Исследование газодинамических возмущений закрученного потока с целью уточнения физико-математической модели течения в вихревых устройствах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Перечень условных обозначений.

Общая характеристика работы.

Введение.

Глава 1. Анализ опубликованных работ и постановка задачи исследования.

1.1. Практика использования закрутки потока при разработке вихревых устройств технологического назначения.

1.2. Анализ работ по исследованию газодинамических, характеристик интенсивно закрученных потоков.

1.3. Теоретическое исследование вихревого эффекта.

Выводы по главе.

Глава 2. Физическая модель динамики когерентных вихревых структур и прецессионного движения в закрученном потоке.

2.1. Модель когерентных вихревых структур.

2.2. Оценка частоты КВС.

2.3. Моделирование вихревых структур методом крупных вихрей.

2.4. Влияние прецессионных колебаний на структуру закрученного потока.

Выводы по главе.

Глава 3. Интегральная математическая модель течения в вихревых устройствах с учетом прецессии.

3.1 .Исходная система уравнений и допущения.

3.2.Методика расчета противоточной вихревой трубы.

3.3. Результаты расчета термодинамических и акустических характеристик работы вихревых устройств.

Выводы по главе.

Глава 4. Экспериментальное исследование аэроакустических характеристик потока в вихревой трубе.

4.1. Методика исследования и экспериментальный стенд.

4.2. Аэроакустические измерения и их обработка.

4.3. Анализ результатов экспериментального исследования.

Выводы по главе.

Глава 5. Расчет и проектирование вихревого вакуум-насоса.

5.1. Теоретическая модель течения в вихревом вакуум-насосе.

5.2. Экспериментальное исследование характеристик работы вихревого эжектора.

5.3. Анализ полученных результатов.

Выводы по главе.

Цель работы. Уточнение физико-математической модели закрученного потока на основе теоретического и экспериментального исследования прецессионных колебаний и сдвиговых вихревых структур, развиваемых в потоI ке при работе вихревых устройств. Задачи работы.

1. Разработка модели прецессионного движения и динамики когерентных вихревых структур, развиваемых в закрученном потоке.

2. Уточнение физико-математической модели закрученного потока в вихревых устройствах с учетом прецессионных колебаний.

3. Разработать методику расчета акустических характеристик работы вихревых устройств.

4. Провести теоретическое и экспериментальное исследование акустических характеристик работы вихревой трубы и вакуум-насоса.

Во введении обоснована актуальность исследуемого вопроса, перечислены основные положения работы.

В первой главе анализируется современное состояние проблем, связанных со структурой закрученного потока. Приведен обзор теоретических и экспериментальных данных, позволяющий сформулировать цели и задачи исследования.

Во второй главе проводятся оценки энерго- и массопереноса за счет пульсаций крупномасштабных вихревых структур. Разрабатывается физическая модель вихревых структур сдвигового характера и прецессионных колебаний вихревого ядра.

В третьей главе приводится уточненная методика расчета вихревой трубы с учетом развиваемых в ней прецессионных колебаний. Показывается, что уточнение методики позволяет улучшить согласие экспериментальных и теоретических данных.

В четвертой главе проведено экспериментальное исследование акустических характеристик закрученного потока. Анализ полученных данных подтвердил обоснованность разработанных во второй и третьей главах теоретических моделей.

В пятой главе проведено экспериментальное и теоретическое исследование вихревого эжектора, разработанного на основе уточненной модели течения в вихревом устройстве. Проведенные испытания дали удовлетворительный результат.

В заключении сделаны выводы по материалу диссертации.

Научная новизна работы. Научная новизна диссертации определяется: а) Разработкой физико-математической модели газодинамических возмущений - вихревых когерентных структур и прецессии, которые через изменение структуры закрученного потока оказывают влияние на характеристики работы вихревых устройств. б) На основе моделирования газодинамических возмущений модифицирована аппроксимация профиля окружной скорости в вихревой трубе и уточнена методика расчета эффекта энергоразделения и акустики потока в зависимости от режимных и геометрических характеристик ее работы.

Практическая ценность. Практическая ценность работы состоит: а) в разработке уточненной методики расчета термогазодинамических характеристик работы вихревых устройств с учетом н.ч. и в.ч. колебаний; б) в разработке физико-математических методов диагностики аэроакустических характеристик закрученного потока.

Автор защищает.

1. Физическую модель динамики когерентных вихревых структур и прецессионных колебаний закрученного потока.

2. Уточненную физико-математическую модель расчета характеристик вихревых устройств.

3. Результаты экспериментальных исследований акустических характеристик вихревой трубы и вихревого вакуум-насосы.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Всероссийской конференции «Процессы горения и охрана окружао-щей среды» (г. Рыбинск, 1997, 1999, 2001), всероссийской конференции «Теплофизика технологических процессов» (г. Рыбинск, 2000г), международном конгрессе YSTM'96, междунпродной научн. - техн. конф. «Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники» ( Егорьевск, 1997), международная научно-техническая конференция посвященная памяти академика Кузнецова Н.Д. (Самара, 2001) ), XIII школе семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАИ А.И.Леонтьева (2001).

Личный вклад автора.

1. Разработка теоретической модели динамики когерентных вихревых стр>к-тур и прецессионного движения вихревого потока.

2. Разработка методики расчета характеристик работы вихревых устройств с учетом прецессии и анализ полученных данных.

3. Получение экспериментальных данных и их обработка

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 докладов в трудах международных, всероссийских конференций, 2 статьи в реферируемом журнале, 5 тезисов докладов, 1 монография в соавторстве.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из общей характеристики работы, введения, 5 глав, основных результатов и выводов и списка литературы.

ВВЕДЕНИЕ

Закрученные потоки используются для интенсификации тепломассо-обменных процессов в технических устройствах. В поле центробежных сил при этом развиваются интенсивные вторичные вихревые структуры, которые деформируют газодинамическую картину течения. С практической точки зрения важно знать, какова роль и степень влияния таких структур на термодинамические характеристики работы вихревого устройства.

Работа содержит теоретическое и экспериментальное исследование высокочастотных и низкочастотных возмущений интенсивно закрученного потока. Разработана физико-математическая модель когерентных вихревых структур и прецессионных колебаний, которая интегрирована в расчетную схему, предназначенную для определения термодинамических и акустических характеристик работы вихревых устройств. Адекватность модели проверена экспериментально на основе измерения акустических параметров течения.

1. АНАЛИЗ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана физическая модель прецессионного движения вихревого ядра и когерентных вихревых структур в закрученном потоке, которые через изменение структуры закрученного потока оказывают влияние нахаракте-ристики работы вихревых устройств.

2. Разработана уточненная физико-математическая модель и на ее основе методика расчета характеристик работы вихревой трубы с учетом прецессионных колебаний потока. Установлено, что аппроксимация профиля окружной скорости при наложении прецессии позволяет уточнить расчет термодинамических характеристик работы вихревой трубы на 10%.

3. Экспериментальное исследование акустических характеристик потока в вихревой трубе и вихревом вакуум-насосе показало удовлетворительное согласие расчетных по предложенной методике данных (погрешность не более 10%) и эксперимента.

4. На основе развитых в работе представлений предложена методика расчета акустических характеристик работы вихревого вакуум-насоса.

1. Пиралишвили Ш.А. Исследование процесса энергоразделения в вихревых трубах и их техническое приложение: Дис.докт. техн. наук. -Москва, 1991.-250с.

2. Жуканова Н.С., Пиралишвили Ш.А., Сергеев М.Н. Моделирование процесса сжижения газа на базе вихревых энергоразделителей //Известия Академии наук. Энергетика.-2002.- №5. С.156-161

3. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике.-М.: Машиностроение, 1969.-168с.

4. Алесеенко С.В., Окулов В.Л. Закрученные потоки в технических приложениях//ТИА. -1996. -Т.З, N2, С.101-137.

5. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения / Ш. А. Пиралишвили, В. М. Поляев, М. Н. Сергеев; Под ред. А. И. Леонтьева. М.: Энергомаш, 2000. - 414с

6. Сергеев М.Н., Рослова Н Характеристики пневмоакустического распылителя с закруткой потока // Теплофизика процессов горения и охрана окружающей среды: Сб. Трудов / Под ред. Ш.А.Пиралишвили. М.: изд-во УНЦП "Энергомаш", 2001, - С.55.

7. Лякина Н.П., Сергеев М.Н Полуэмпирическая модель расчета процес-са взаимодействия капли с потоком газа // Международная начно-техническая конференция посвященная памяти акаде-мика Кузнецова Н.Д. Самара, 2001.-Ч.1. - С.22.

8. Кныш Ю.А. Модель нестационарного взаимодействия потоков в вихревой горелке // Горение в потоке. Казань, 1978. - С.45-48.

9. Hilsch R.Expansion von Gasen in Zentrifugalfeld als Kalterprocess//Zeitsch. fur Natur.-1946. N6. - S.203-208.

10. З.Алексеев В.П. Исследование эффекта вихревого температурного разделения газов и паров: Дис.канд.техн.наук.-Одесса, 1954.-230с.

11. Торочешников И.С., Лейтес И.Л., Бродянский В.М. Исследование эффекта температурного разделения воздуха в прямоточной вихревой трубке // ЖТФ.-1953. Т28, вып.б.-С. 1229-1236.

12. Takahama Н. Studies of Vortex Tube // Bulletin of JSME. 1965. - Vol 8, N31.- P.433-440

13. Штым A.H. Аэродинамика циклонно-вихревых камер. Владивосток, 1985.- 199с.

14. Savino J.M., Ragsdal R.G. Temperature and Pressure Measurement in Confined Vortex Fields // Trans. ASME, Journal of Heat Transfer. 1961. - Vol. 83, N1.- P.29-39

15. Меркулов А.П. Исследование вихревого холодильника: Дисс. канд. техн. наук. Куйбышев, 1956. -154с.

16. Войтко A.M. Исследование эффекта вихревого температурного разделения при низких давлениях и больших диаметрах труб: Дисс. канд. техн. наук. Одесса, 1960. - 148с.

17. Борисенко А.И., Высочин В.А., Сафонов В.А. Исследование параметров внутри вихревой трубы. // Самолётостроение и техника воздушного флота.- 1976. Вып.40. - С.45-48.

18. Webster D.S. An analisis of the Hilsch Vortex Tube // Refr.Eng.-1967.-N2,-P.163-171.

19. Takahama H., Soga H. Studies on Vortex Tubes // Bulletin of JSME. 1966. -Vol. 9, N33. - P.121-130.

20. Волчков Э.П., Смульский И.И. Аэродинамика вихревой камеры со вдувом по боковой поверхности. Новосибирск, 1979.-3Ос.

21. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. -М.: ОГИЗ, 1953.-824с.

22. Кныш Ю.А., Лукачёв С.В. О механизме неустойчивости течения закрученных потоков жидкости и газа в элементах ГТД // Сб. тр. Куйбышевск. авиац. ин-та.-1974.-Вып.67.-С.205-208.

23. Кныш Ю.А. О влиянии автоколебаний на гидравлическое сопротивление вихревой трубки // ИФЖ.-1982.-Т.ХХХУП, N1. -С.59-63.

24. Laufer J. New trends in experimental turbulence research//Ann.Rev.F.Mech.-1975.-Vol,7.-P.307-326.

25. Лукачёв С.В. Исследование неустойчивых режимов течения газа в вихревой трубе Ранка/УИФЖ. 1981.- XLI, N5.-C.784-791.

26. Меркулов А.П. Энергетика и необратимость вихревого эффекта

27. Вихревой эффект и его применение в технике.- Куйбышев, 1981.- С.5-9.

28. Халатов A.A. Теория и практика закрученных потоков.-Киев: Наукова. думка, 1989.-192с.

29. Власов Е.В., Гиневский А.С. О двухстороннем характере акустического воздействия на свободные турбулентные струи //Турбулентные течения.-М.: Наука, 1974.- С. 149-154.

30. Кныш Ю.А., Лукачев С.В. Экспериментальное исследование вихревого генератора звука // Акустический журнал.-1977.-Т.23, N5. -С.776-782.

31. Пиралишвили Ш.А. Физико-математические модели процесса энергоразделения в вихревом термотрансформаторе Ранка/Рыбинск, авиац. техн. ин-т.-Рыбинск,1984.-42с.(Деп. в ВИНИТИ, 15.09.85 N160-85).

32. Brown G.Z., Roshko A. On density effects end large structure in turbulent mixing layers// J.Fluid Mech.-1974.-Vol.64. P.778-816.

33. Fulton C.D. Ranque"s Tube. // Refr. Eng. 1950. - May.- P.473-479.

34. Кузнецов В.И. Вязкость и ее влияние на эффект Ранка // СО АН СССР. Сер.техн.наук. 1989. - Вып.1. - С.49-51.

35. Пиралишвили Ш.А., Сергеев М.Н. Некоторые проблемы изучения природы вихревого эффекта // Процессы горения и охрана окружающей среды: Сб. трудов; В 2-х частях / РГАТА. Рыбинск, 1997. - 4.1. - С.10-16.

36. Пиралишвили Ш.А., Сергеев М.Н. Методика расчета эффектов подогрева в однорасходных вихревых трубах // Процессы горения и охрана окружающей среды: Сб. трудов; В 2-х частях / РГАТА. Рыбинск, 1997.-Ч.1. -С.36-43.

37. Хинце И.О. Турбулентность.- М.: ГИФМЛ, 1963.-676с.

38. Куйбин П.А., Окулов В.Л. Определение частоты прецессии винтового вихря.// Письма в ЖТФ. 1994. - Т.20, вып.7. - С.32-35.

39. Карышев Ю.Д. К расчету акустики потока в вихревом элементе. // Изв. вуз. Машиностроение. 2000. - N5-6. - С.52-57.

40. Кныш Ю.А. О механизме переноса энергии в вихревой трубе пульсирующими крупными вихрями // Вихревой эффект и его применение в технике.- Куйбышев.-1988.-С.71-74.

41. Кныш Ю.А. Физическая модель явления энергопереноса в вихревой трубе// Вихревой эффект и его применение в технике.- Куйбышев,-1981.-С.29-31.

42. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.: ГЭИ, 1961. -670с.

43. Авиационная акустика/ Под ред. А.Г.Мунина, Е.В.Квитки. -М.: Машиностроение, 1973.- 448 с.

44. Rochko A. Structure of turbulent shear flow: a new look // AIAA.- 1976.-14.-10.-P.1349-1357.

45. Лукачёв C.B. Образование вихревых когерентных структур в вихревой трубе Ранка// Вихревой эффект и его применение в технике. -Куйбышев,-1984.- С.38-44.

46. Kovasznay L.S.G.Coherent structures in turbulent shear flow end Australas //Conf.Heat and Mass Transfer. Sydney, 1977. - P.295-304.

47. Власов E.B., Гиневский A.C., Каравосов P.K. Исследование волновой структуры течения в начальном участке струи при различных уровнях начальной турбулентности // Уч.зап.ЦАГИ. -1978.-Т.9, N.1.-C.25-32.

48. Сергеев М.Н., Михайлов В.В., Волков В.Г. Экспериментальное и теоретическое исследование структуры интенсивно закрученного потока в вихревой трубе с целью создания эффективных технических устройств

49. YSTM'96: Молодежь и наука- третье тысячелетие:.Труды международного конгресса. М., 1997.-Т.1.-С.132-135.

50. Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Термогазодинамический анализ природы энергоразделения в вихревой трубе // Изв. АН РФ. Энергетика. 1999. - №2. - С.87-96.

51. Пиралишвили Ш.А., Сергеев М.Н. Физико-математическая модель процесса энергоразделения в вихревых трубах // Теплофизика процессов горения и охрана окружающей среды: Сб. Трудов / Под. ред. Ш.А. Пирали-швили. Рыбинск, 1999.- С.127-130.

52. Sibulkin М. Unsteady, viscous, circular flow, part 3 // Fluid Mechanics. 1962. - V.12. -P.269-293.

53. Гупта А., Лилли Д., Сайред H. Закрученные потоки. -М.: Мир, 1987.-588с.

54. Меркулов А.П., Кудрявцев В.М., Шахов В.Г. Определение турбулентных напряжений на основе замеров параметров осреднённого течения в вихревой трубе // Вихревой эффект и его применение в технике.- Куйбышев: КуАИ, 1976. С.35-39.

55. Волчков Э.П., Дворников Н.А., Терехов В.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое закрученном потоке. Новосибирск, 1986,-44с.

56. ТретьяковВ.В., Яготкин В.И. Применение двухпараметрических моделей турбулентности для расчёта ограниченных закрученных течений // Вихревой эффект и его применение в технике. Куйбышев, 1984.-С. 233-238.

57. Хабиб М.К., Уайтлоу Дж. П. Характеристики ограниченных коаксильных струй с закруткой и без закрутки потока. // Теорет. основы инж. расчётов. -1980. -Т. 102, N1. -С.163-171.

58. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. — М.: Энергия, 1978, —704 с.

59. Кремлёвский П.П. Расходомеры и счётчики количества.-М.: Машиностроение, 1982.-375с.

60. ГОСТ 3044-77. Преобразователи термоэлектрические. Градуировочные таблицы. М., 1976, - 40с.

61. Дубинский М.Г. Вихревой вакуум-насос // Известия АН СССР. ОТН. -1956.-N3.-C.155-159.

62. Лаврусь О.Е. Интегральный метод расчета вихревого эжекторного вакуум-насоса. // Сборник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых СамИИТа. Самара: СамИИТ,1999.-Выпуск 2. - С.93-95.

63. Епифанова В.И. Костерин В.К., Усанов В.В. Опытное и расчетное исследование вихревого эжектора // Изв. Вузов. Машиностроение. 1975. -N11.- С.37-47.

64. А.Д. Суслов, С.В. Иванов, А.В. Мурашкин, Ю.В. Чижиков. Вихревые аппараты. М.: Машиностроение, 1985. - 256с.

65. РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННА^}1. БИБЛИОТЕК^'