В первой части статьи авторами описаны методы решения задачи исследования автоколебательного течения вязкого изотермического несжимаемого газа из прямоугольного отверстия, перекрытого арочным элементом. Даны определения механизма и характеристики автоколебаний.

Напомним, что в первой части материала, размещенного на стр. 67–70, авторы указали, что автоколебательные течения из отверстий, перекрытых арочным элементом, представляют большой практический и исследовательский интерес в научно-инженерных задачах распределения воздуха, диспергирования жидкостей, смешения плохо смешивающихся жидкостей, сжигания топлив. Однако работ по изучению механизма возникновения течения и характеристик автоколебательного процесса крайне мало.

Сегодня уже понятно, что обнаруженное аномально быстрое затухание результирующего потока вентиляционного воздуха в окружающей среде, отмеченное в [1], имеет в своей природе мощный автоколебательный процесс.

Данное первое упоминание трактовалось как эффект соударения оппозитновстречных струй в приложении к технике вентиляции.

Взаимодействию двух встречно-соосных потоков посвящены работы [2, 3]. В работе [2] представлены результаты экспериментальных исследований течений воздуха из лункообразных отверстий. Установлено быстрое падение скорости потока вниз по течению от лункообразного отверстия. При объяснении механизма гашения скорости потока при истечении из отверстия не был отмечен факт наличия колебательного процесса. В работе [3] представлены первые попытки исследования процесса методами численного моделирования. Результаты расчётов показали наличие периодического автоколебательного течения. Проведена оценка влияния геометрических параметров отверстия на характеристики автоколебательного процесса. Установлено, что спектр и амплитуда колебаний потока зависят от длины прямоугольного отверстия, отнесённой к его ширине.

Первая попытка комплексного подхода к изучению механизма возникновения автоколебательного течения из отверстия, перекрытого арочным элементом, с применением методов численного моделирования представлена в работе [4]. Рассмотрены отверстия с различными геометрическими параметрами и при различных кинематических режимах течения.

Для диапазона чисел Рейнольдса от 2,1×106 до 1,2×107 установлено, что автоколебательный характер течения не зависит от кинематических параметров течения, в частности, Shf(Re).

Однако установлена существенная зависимость амплитуды колебательного течения от отношения l/d. При l/d = 1 автоколебательный характер течения выражен слабее и имеет сниженную амплитуду колебаний. При l/d = 2 наблюдается ярко выраженное автоколебательное течение. При l/d = 4 также наблюдается автоколебательный характер течения, но, в отличии от предыдущих вариантов, этот процесс протекает менее периодично, появляются дополнительные гармоники колебаний, а амплитуда колебаний значительно снижается.

Определяя относительную амплитуду колебаний как отношение амплитуды колебаний модуля скорости потока к среднерасходной скорости, установлено, что относительная амплитуда автоколебаний для иных видов автоколебательных течений, как правило, не превышает значения 0,9. Например, в работах [5–6], в которых исследуется истечение плоской струи в прямоугольную полость, относительная амплитуда автоколебаний не превышает значения 0,4. В работах [7–9], в которых исследуется автоколебательный процесс при обтекании тел различной формы, относительная амплитуда колебаний также не превышает значения 0,9, а в работах [10–11], в которых исследуется автоколебательный процесс фонтанирования вертикальной плоской струи жидкости, относительная амплитуда колебаний не превышает значения 0,6. В работах [12–13], в которых исследуется обтекание внешним потоком прямоугольных каверн при Re = 103–105, амплитуда автоколебаний не превышает значения 0,9.

В настоящей работе численно исследуется автоколебательный режим истечения из отверстия, перекрытого арочным элементом. Главной целью исследования является выяснение механизма формирования автоколебательного течения, а также определение основных его характеристик. Рассматривается вариант геометрии отверстия с соотношением сторон l/d = 2, поскольку при данном соотношении наиболее ярко наблюдается автоколебательный режим истечения [4]. По результатам моделирования определяется распределение поля амплитуд колебаний в плоскости течения струи.

Как было сказано в первой части статьи, описанному выше явлению авторы дали название АВААК. Определение термина: «АВААК — это явление аномально высокой амплитуды автоколебательного процесса при истечении ньютоновской жидкости из прямоугольного отверстия, перекрытого арочным элементом».

 

Перспективы практического применения АВААК

Из гидродинамической схемы устройства видно, что его техническая реализация проста и по затратам на исполнение несопоставима, например, с осевыми или тангенциальными закручивателями потоков. Простота и надёжность в создании и поддержании аномальных амплитуд в автоколебания позволяет практически использовать АВААК.

1. Воздухораспределение. Построение воздухораспределителей систем вентиляции и кондиционирования воздуха на АВААК позволит решить задачи обеспечения высококачественного микроклимата в малообъёмных помещениях: купе железнодорожных вагонов, салонах автомобилей, кабинах управления сельскохозяйственной техники, подъёмных кранов, космических аппаратов и др. Число Струхаля принимает значения 0,21–0,24, и при d = 0,1 м это означает, что частота автоколебаний составляет 10–25 Гц.

2. Распыление жидкости. Мелкодисперсное распыление воды при давлениях 10–18 бар со средним размером капель около 15 мкм (фото 1) имеет место:

  • в задачах тушения пожаров тонкораспыленной водой;
  • при постановке капельных экранов с защитой объектов от токсических веществ;
  • при испарительном охлаждении воздуха на входе в газотурбинные установки в тёплый период года для поддержания номинальной мощности на валу;
  • для испарительного охлаждения центров обработки данных без использования искусственного холода;
  • для испарительного охлаждения воздушных потоков до их входа в аппараты нефтехимических производств, что на 25–30% увеличивает их мощность охлаждения в тёплый период года;
  • при массовом использовании водоэффективных душевых насадок.

Практическое применение явления аномально высокой амплитуды автоколебательного процесса при истечении жидкости. Часть 2. 6/2019. Фото 1

Использование форсунок, построенных на АВААК, как для маломощных, так и особо крупных градирен, повышает интенсивность и надёжность их работы, снижает угрозы засорения и удешевляет замены.

3. Смешение. При создании и сжигании топливовоздушных смесей, где в качестве топлива используется угольная пыль, природный газ, мазут, АВААК раскрывает результирующее течение примерно на 120°, что позволяет создавать широкие факелы с высокой однородностью и высокой интенсивностью турбулентности. Возрастает полнота сгорания топлив, снижаются токсичные выбросы. Высокотурбулентный поток с интенсивностью турбулентности в 50–60% активнее отдаёт теплоту сгорания в нагреваемую среду.

С помощью АВААК также возможно решение задач смешения плохо смешивающихся жидкостей, например, при создании топливных эмульсий (смешение жидкостей в химической, пищевой и косметической промышленности). В основной поток жидкости с использованием АВААК вводятся жидкости и порошки. Результирующий поток проходит через два и более устройств. Высокая частота автоколебаний, как на вводе жидкостей в основной поток, так и при прохождении результирующим потоком устройств, обеспечит высокую однородность смеси.

4. Распределение воздуха в жидкости. Интенсификация процессов флотации (фото 2), очистки воды от нефтесодержащих продуктов, насыщения аэротенков очистных сооружения кислородом воздуха и др. Подача воздуха под слой жидкости через устройства позволяет уменьшить диаметр всплывающих пузырьков и интенсифицировать работу сил поверхностного натяжения. Как результат снижается энергоёмкость процессов и повышается функциональная производительность флотационных систем.

Практическое применение явления аномально высокой амплитуды автоколебательного процесса при истечении жидкости. Часть 2. 6/2019. Фото 2

5. Интенсификация процессов теплообмена. В зоне действия автоколебаний на длине до 15 калибров при развитии процессов вдоль поверхностей коэффициент теплоотдачи вырастет в полтора раза. Это позволяет интенсифицировать процессы теплообмена в различных аппаратах, например, в котлах-утилизаторах газотурбинных и дизельных машин. Также возможна интенсификация физико-химических процессов в химических реакторах с замещением механических мешалок гидродинамическими — насосная группа перемещает реагирующие среды.

6. Использование АВААК в дульном тормозе-компенсаторе (ДТК). Возможно использование АВААК в дульных тормозах-компенсаторах (фото 3) стрелкового оружия и ствольной артиллерии. Это позволит понизить засветку выстрела в инфракрасном диапазоне, прибавляя к ДТК функциональные возможности пламегасителя, а также даст возможность уменьшить акустическую мощность выстрела.

Практическое применение явления аномально высокой амплитуды автоколебательного процесса при истечении жидкости. Часть 2. 6/2019. Фото 3

Выводы

Установлено, что амплитуда автоколебательного процесса в АВААК в 5–15 раз выше, чем в известных течениях. Количественный скачок амплитуды автоколебаний, возникающий как результат качественных изменений процесса, позволит на основе АВААК создать новые инженерные решения высокой интенсивности в различных отраслях техники.