2014-02-03
766Тема: Вводная лекция по дисциплине «Вихревые преобразователи энергии»
Цель: Ознакомить студентов с принципами вихревого преобразования энергии, дать исторический обзор развития проблемы, изложить перспективы применения вихревых труб в специальности НИЭ.
План:
1. Принципы вихревого разделения воздуха.
2. Исторический обзор проблемы.
3. Роль вихревых преобразователей в специальности НИЭ.
4. Схема теплового насоса с использованием вихревых труб.
5. Выдача задания для самостоятельных занятий.
6. Ответы на вопросы студентов.
Литература:
1. Сафонов В.А. канд.дис. “ Определение оптимальных параметров вихревых холодильно-нагревательных устройств.”Харьков, 1972, ХАИ.
2. Меркулов А.П. “Вихревой эффект и его применение в технике”. М.Машиностроение, 1969.
3. Бродянский В.М., Мартынов А.В. “Что такое вихревая труба?”
4. Волов В.Т., Сафонов В.А. Термодинамика и теплообмен сильнозакрученных течений, Харьков, ХАИ, 1972.
Современный уровень развития техники предъявляет высокие требования к вновь созданным энергетическим и тепломассообменным установкам и устройствам.
Так, например, в авиационной и ракетной технике основные из этих требований сводятся к следующим: увеличение энерговооруженности, малые габариты и вес, конструктивность, надежность, безинерционность, экономичность и отсутствие специального обслуживания.
В лазерной техники – это увеличение съема выходной мощности с единицы объема активной части газового лазера при уменьшении габаритов всей установки в целом, например, при отсутствующей организации потока.
В промышленной теплоэнергетике – использование вторичных энергоресурсов за счет создания замкнутых тепловых процессов.
Удовлетворению многих из перечисленных требований могут служить газовые и теплообменные устройства, имеющие в своей основе закрученный поток газа.
В настоящее время имеется обширный теоретический и экспериментальный материал по слабо закрученным течениям в различных каналах и энергетических установках. Использование закрутки потока позволяет существенно интенсифицировать теплообмен и улучшить процессы горения в камерах сгорания.
Обобщение обширных экспериментального и теоретического исследований по данному вопросу предоставлено в монографиях Щукина В.К. и Халатова А.А.. Основополагающими теоретическими работами по несжимаемым потокам с произвольной закруткой являются исследования Гольдштика М.Е. и учеников его школы.
При этом имеется обобщение полученных решений на класс турбулентных несжимаемых стационарных течений с постоянной величиной коэффициента турбулентной вязкости.
Сильно закрученные сжимаемые течения в настоящее время являются наименее изученной областью как в теоретическом, так и в экспериментальном плане. Следует отметить, что сильно закрученные сжимаемые течения реализуются в практике в таких вихревых устройствах, как вихревые трубы, самовакуумирующиеся трубы, вихревые ижекторные насосы, вихревые трубы с дополнительным потоком и различных их комбинаций и модефикаций. Основополагающими исследованиями в данной области являются работы Меркулова А.П., Епифановой В.И., Суслова А.Д., Гроздовского, Мартыновского В.С., Гуляева А.И., Ранка Ж., Хилша Н., Штыма А.Н., Дубинского М.Г. и учеников их школ, к которым относится и автор курсы. Определение интегральных характеристик вихревых устройств (холодопроизводительности, КПД, коэффициенту эжекции, эффекту охлаждения) посвящены многие работы. Здесь наиболее интересными являются исследования вихревого эффекта на водяном паре, исследование параметров внутри вихревой трубы, исследование теплоотдачи при вращении сжимаемого потока.
Сложности теоретического плана по решению этой проблемы базируются на отсутствии общей теории турбулентности и неопредолимых в нас тоящее время технических сложностях решений полной системы уравнений Навье-Стокса для сжимаемого нестационарного течения.
Необходимость в общей теории турбулентности для теоретического анализа закрученных сжимаемых течений исходят из того факта, что в таких течениях турбулентность неоднородна и неизотропна, т.е. приближение изотропной турбулентности неравномерно и не может привести даже качественному согласованию с опытом.. технические сложности в решении полной системы уравнения Навье-Стокса для нестационарного сжимаемого потока заключаются в отсутствии в настоящее время ЭЦВМ с соответствующим быстродействием.
Сложности экспериментального исследования сильно закрученных сжимаемых течений в каналах обусловлены тем, что термоанимометрические методы определения внутренней структуры потока не применены, так как распределение термодинамических параметров существенно неизотермично по радиусу вихря (например, в короткой самовакуумирующейся вихревой трубе распределение термодинамических параметров приближается к адаиабатическому). Виду этого термоанемометры будут одновременно фиксировать пульсации температуры, плотности и давления, что приведет к неопределенности при расшифровки сигнала. Использование теневых методов не привело к ощутимым положительным результатам, так как из-за высокого уровня турбулентности картина течения получается размытой.
Зондирование сильно закрученных течений с большими дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями в каналах газодинамическими насадками позволяет исследовать скорее качественную структуру осредненного во времени течения, чем его количественную сторону. Вносимые подобными датчики искажения в поток, могут превышать 50%. Наиболее перспективными способами экспериментального исследования такого типа течений, очевидно являются лазерные методы зондирования потока.
Однако, при исследовании сильно закрученных течений лазерными методами имеются свои сложности.
Ввиду выше перечисленных трудностей теоретического и экспериментального порядка понятно стремление исследователей изучать течение в вихревых устройствах приближенными теоретическими методами. Оправданием того факта, что во многих из перечисленных работ по исследованию вихревых устройств авторы используют уравнение невызкого сжимаемого газа является то, что в вихревых устройствах указанных выше типов центрабежного ускорения, возникающие в вихре достигают гигантских величин 106- 108q и таким образом ни вязкость, ни теплопроводность не могут привести к качественному изменению поля скоростей в вихревой камере: имеется переферийная область течения, близкая к потенциальному закону и приосевая зона квазитвердого вращения. Приближенный учет турбулентного обмена, являющегося основой энергоразделения в вихревых трубах, осуществляется за счет показателя политропного процесса.
Предельное теоретическое значение показателя политропы в сильно закрученном сжимаемом турбулентном протоке, как показано в работе Хинце и в работе Меркулова А.П. равно показателю адиабаты К, что соответствует завершению процесса обмена между вихрем и потенциальным течением. При этом обмен осуществляется турбулентными полями, совершающими микрохолодильные циклы между вынужденным вихрем и потенциальной областью, завершение процессов переноса реализуется при распределении термодинамических параметров по радиусу вихревой камеры соответствующему закону адиабаты. Однако, как показывают многочисленные эксперименты распределение термодинамических параметров в вихревых камерах реализуется при показателях политропы меньших показателя адиабаты, при этом показатель политропы существенно переменен в объеме вихревой камеры. Единственным исключением из всех видов вихревых камер является самовакуумирующаяся вихревая труба с минимальной длиной вихревой камеры, где распределение термодинамических параметров в сопловом сечении близко к адиабатическому (коэффициент политропного КПД близок к единице ηпол = 0,98 – 0,96). В случае принятия в расчетной методике политропного распределения термодинамических параметров в вихревой камере необходимо использование дополнительных данных. Однако, несмотря на существенное отличие в распределении термодинамических параметров от адиабатического распределения, инженерные методики расчета вихревых труб, вихревых труб с дополнительным потоком, основанные на приближении адиабатного распределения показывают удовлетворительное согласование с опытом по интегральным характеристикам. Следует подчеркнуть, что такой класс вихревых устройств как вихревые самовакуумирующиеся трубы, вихревые вакуум – насосы, вихревые эжекторы теоретически не расчитывались до последнего времени ввиду сложного характера течения в раскруточном диффузоре вихревого устройства. Исключением в данном классе вихревых устройств был вихревой вакуум-насос Дубинского М.Г., но ввиду отсутствия метода расчета раскруточного диффузора расхождение теоретических и экспериментальных данных превышало 200%.
Следует отметить, что для качественного объяснения энергоразделения в сильно закрученных сжимаемых потоках необязательно прибегать к микроскопическому описанию процесса, вполне достаточно использовать макроскопический подход, но для количественного прогнозирования необходима дополнительная информация.
Результаты исследований обнаружили важную особенность вихревого эффекта – наличие автоколебаний в вихревой трубе. С этой точки зрения холодный осевой и горячий перефирийный потоки можно рассматривать как макроскопические флуктуляции, процесс образования которых сопровождается колебаниями флуктирующего объема в термодинамически открытой системе и потерей его устойчивости. Т.е. вихревой эффект можно рассматривать как процесс самоорганизации диссипативных структур – холодного осевого и горячего потока. Новые диссепативные структуры – холодный осевой и горячий периферийный потоки обладают высокой устойчивостью (вследствие чего не происходит их смешение в вихревой трубе). Это представление подтверждается тем фактом, что влияние температуры, давление, сжимаемости газа идентично для флуктуаций Энштейна и для вихревого эффекта. Проведенные исследования показали, что наряду с энергетическим разделением газов и паров, фазовым разделением неоднородных сред, вихревые трубы возможно использовать как генераторы автоколебаний. Здесь, в зависимости от диапазона частот колебаний вихревые трубы возможно использовать как лазеры, и в диапазоне малых частот – как устройства для аэродинамического обмолота с/х культур, и для срезания, что хотя применяется в другой области техники, но имеет общую физическую природу – генерацию когерентных автоколебаний.
В зависимости от назначения, вихревые трубы исследованы в диапазоне от 1мм до 2 м. Вихревые трубы используются в устройствах для наземного испытания авиадвигателей, самолетов и отдельных их элементов, позволившие упростить технологическое оборудование и повысить надежность его работы, в устройствах для охлаждения буровых долот, позволяющие повысить стойкость бурового инструмента в два раза (аналогично и режущего инструмента металлообрабатывающих станков), в устройствах для энергетического разделения и очистки доменного газа, позволяющие резко сократить размеры газоочистки, в устройствах для автономного кондиционирования (например, масок сварщика, масок используемых при окраске изделий), позволяющие резко улучшить условия труда.
Несмотря на перечисленные трудности в изучении указанной проблемы, практика настоятельно требует создания методов оперативного прогнозирования и оптимизации рабочих характеристик устройства, имеющих в своей основе сильно закрученные сжимаемые потоки. Так, например, в лазерной технике – это создание вихревого лазера, в авиационной технике – создание и прогнозирование вихревых авиационных систем холода, в промышленности – создание локальных систем холода, кондиционирование и эжектирование.
Курс рассчитан на 54 часа, 30 из которых аудиторные занятия, в том числе 16 часов лекции и 14 часов практических занятий, так же 24 часа самостоятельных занятий. По окончанию курса предусмотрен зачет.
Составил д.т.н., профессор Сафонов В.А.
«ЗАТВЕРДЖУЮ»
Зав. кафедрою «Э і НІЕ»
___________ Сафонов В.А.
«_____» ___________ 200_ р.
