Аэродинамика и процессы в вихрях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

РГ6 од

1 •} т\ -.333

тюменский государственный университет

На правах рукописи

Смульский Иосиф Иосифович

АЭРОДИНАМИКА И ПРОЦЕССЫ В ВИХРЯХ

Специальность 01.02.05 -

"Механика жидкости, газа и плазмы".

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тюмень - 1993 г.

Диссертация выполнена в Институте криосферы Земли ■ Сибирского отделения Российской Академии Наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

H.A. Гумеров, доктор технических наук, профессор В.И. Терехов, доктор .технических наук, профессор М.И.Шиляев

Ведущая организация: Московский государственный технический

университет

Защита диссертации состоится 1993 г.

в к час. № мин. на заседаний Специализированного совета (Д 064.23.01) по механике в Тюменском государственном университете по адресу, 625003. г. Тюмень-3. ул. Семакова 10. ауд. 114 физического факультета ТюмГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного университета. Автореферат разослан 1993 г.

э Тюменского

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических наук

K.M. Федоров

Общая характеристика работы

Актуальность теш. Диссертация посвещена исследованию аэродинамики и процессов в вихрях, образующихся в вихревых камерах и наблюдаемых в природе, а также их моделированию и разработке методов их расчета. Высокие центробежные ускорения, градиенты давления и скорости, низкие температуры и давления,, акустические и другие явления, возникающие в вихревых устройствах, находят разностороннее применение в различных процессах. Имеются широкие исследования течения несжимаемой жидкости в вихревых камерах, но нет общепризнанных методов его пзсчета. Недостаточно исследованы течение сжимаемого газа и .¡уоцессы в вихревых камерах. Огсутствуют методы их расчета и критериальные переходы от лабораторной модели к промышленным масштабам. Все это препятствует расширению применения вихревых камер. В 60-ые годы вихревые камеры с равномерной закруткой были созданы для исследования атмосферных вихрей. Экспериментальные и теоретические результаты, накопленные к настоящему времени, раскрывают природу вихревого движения. С другой стороны, данные наблюдений атмосферных вихрей, метеорологические особенности их формирования, результаты радарных, авиационных и космических исследований представляют обширную базу их свойств. Однако, эти два направления исследований развивались самостоятельно, не объединены и не позволяют представить цельную картину атмосферных вихрей.

Целью работы являлось теоретически и экспериментально исследовать аэродинамику и процессы в вихрях, вскрыть их механизмы, разработать физические модели и методы их расчета, установить связи между результатами исследований вихревых камер и свойствами атмосферных вихрей и представить их механизмы.

Научная новизна

I. Выполнен цикл систематических экспериментальных и теоретических-исследований по аэродинамике и процессам в вихрях, выявлен ряд особенностей и впервые установлено:

Г) существование решений уравнений Навье-Стокса с

противотоком в центре вихря;

2) наличие оптимумов по тангенциальной скорости и разрежению в центре и связь их с параметрами вихревой камеры;

3) наличие предела тангенциальной скорости при определенных параметрах вихревой камеры;

4) понижение температуры в центре вихря за счет двух процессов: торможения потока и его адиабатического охлаждения при расширении в центральную область ;

5) преобладающее влияние поперечной силы на эффективность сепарации частиц;

6) наличие равновесия между центробежной и аэродинамической силами, действующими на частицу в слое, если силы рассчитаны по параметрам загруженной камеры;

7) образование циркуляции за счет ассиметрии стока;

8) наличие движущей 'силы стока за счет определенной температурной стратификации и влажности атмосферы.

2. Разработаны ряд моделей и теорий аэродинамики и процессов в вихрях, в том числе:

1) одномерная теория несжимаемого течения в вихревых камерах;

2) одномерная теория сепарации;

3) стоковая теория смерча. Практическая ценность.

1. Разработаны методики и созданы компьютерные программы для расчета аэродинамики и процессов в вихревых камерах.

2. Получены критерии для масштабного перехода, для определения оптимальных режимов и различия режимов обтекания частиц.

3. Предложена концепция методов прогноза и предотвращения смерчей.

Результаты работы реализованы в виде таблиц экспериментальных результатов и пакета прикладных программ для расчета:

1) несжимаемого течения в вихревой камере;

2) сжимаемого течения;

3) степени очистки циклона;

4) вращающегося слоя;

5) взвешенного слоя;

6) параметров воронки при истечении из резервуара,

которые опубликованы в монографии /31/. Результаты исследований использовались при разработке антициклонного газоочистителя,

технологического процесса по плазменной переработке шламов для Западно-Сибирского металлургического комбината (г.Новокузнецк), при разработке вихревых устройств в ВостФИЧМ (г.Новокузнецк) и др. организациями, при разработке справочного пособия /25/. Апробация работы и публикации. Основные положения и отдельные результаты работы доложены и обсуждены на четырех конференциях (1975 - 1977 г.г.). 1991 г. по теплофизике и физической гидродинамике в Институте Теплофизики СО РАН (г.Новосибирск), на конференции по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений в г. Таллине (1976 г.), на 3-ей Всесоюзной конференции по вихревому эффекту в г. Куйбышеве (1979 г.), на конференции по математическому моделираванию процессов в вихревых аппаратах в г. Одессе (1980 г.), на xv конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" в г. Одессе (1989 г.), на 3-ей Всесоюзной конференции "Аналитическая аппаратура и средства вычислительной техники для охраны окружающей среды в теплоэнергетике" в г. Батуми в 1990 г., на международной конференции по многофазным потокам в г. Цукуба (Япония) в 1991 г., на ряде региональных конференций: "Проблемы экологии Томской области" в 1992 г. в г. Томске, "Экологические проблемы освоения Ямала" в 1991 г. в г. Ухте, и др. Результаты работы обсуждались на семинарах Института теплофизики (1976 - 1992 г.г.), в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН (1985. 1992 г.), в Институте Гидродинамики СО РАН (1992 г.) (г.Новосибирск), в Институте механики многофазных сред СО РАН (г.Тюмень), в МГТУ (1992 г., г. Москва) и др. институтах.

Основные результаты диссертации изложены в 31 публикации. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 10 глав, выводов, списка литературы из 195 наименований, 15 приложений. Общий объем работы 440 стр., в том числе 109 иллюстраций и 17 таблиц.

Содержание работы

Материал диссертаций можно условно разбить на 4 темы: течение несжимаемой жидкости (гл.2 - 5), течение сжимаемого газа (гл.6), частица в вихревой камере (гл.7 - 9) и вихри в атмосфере . (гл.Ю).

В первой главе рассмотрены обще положения. Даны определения

вихревых камер и систематизированы области их применения, в частности: теплоэнергетика, химическая технология, металлургия, природоохранная область. Термин вихревые камеры был введен исследователями-метеорологами для изучения в лабораторных условиях атмосферных вихрей и обозначает целый класс устройств, в которых вращающийся поток перемещается радиально. В этой главе дается краткий обзор исследований. Проанализирован вклад отдельных авторов и научных школ. Среди них следует упомянуть таких исследователей как Абрамович Г.Н..Абрамович Н.Г., Архипов В.А..Балфинбаев З.А., Балуев Е.Д., Басина И.П., Бухман М.А., Гринспен Х.П., Гродзовский Г.Л., Гупта А., Деветерикова М.А., Дубинский М.Г., Змейков В.Н., Зыкин В.П., Иванов Е.М., Иванов В.И., Коваль В.П., Клячко Л.А., Коротков Ю.Ф., Кузнецов В.И., Курмангалиев М.Р., Латкин A.C., Левеллен В.Б., Леонтьев А.К., Ли Т.В., Лилли Д., Ляне Р., Ляховскш Д.Н., Мельников В.К., Меркулов

A.П., Меркулов В.И., Михайлов П.М., Нахапетян Е.А., Некрасов H.A., Николаев H.A., Овчинников A.A., Осташев С.■И., Петухов Ю.И., Розенцвейг М.Л., Росс Д.Ш., Сабуров Э.Н., Сажин B.C., Серов Е.Ю., Сериков Л.В., Соломин В.И., Смирнов Н.П., Смит Дж.Л. мл., Сорокин

B.Н., Сухович Е.П., Тагер С.А., Терехов В.И., Тонконогий A.B., Троянкин Ю.П., Устименко Б.П., Шваб В.А., Штым А.Н., Халин В.М., Якубов Г.В., Яременко А.Д., Anderson L.A., Bradley D. , Bargers J.M., Donaldson С.P., Einstein H.A., Hasinger S.H., Holman J.P., Keyes J.J., Kotas T.J., Leslie L.M., Li H., Long R.R., Lord Rayleigh.,Rietema K., Rott N., Sullivan R.D., Turman В.Ы. И Др.

В целом, обширные теоретические и экспериментальные исследования представляют собой разрозненную картину, пронизанную разными идеями о природе вихревого движения. Не существует общепризнанных методов расчета аэродинамики, недостаточно исследованы процессы в вихревых камерах, не разработаны критерии масштабного перехода. На устранение этих недостатков и решение возникающих отсюда задач и направлена настоящая работа.

В этой главе так же уделено внимание определению степени закрутки потока. Признано целесообразным ввести два параметра крутки, в периферийной области и центральной. Рассмотрены способы создания закрутки потока и приведены соотношения для расчета параметров завихрителей.

Во второй главе рассмотрена теория несжимаемого вязкого течения в вихревой камере. Из многих подходов обоснован одномерный, когда тангенциальная скорость является функцией только радиуса. Это подтверждается экспериментом. Такой путь позволяет получить реальные результаты, пригодные для использования. В отличие от других авторов решаются уравнения Навье-Стокса при краевых граничных условиях. Здесь и радиальная, и - тангенциальная и - осевая компоненты скорости.

В безразмерных переменных

(г/К ) ; Г =

и Я ' 1 1

Р

V К ' 1 1

0.5ри

г =

_ О '¿лы?

где параметры с индексом 1 относятся к выходному отверстию и ь - длина камеры, задача формулируется следующим образом :

Е1

2у

(Г')2- + -

+ 2)

(I)

Г^'Р'

Р"= - "2у— ;

р -

—г*—к]+

(2)

+ к

(у) ^

(3)

при граничных условиях :

у = 0 г = <р = 0; у = 1 г = р = 1; г'= 0;

г = I, У = У р = 0.

и

Дополнительно из принципа максимума расхода определяется связь теоретической константы ш с конструктивным параметром крутки ша, предложенным Г.Н. Абрамовичем, в следующем виде :

■-- = . (4)

- п2/4т2)

В результате численного решения жесткого обыкновенного дифференциального уравнения третьего порядка (1) получены решения с наличием противотока в центральной области вихревой камеры,

1

который зависит от степени закрутки потока. Вся область течения разбита на три подобласти: периферийную, прямого тока и противотока, и для них получены аналитические решения задачи, которые для двух компонент скорости, например, для зоны прямого тока r s г s r имеют ВИД:

и R

и = —~—-cos[m(1 - r/R*))-, (5)

w = - 2mui(z/Ri)sin[ra(l - r2/R2)]. . (6) В случае незакрученного движения га = п/2 и эти результаты описывают течение в пористой трубе с одним непроницаемым торцом. В диссертации показано, что выражения (5) - (6) согласуются с экспериментами Леонтьева А.И., Фафурина A.B. и Никитина П.В. для пористой трубы.

В третьей главе рассмотрены методы экспериментальных исследований аэродинамики вихревой камеры. Применяются пневматические зонды разной конструкции, термоанемометры, оптические методы, стробоскопический и допплеровский. Измеряются тангенциальные скорости с помощью флюгеров, вращающихся шариков и др. Наибольшую информацию дает пневматический зонд. Были исследованы и расклассифицированы погрешности зонда и разработан тонкий двухканальный зонд, протянутый по всему диаметру камеры. Был предложен способ учета влияния зонда на поток с помощью параметра торможения s = р3 /рб 3 , где р3 и pß 3 - давления, замеренные на торцевой крышке в камере с зондом и без зонда. Исследовано влияние турбулентности и определены реальные погрешности зонда. Профиль тангенциальной скорости определялся также по градиенту давления

v2= (r/p)-dp/dr, (7)

а давление с помощью профиля h(r) свободной поверхности жидкости

р(Г) = р2- гж(ь - ь2) (8)

В целом было установлено, что погрешности используемых методов не превышают 5%. Проводилась также визуализация течения с помощью дыма и установлено, что частицы собираются на дымовых поверхностях, где осевая скорость меняет знак.

В четвертой главе представлены результаты экспериментов. Исследовались камеры с торцевым вдувом, подача воздуха сверху и снизу и с боковым (рис.1). Варьировались длина камеры, радиус

Рис. I. Вихревая камера со вдувом воздуха по боковой поверхности". 2 - цилиндр-завихритель; 1,5 - торцевые крышки; 4,6 - патрубки-коллекторы; 3 - корпус.

Рк Па

Рис. 2. Профили статических давлений. Сравнение расчета по формуле (9) с экспериментом в камере: *вх= 45°; I - д = 0.1875;' в = 14 г/с; 2 - к = = 0.344; с = 14.4 г/с; 3 - я= 0.75; а = 43.2 г/с.

15\

10

50

-5-10 -15-20

о о О ЛОШ

/ ° /о о 0 2

-й- Л "■

/ 7 25 0, Л, а 75" т

выходного отверствия, высота цилиндрической части выходного отверствия, параметры завихрителя. В результате исследования профилей тангенциальной скорости, давления, осевой скорости на разных высотах раскрыта структура течения в этих вихревых

камерах.

Экспериментами при разных расходах установлено, что при тангенциальных числах Рейнольдса больше 10000 существует автомодельный режим течения.

С уменьшением радиуса выходного отверстия' до некоторого значения максимум тангенциальной скорости илах возрастает, затем падает. Т.е. существует оптимум При этом радиус его

положения R имеет минимальное значение.

v

Установлено наличие отличающихся профилей давления в камерах с разным r . Здесь также существует оптимум разрежения в центре. Радиус зоны разрежения с изменением ri изменяется монотонно. Наличие оптимума установлено также при изменении высоты цилиндрической части выхлопа. В то же время с увеличением крутки и высоты камеры профили тангенциальной скорости изменяются монотонно.

Пятая глава посвящена обсуждению экспериментальных результатов, их обобщению, сопоставлению результатов теории с экспериментом и методике расчета несжимаемого течения в вихревой камере. Например, получено обобщение для радиуса зоны разрежения кр в зависимости от степени закрутки и подтверждена зависимость от нее радиуса предложенная Овчинниковым A.A. и Николаевым H.A. Профили тангенциальной скорости, отнесенные к значениям в точке максимума, с погрешнотью не более 30 - 40 % можно обобщить двумя зависимостями, одна из которых предложена Вулисом A.A. и Устименко Б.П., другая - автором. Показано, что при больших ri теоретические и экспериментальные профили осевой скорости согласуются, а при малых теория позволяет определить радиус зоны противотока яц. Реальное течение отличается от принятого в теоретической модели. Проанализированы причины отличия. Основная - влияние торцевых пограничных слоев. Показано, когда этими отличиями можно пренебречь, а когда они существенны. В последнем случае разработана полуэмпирическая методика расчета несжимаемого течения в вихревой камере. В результате интегрирования выражения

(7) для центробежного градиента давления получен профиль давления в виде

г,,//, , „г ,„2,

р = 2ру

[1/(1 + Я 7я П

Р У

1/(1 + г2/Я 2)] ,

О)

Результаты сопоставлены с экспериментом на рис.2. Методика расчета реализована в виде компьютерной программы ВИХРЬ-1, представленной в приложении. В ней имеется три варианта расчетов, полностью теоретический, без противотока в центральной области и полуэмпирический, которые применимы при разных диапазонах изменения параметров вихревой камеры. Расхождение между расчетами и экспериментом, как правило, не превышает 20 - 30 %.

В шестой главе рассматривается течение сжимаемого газа в вихревой камере. Показано, что с увеличением расхода газа из-за роста давления в камере изменение его плотности приводит к таким нелинейным эффектам как стабилизация скорости, уменьшение разрежения, дифференциация газа по температуре и др. Поэтому основным фактором, определяющим аэродинамику, является давление. Для его расчета при адиабатических условиях течения и с учетом (7) получено дифференциальное уравнение, в результате решения которого определен профиль давления в виде:

У-1

2(К - 1).

¿Н = 1 +

ру2

р тах

1 +

к 7я2

Р V .

1 + Г2/Я 2

(Ю)

Отсюда определено давление

стенки

камеры

р

(р

1 — к

Р

Р

1- к к

= Э.

(II)

где 5 комплекс гидродинамических параметров. Значение давления р определяется из рассмотрения осевого изменения давления при истечении из отверстия, а давление на стенке камеры Рк - согласно (И).

Для модели течения вязкой сжимаемой жидкости с и = и (г) получено уравнение для меридионального движения

2 ,

Г1 2у

(г-) - г"

{ +

т 2)

Р*\

(12)

аналогичное (I) для несжимаемой жидкости. Оно отличается наличием слагаемых с плотностью р = р/рг, которая определяется профилем давления (10). Анализ этого уравнения позволил использовать

результаты теории для несжимаемой жидкости при оценке профилей радиальной и осевой скорости для сжимаемого случая. Б результате разработана методика расчета сжимаемого течения, реализованная в виде компьютерной программы ВИХРЬ-2. При задании расхода газа, его свойств и геометрических параметров камеры рассчитываются профили скорости, давления, плотности, температуры и др. В этой главе показано, что разделение газа по температуре обусловлено двумя причинами. С одной стороны, в результате расширения в область низкого давления газ адиабатически охлаждается. С другой, в центральную область проникает газ с малой тангенциальной скоростью и кинетической энергией. Потерянная им энергия уходит с периферийными слоями. Поэтому температура торможения центральных слоев ниже, а периферийных выше исходной температуры газа. Показано, что результаты по методике расчетов в пределах 20 - 30?» согласуются с результатами экспериментов. Продемонстрированы некоторые возможности методики расчета. Максимальная тангенциальная скорость имеет оптимум по радиусу выходного отверстия, может оставаться постоянной при изменении параметра закрутки, растет с увеличением температуры. В вихревых камерах (рис.3) существует минимум давления в центре pjipz изменении и постоянном расходе. Но кроме того при изменении расхода существует глобальный оптимум. В таком смысле можно говорить об оптимальной вихревой камере. Установлены также оптимумы по максимальной тангенциальной скорости, перепаду давления, Показано, что для оптимальных вихревых камер обобщенные" параметры, например, s остаются неизменными, а остальные параметры могут быть выражены через масштабный коэффициент. Эти масштабные критерии позволяют перейти, например, от оптимальной лабораторной модели к крупномасштабной вихревой камере.

В седьмой главе рассматривается движение частиц в периферийной области (г > я^) вихревой камеры. Были проанализированы силы, действующие на частицу. После оценки их величин учитывались только аэродинамическая сила и сила, обусловленная градиентом давления, рассматривались два режима обтекания для несферических частиц. В безразмерных переменных йр= = и /и : v = v /и, ; р = р/р ; г = г/к, ; t = - tu /и система

р k р р к Р к к к

уравнений в цилиндрической системе координат имеет следующий

Р0- 70 ? Па

Рис. з. Расчетное давление в

центре вихревых камер при

разных радиусах и расходах воздуха в в камере с боковым

вдувом: як= 75 мм; ь = 75 мм;

/. = ; фвх= 60°; гвх= I см2; рвн= 1-01-Ю5Па.

12 й.мм

1,6

Рис. 4. Тангенциальная

V , радиальная й и

р - р 19

время с движения

частицы а = 5 мкм в р

вихревой камере при к = 140; з = 8.16-Ю4. 0,8

0,4

йр>~ь 1 п I

п ч I X \ I >

П Й А х х- X / V

и, о / X

и, / Г) п \ ч

А* I \

0,2 0,4 0,6 0,8 V

ВИД:

р

du

dt du

dt

ламшарный режим -к2

= -s и

р Tel

— 2 V

Р

- _ß_

U V р _ р Р

— S V ,

р ге 1

турбулентный режим

du

_р_ -s V

dt , р

dv и V

_р _ р р

dt г

- й ;

р

V

-к2

v 2 р

г 3

- s и v :

р2 fre 1 ге 1

где s =

«I- «„)'

sp2=

dr _ dt ~

-£g°= 57.3-K

0.05wdgZpßk m '

(14)

(15)

(16)

Ii = 5 - i

г el p —

—' г e 1

V

= JPÜ

(17)

2 + ü 2 , г e 1 г e 1

от двух параметров, гидродинамического параметра

frei

Она зависит

обтекания s или sp2 и крутки к = иу|uj. При ламинарном режиме обтекания задача решалась численно при разных начальных условиях. На рис.4 показаны решения для тангенциальной и радиальной скоростей частицы и времени ее движения в зависимости от радиуса нахождения частицы. Видно, что частица выходит на стационарную орбиту. Рассматриваются два случая:легкие и тяжелые частицы. Для'

легких частиц величина s большая, уравнения (13) - (14)

р

становятся жесткими и решения не зависят от начальных условий. В этом случае получены аналитические решения, которые, как показано на графиках (крестики), совпадают с численными. Радиус устойчивой

орбиты определяется коэффициентом сепарации к.= kJ(i - p)/sp.

Если кв> 1, частица в вихревой камере отделяется от потока. Для

тяжелых частиц решение зависит от начальной скорости на начальном

радиусе (например, тангенциальной_U ) частицы. При üpi= О

частица движется к центру, при v = 0.03 в рассмотренном примере

р2

- на периферию. В этом случае, задавая начальную скорость, можно управлять движением частицы. Ее выражение получено в следующем виде

ü = 2L

PI р

(1 - р)

+ р

(18)

и

г

Анализ уравнений движения при турбулентном режиме обтекания

позволил найти критерии различия режимов обтекания и соотношение

для управления движением тяжелой частицы. Здесь также введен

гидродинамический параметр обтекания частицы я и коэффициент

р2

сепарации к. В итоге, найдены определяющие параметры, получены аналитические зависимости и критерии для различия двух разных режимов в вихревых камерах.

В восьмой главе рассматривается сепарация частиц в вихревых камерах. Вихревые сепараторы подразделены на три группы: циклоны, антициклоны и прямоточные. Как правило, при сепарации происходит отделение частицы от потока под действием поперечной силы (рис.5), которая в отсутствии других сил будет создавать ускорение а. Принимается, что частица отделится от потока, если после прохождения канала шириной ь и длиной 1 она достигнет нижней плоскости. Одномерная -модель может быть применена для разных случаев. В такой постановке рассматривается поперечная сепарационная сила на единицу массы а, а также аэродинамическая и Архимедова силы. Уравнение движения при стоксовском режиме обтекания приводит к обыкновенному дифференциальному уравнению второго порядка, решение которого позволило получить фракционную степень очистки

е*е(- 5ро) " 1

(19)

ро

Аналогично, для квадратичного режима обтекания в результате

решения нелинейного дифференциального уравнения второго порядка с1и

т = т а - 0.05л<3„ ри - V ра р ас р Э р р

было получено выражение для фракционной степени очистки

Для полидисперсного потока полная степень очистки определяется интегрированием фракционных степеней очистки. Для пылей, подчиняющихся нормально-логарифмическому закону распределения, было получено выражение которое, например, для стоксового режима обтекания имеет вид,

= 1 - Д(тКр) + (£Кр)ехр(21п2£Г), (20)

где тКр, скр. о" - параметры функции распределения о. Одномерная модель сепарации применена для расчета эффективности циклона. С учетом выполненных аэродинамических исследований

Рис. 5. Одномерная модель сепарации.

Рис. 6. Расчетная схема антициклона.

рассматривается сепарация в винтообразном потоке под воздействием поперечной - центробежной силы. Переход к одномерной модели осуществляется путем преобразования параметров. После, интегрирования фракционных были получены полные степени очистки для стоксовского, квадратичного и промежуточных режимов обтекания частиц . Результаты расчетов согласуются с результатами экспериментов Сажина Б.С. и др. Следует отметить, что в широко применяемой статистической теории Алландера Ц.Ж. используются экспериментальные значения фракционных степеней очистки циклонов. В рассмотренной теории не требуется экспериментальных 'данных.

Для антициклонного расходящегося потока (рис.6) в результате

интегрирования уравнений движения для стоксовских частиц получено

выражение для радиального опережения лг потока частицей. Если в

циклоне отделяются частицы от потока с к > I, то в антициклоне с

в

К5 = 0.39, -что при прочих равных условиях соответствует относительному улавливаемому диаметру частицы.

Показано, что расчет прямоточного сепаратора может быть осуществлен по методике, разработанной для циклонного. Были проведены также сравнительные испытания трех типов сепараторов. Разработан уточненный балансовый метод измерения эффективности их очистки. Испытания подтвердили более высокую эффективность антициклона.

В девятой главе рассматривается вращающийся слой в вихревой камере. В отличие от других исследователей автор пришел к выводу о возможности образования вращающегося слоя в высокой цилиндрической вихревой камере (см.рис.1), а не в плоской. Такая камера была создана и проведены эксперименты. Было изучено изменение массы слоя во времени и в зависимости от а также

ьл

зависимость параметра торможения потока от массы слоя. В результате было установлено, что расчет слоя должен вестись по параметрам потока в загруженной вихревой камере. Поэтому основой расчета вращающихся слоев является определение его влияния на поток.

Рассматриваются два случая, вращающийся слой и взвешенный. В случае вращающегося слоя основное взаимодействие слоя с камерой

происходит по цилиндрической поверхности. В результате учета моментов сил, действующих на слой, и интегрирования по всем частицам, прижатым к цилиндрической поверхности, определен параметр торможения потока слоем частиц в виде

| = м(1 - р)[1 - о(ткр)]Г+ 1, (21)

где м - относительная масса слоя, а коэффициент трения. С использованием результатов 7 главы разработана методика расчета вращающегося слоя.

В случае взвешенного слоя частицы не прижимаются к цилиндрической поверхности. Здесь развивается подход Хазингера С.Ш., Андерсона Л.А. и др. и взвешенный слой представляется средой со средней плотностью рс. -Рассматривается взаимодействие кольцевого взвешенного слоя с торцевыми крышками в виде момента сил (ЗП. В результате интегрирования по всей-поверхности торцов и учета торможения штока о цилиндрическую поверхность определены профиль тангенциальной скорости, а затем и радиус равновесной орбиты в загруженной вихревой камере

(1 + АН„)± (1 + лк„)г- 4л/и

— _ 4 П' 4 Л' с (ПГ}\

г = -22---, (22)

где л = 2лСд^/с;

V - тангенциальная скорость частицы в слое. Соотношение (22) позволяет замкнуть систему уравнений и определить все параметры в слое.

В главе 9 рассмотрено также применение вращающегося слоя для абразивной очистки внутренней и наружной поверхности труб и для создания пены. Даш соотношения и рекомендации для расчета этих процессов.

В десятой главе рассматриваются вихри в атмосфере. Показано, что ряд свойств атмосферных вихрей идентичен таковым в вихревой камере, а ряд других особенностей объясняются процессам^ происходящими в ней. В отличие от исследований Никулина В.В., Мартыненко О.Г., Лилли Д.К., Девиса-Джонса Р.П. и др. рассматривается стоковый механизм образования смерча, согласно которому происходит истечение атмосферной массы вверх через центральную область размером меньшим, чем область стока. Такой стоковый механизм реализуется в вихревых камерах, а также при

Рис. 7. Образование вращающейся воронки и ее профиль при истечении жидкости из резервуара с подпиткой: I - профиль воронки по формуле (23).

У

\

V.

-Л X

19

Рис. 8. Образование вращающейся воронки при истечении успокоенной жидкости без подпитки.

2и 2

h = --¿-, (23)

стоке жидкости вниз через отверстие в резервуаре. При этом механизме необходимо установить причины образования циркуляции и движущей силы стока. Автор выделил 4 механизма образования циркуляции. В случае стока среды с подпиткой рассматривается пример образования воронки при истечении жидкости из прямоугольного резервуара (рис.7). Записывая момент количества движения для элемента подпитывающей жидкости и интегрируя по всему объему, получаем выражение для циркуляции г = ипод-кср. Во вращающейся жидкости с заданной циркуляцией и расходом q определяется профиль давления и тангенциальной скорости по методике для вихревой камеры (гл.5). С другой стороны, давление в жидкости в соответствии с (8) уравновешивается гидростатическим давлением столба высотой (н_. - ь). Это позволяет получить профиль

Ж

-вращающейся воронки

2и 2

, шах л = —-

1 + r'/R

' U

а также скорости в ней.

В случае истечения жидкости без подпитки возможны два варианта: успокоенной жидкости и неуспокоенной. Для неуспокоенной жидкости циркуляция определяется суммарным моментом количества движения Lo относительно центра стока. Для успокоенной жидкости (рис.8) рассматриваются кольцевые сечения, равноудаленные от центра стока. При открытии отверстия они придут в движение со средними радиальной и и полной v скоростями. Записывается

п

импульс для элемента кольцевого объема, и затем, после интегрирования и нахождения момента количества движения, определяется циркуляция в виде:

р*

г = g-s /м, где s= ¡r2d<p (24)

a aje

Здесь получена характеристика объема жидкости в резервуаре sa. которая названа сечением асимметрии. Она определяется площадью, которую описывает радиус-вектор, перемещающийся по линии центров масс г равноудаленных объемов.

с

Третьим механизмом образования циркуляции является подвижный сток атмосферы. В результате рассмотрения моментов количеств

движения элементарных объемов относительно центра стока и после их интегрирования получено выражение для циркуляции

г = [(иг ии) х е] , (25)

где е - вектор расстояния от центра области стока з до оси стока, а и и и их скорости, соответственно.

Б V

При рассмотрении четвертого механизма образования циркуляции - за счет вращения Земли, - определяется момент сил относительно центра стока, действующий на элемент кольцевого объема, который образуется за счет силы Кориолиса. После интегрирования по всему объему получено следующее выражение для циркуляции

г = - (- 1)с-0.5(я2- л2)оз1п ч> , (26)

4 1\, 1 ' е о

где индекс с = I для сходящегося течения и 2 - для расходящегося; <ро - широта центра стока; ые- угловая скорость Земли; радиусы областей стока и вытока.

Показано, что эти механизмы могут формировать атмосферные вихри разных масштабов. Результаты расчетов по этим моделям подтвердились при сопоставлении с экспериментом и наблюдениями.

Для исследования движущей -силы стока рассмотрены два состояния атмосферы: сухая и влажная. Показано, что при неустойчивой стратификации атмосферы потенциал

(к-1)/к

ф = Цр/рз) УГЛз) '

где т3 и р3 параметры стандартной атмосферы на поверхности Земли, является немонотонной функцией с максимумом на некоторой высоте Нф. Введено потенциальное давление стока др„ и получено выражение для него

ар = « • Ф --| (ф -ф)ан. (27)

п В кГ_ ] иах

^ О

Давление дрп позволяет свести задачу об образовании атмосферного

вихря к течению в вихревой камере с равным давлением рт,7Г. В

вл

результате рассмотрения процессов фазовых превращений во влажной атмосфере определен влажноадиабатический градиент и рассчитано потенциальное давление стока. Получено, что для средних условий эффект влажности усиливает дрв в ав = 2.57 раза. Выведенные соотношения для циркуляции и потенциального давления позволяют разработанные для вихревой камеры методы применить для расчета

аэродинамики смерча. Показано, что полученные результаты согласуются с действительностью.

Стоковый механизм смерча открывает перспективы точного прогноза смерчеопасных ситуаций и позволяет наметить метод его предотвращения.

Основные результаты диссертации,

1. разработана одномерная теория несжимаемого течения в вихревой . камере. Она сопоставлена с экспериментом и показаны границы ее применимости.

2. Выполнены систематические экспериментальные исследования аэродинамики вихревой камеры и установлено влияние ряда геометрических и режимных параметров на структуру течения.

3. разработаны методики расчета течения несжимаемой и сжимаемой жидкости в вихревой камере. Установлено наличие оптимальных гидродинамических параметров и получены критерии для масштабного перехода.

4. Теоретически исследовано взаимодействие частицы с потоком в вихревой камере, получены аналитические выражения для траектории частицы, тангенциальной скорости управления ее движением и критерии перехода к разным режимам обтекания.

5. Разработаны одномерная теория сепарации и методика расчета эффективности циклона.

6. Предложены модели сепарации антициклона, вращающихся слоев и разработаны методики их расчета.

V. Разработана стоковая теория смерча.

8. Созданан пакет прикладных программ для расчета аэродинамики и процессов в вихревых камерах.

Основное содержание диссертации опубликовано в монографии

/31/ и работах:

1. Кислых В.И., Волчков Э.П., Смульский И.И. Исследование поля скорости и давления в вихре // Теоретические и прикладные аспекты турбулентных течений. Второе межотраслевое совещание по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений. 21 - 23 апр. - Таллин. 1976. - С. 36-37.

2. Смульский И.И., Кислых В.И. Исследование полей скорости и давления в вихревой камере // Исследования по гидродинамике и теплообмену. - Новосибирск, Ин-т теплофизики СО АН СССР. - 1976. -

С. 200 - 206.

3. Кислых В.И., Смульский И.И. К гидродинамике вихревой камеры // Инж.-физ. журн. - 1978. - Т. 35. - ТЗ.- С. 543 - 544. -(Поли, текст деп. в ВИНИТИ 25 апр. 1978 г.; Т 1389 - 78 Деп.).

4. Смульский И.И. Об особенностях измерения скорости и давления в вихревой камере // Теплофизика и физическая гидродинамика.

- Новосибирск, Ин-т теплофизики СО АН СССР.- 1978.- С. 125 - 132.

5. Кислых В.И., Смульский И.И. Один способ определения поля давления и скорости в вихре // Структура пристенного пограничного слоя (вынужденное течение, тепловая конвекция). - Новосибирск, Ин-т теплофизики'СО АН СССР. 1978. - С. 127 - 133.

6. Волчков З.П., Кислых В.И., Смульский И.И. Эксперементаль-ное исследование аэродинамики вихревой камеры с торцевым вдувом. // Структура пристенного пограничного слоя (вынужденное течение, тепловая конвекция). - Новосибирск. Ин-т теплофизики СО АН СССР. 1978.- С. 101 - 126.

7. Волчков Э.П..Смульский И.И. Аэродинамика вихревой камеры со вдувом по боковой поверхности. Экспериментальное исследование.

- Новосибирск. 1979. 30 с. (Препр./АН СССР. Скб. отд-ние. Ин-т теплофизики; Т 38 - 79).

8. Volchkov Е.Р.& Kislykh V.I.& Smulsky I.I. An Experimental Study of Aerodynamics of Vortex Chamber with Tangential Injection through Covers // Fluid Mechanics Soviet Research. - 1980. - V. 9& N6. - P. 69 - 93.

9. Kislykh V.I.& Smulsky I.I. A Technique for Determination the pressure ^nd velocity field in a vortex // Fluid Mechanics Soviet Research. - 1930. - V. 9& N6. - P. 94 - 100.

10. A. C. 787093 СССР. ЖИ3 В 04 С 5/08. Вихревой газоочиститель/ Кислых В.И., Смульский И.И.- Опубл. в БИ. Открытия. Изобретения,1980, N46.

11. А. с. 882631 СССР, MKJf В 04 С 5/30. Вихревой пылеуловитель/ Волчков Э.П., Смульский И.И., Кислых В.И., Кореньков В.И.- Опубл.в БИ. Открытия. Изобретения, 1981, N43.

12. А. с. 887144, СССР МКИ3 В 24 С 3/16. Устройство для очистки внутренней поверхности труб/ Смульский И.И., Кореньков В.И.- Опубл.в БИ. Открытия. Изобретения, 1981, N41.

13. Смульский И.И. Влияние длины камеры на ее аэродинамику

при вдуве воздуха по боковой поверхности // Всесоюзное совещание по математическому моделированию и управлению высокотемператур-.ными процессами в циклонных и вихревых аппаратах, Тезисы

докладов. - Одесса, ОНИ, 1981. - С. 63 - 64.

14. Волчков Э.П., Смульский И.И. Аэродинамика вихревой камеры со вдувом по боковой поверхности в зависимости от диаметра выхлопа и крутки // Вихревой эффект и его промышленное

применение. Куйбышев^ КуАИ. 1981. - С. 282 - 286.

15. Смульский И.И. Влияние длины выхлопа на аэродинамику вихревой камеры // Вихревой эффект и его промышленное применение. -Куйбышев, КуАИ. 1981. - С. 291 - 295.

16. Смульский И.И.. Лидин B.C. Измерение эффективности маслоотделителей обьемным методом // Исследование дисперсных систем в •энергохимических прцессах. - Новосибирск, Ин-т теплофизики СО АН СССР. 1982. - С. 65 - 71.

17. Волчков Э.П., Смульский И.М. Аэродинамика вихревой камеры с торцевым и боковым вдувом // ТОХТ. - 1983. - Т. 17, Т2.

- С. 214 - 219.

18. Смульский И.И. Расчет аэродинамики вихревой камеры. Несжимаемое течение. Ч. I // Инж.-физ. журн. - 1983. - Т. 45. - Т4.

- С .663. - Полн. текст деп. в ВИНИТИ, per. Т 2763 - 83 Деп. 17с.

19. Смульский И.И. Расчет аэродинамики вихревой камеры. Сжимаемое течение. Ч. 2 // Инж.-физ. журн. - 1983. - Т. 45. - Т4. -С. 663. - Полн.текст деп. в ВИНИТИ, per. Т2764 - 83 Деп.-12 с.

20. Смульский И.И. Взвешенный слой частиц в циллиндрической вихревой камере // Журн. прикл. химии. - 1983. - Т8. - С. 1782 -1789.

21. А. с. 1044623 СССР, МКИ3 В 07 В7/08. Воздушный классификатор / Ю.И. Никитин, И.И. Смульский, Л.К. Касаткин, В.И. Кислых. - Опубл. в БИ. Открытия. Изобретения, 1983, N36.

22. Смульский И.И., Быков А.П., Коротков Е.И. Дисперсный состав золы на выходе котельных агрегатов // Промышленная теплотехника. - 1985. - TI. - С. 54-57.

23. А. с. I3I3204 СССР, МКИ4 G 01 w 1/08. в 64BI/40. Способ измерения параметров атмосферы и устройство для его осуществления / Смульский И.И., Немеровский А.Б.

24. Смульский И.И., Быков А.П. Системы золоулавливания //

Труды ЗапСибНИИ Госкомгидромета. - 1985. - вып. 73. - С. 86-96.

25. Быков А.П., Смульский И.И. Обследование и анализ системы очистки газов теплоэнергетических предприятий (Справочное пособие). - Л., Гидрометеоиздат. - -1988. - 94 с.

26. Смульский И.И. Улавливание аэрозолей антициклоном и измерение их концентрации при определении эффективности уловителя // Пятнадцатая Всесоюзная конференция "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем". Тезисы докладов. Т. 2. - 0десса% ОГУ. -1989. - С. 8.

27. Смульский И.И. Расчет аэродинамики вихря, его приложения к атмосфере и ее охране // Аналитическая аппаратура и средства вычислительной техники для охраны окружающей среды в теплоэнергетике. Тезисы докладов Третьей Всесоюзной конференции. Батуми, октябрь 1990 г. - Киев% ИТТФ. - 1990. - С. 93.

28. Smulsky J.J. One-Dimensional Model of Separation // Proceedings of the International Conference on Multiphase Flows "91 - Tsukuba", September 24 - 27,1991. - Tsukuba, Japan. - 1991. - Vol. 1, p. 443 - 446.

29. A. c. I69595I СССР, МКИ5 A 62 С 5/02. Способ получения воздушно-механической пены и устройство для его осуществления/ Феклистов В.Н., Смульский И.И., Шрейбер И.Р.- Опубл. в БИ. Открытия. Изобретения, 1991, N45.

30. Смульский И.И., Шорохова С.М. Метод снижения выбросов золы в атмосферу // Проблемы экологии Томской области. Т. 2. Тезисы докладов региональной конференции 22 - 24 апреля 1992 г. -Томск% ТГУ. - 1992. - С. 69-71.

31. Смульский И.И. Аэродинамика и процессы в вихревых камерах. - Новосибирск, ВО "Наука". - 1992. - 301 с.