьової складової на 8,5 %. Це свідчить про перерозподіл кінетичної енергії від трансверсального руху до осьового, що підтверджує частотний аналіз спектрів інтенсивності пульсацій швидкості за Карманом у вихідному перерізі ВК. На рис. 2, як приклад, наведено частотні спектри при r*=r/r0 =0,2, де r - поточне значення радіуса; r0=d0/2.
Рис. 2. Частотні спектри нормалізованої інтенсивності пульсацій трансверсальної (а) і осьової (б) швидкостей
Для узагальненої оцінки розподілу енергії пульсаційного руху за вихідним перерізом ВК введемо величину відносної інтегральної інтенсивності пульсацій швидкості (u',w' – трансвесальна та осьова пульсаційні швидкості)
де Vs=√(U2+W2 ) – локальна тангенціальна швидкість спіралеподібної закрученої течії в різних точках діаметра вихідного поперечного перерізу ВК.
Графіки, що характеризують пульсаційну енергію (рис. 3), указують на більш симетричний відносно осі ВК її розподіл у вертикальному вихідному перерізі камери з видовженою тупиковою частиною (L*=4,4).
Рис. 3. Профілі відносної інтегральної інтенсивності пульсацій швидкості у вихідному перерізі вихрової камери (довірчі інтервали відносних похибок максимально дорівнюють 4,8% з довірчою ймовірністю 0,9)
Висновок
КВС видовженої частини ВК збільшує рівномірність та інтенсивність пульсаційного руху, а отже, процеси переносу маси та енергії.
Список використаних джерел:
1. Халатов А.А., Авраменко А.А., Шевчук И.В. Теплообмен и гидродинамика в полях центробежным массовых сил. Киев: Ин-т техн. теплофизики НАН Украины, 2000. Т.3: Закрученные потоки. 474 с.
2. Wormley D. N. An Analytical Model for the Incompressible Flow in Short Vortex Chambers. Trans. ASME. Ser. D. 1969. Vol. 91, No. 2. P. 264–276.
|
|
 Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
|
|
|
Голосування 
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter