CC BY
15УДК 662.612
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОБОДНОЙ ЗАКРУЧЕННОЙ СТРУИ С ПРЕЦЕССИРУЮЩИМ ВИХРЕВЫМ ЯДРОМ
(Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №16-08-00074а)
Зайцев О.Н.1, Степанцова Н.А.2, Аверкова О. А.3, Логачев К.И.4, Уваров В.А.5
1,2Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение) ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского», 295493 РК г. Симферополь, у. Киевская, 181 , 3,4,5Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова», г.Белгород
Аннотация. Представлены результаты экспериментального исследования сильнозакрученной свободной изотермической струи с прецессирующим вихревым ядром. Выявлено, что распределение радиальной и тангенциальной составляющих скорости при удалении от среза подающего патрубка имеют максимум, зеркально меняющий свое положение относительно центральной оси с шагом равным 1 калибру вследствие влияния вихревого ядра на структуру потока. Показано, что аксиальная составляющая, взятая на различном расстоянии от оси струи, характеризуется наличием на начальном участке положительных и отрицательных скоростей, разделение которых соответствует внешней и внутренней части закрученной струи, при этом изменение скорости по длине струи имеет четыре четко выраженных участка, что обусловлено наличием зоны обратных токов, а изменение скорости по оси струи свидетельствует о нелинейном изменении формы данной зоны. Ключевые слова: закрученная струя, аэродинамика, прецессия вихревого ядра.
ВВЕДЕНИЕ.
Достижение оптимального теплосъема в теплогенераторах малой мощности (до 300 кВт) с помощью существующих методов регулирования [13, 7-8] в настоящее время затруднительно с экономической точки зрения.
В то же время широкое распространение получили вращающиеся потоки, область применения которых охватывает процессы производства тепловой энергии, передачи и использования ее, а также процессы, связанные с использованием тепла в технологических производствах. При этом использование свойства аэродинамики вращающихся потоков - центробежного эффекта, возникновения обратных токов в центральной области, позволяет решить проблемы интенсификации
производственных процессов, оптимизировать работу оборудования и его конструктивные параметры.
Однако, неустойчивость процессов,
происходящих при первичном распаде закрученного потока (появление области возвратного течения), появление и вырождение вихревого прецессирующего ядра при определенных значениях степени крутки потока, вызывает значительные трудности при применении крутки в технологических процессах [1-5], что требует анализа причин низкой эффективности применения вращающихся потоков в тепловых процессах.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Разработка новых энергосберегающих способов и конструктивных решений для снижения расходов топлива в децентрализованных системах теплоснабжения, локализации тепловых источников малой мощности и рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе наряду с теоретическими
исследованиями требует получение
экспериментальных данных по аэродинамике взаимодействующих вращающихся потоков.
Данное исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №16-08-00074а.
Для решения поставленной задачи на основании рекомендаций [5-6, 10] был разработан и изготовлен экспериментальный стенд. Экспериментальная установка состоит из сопла, диаметром 100 мм, с тангенциальным подводом потока, гибких воздуховодов, вентилятора высокого давления, задвижки для регулирования расхода воздуха.
Для выполнения измерений скорости установка снабжена термоэлектроанемометром с возможностью определения направления скорости, с шаровым зондом и координатной сеткой для распределения точек замеров. Измерение расхода газа осуществлялось с помощью тарированной диафрагмы методом переменного перепада давления.
Перед началом измерений производилось подключение термоэлектроанемометра к сети, поверка прибора и установка сопла для создания исследуемого вида закрученной струи. Далее выполнялась установка координатной сетки по срезу сопла или в требуемом сечении, и определялось количество точек подлежащих замеру.
После включения вентилятора выполнялись замеры аксиальной, тангенциальной и радиальной скорости в данном сечении, далее координатная сетка переносилась на расстояние, соответствующее следующему сечению с последующими измерениями.
АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА.
Полученные в результате экспериментальных исследований данные, после оценки их
достоверности представлены в виде графических зависимостей на рис.1-4.
Распределения радиальной и тангенциальной составляющих скорости на срезе патрубка (рис. 1) аналогично профилям для сильнозакрученных струй, приведенных в многочисленных работах [1-5], однако следует отметить, что распределение тангенциальной скорости в отличие от более сглаженного профиля радиальной, имеет четко выраженный минимум, расположенный на границе обратных токов, что вероятно, вызвано резким расширением струи при выходе из сопла и вовлечением окружающей массы воздуха в возвратное течение на оси струи, при этом разница в скорости между центральной осью и границей области обратных токов возникает вследствие инерционности массы окружающего воздуха и максимума тангенциальной скорости, приходящегося на периферийную область.
Эволюция распределения радиальной скорости при удалении от среза подающего патрубка (рис.3(а))
показывает, что максимум данной составляющей скорости зеркально меняет свое положение относительно центральной оси с шагом 0,1 м, а минимум (соответствуя области обратных токов) расширяется, уменьшаясь в абсолютном значении по мере увеличения расстояния от источника струи. Такое поведение скорости может объясняться односторонним тангенциальным подводом воздуха, что приводит к неравномерному распределению вращающейся массы вокруг оси, однако, такое возможно при замерах скорости с распределением по времени, равном угловой скорости вращения, а в данном случае замеры проводились в один промежуток времени. То есть наиболее вероятным является влияние вихревого ядра, винтовая траектория которого (во втором разделе данной работы было показано, что вихревое ядро не прямолинейно, а скручивается вокруг центральной оси закрученного потока) и, очевидно, имеет шаг, кратный диаметру патрубка.
-0
ои V, м 1/с
15
Л П 10
с 5
п х, м
05 -0, 04 -0, 03 -0, 02 01__51 0, уС 0, 02 0, 03 0, 04 0,
'---Л п
л с
35
Рис.1. Распределение скорости на срезе патрубка: ♦ — радиальная составляющая скорости, V, м/с; ■ — тангенциальная составляющая скорости, Уф, м/с.
л с\
а) радиальная составляющая
б) тангенциальная составляющая
Рис.2. Распределение скорости в одиночной струе: ♦ — на расстоянии 0,1 м от патрубка; ■ — на расстоянии 0,2 м от патрубка; ▲ — на расстоянии 0,3 м от патрубка; х — на расстоянии 0,4 м от патрубка.
Профиль тангенциальной скорости (рис.2 (б)), приведенный на различных расстояниях от патрубка также характеризуется перемещением максимума относительно оси в зависимости от рассматриваемого сечения, что подтверждает предположение о влиянии вихревого ядра на скорость закрученного потока, при этом область обратных токов (зона отрицательных скоростей в центральной области) исчезает, как и в случае радиальной составляющей скорости на расстоянии 3 калибров, а сами профили скорости аналогичны. Однако, в отличие от радиальной скорости, тангенциальная составляющая имеет максимум не только на выходе струи из патрубка, а на расстоянии 2 калибров, и в дальнейшем снижается по абсолютной величине. Данный эффект вызван перестройкой поля скоростей начального участка в поле скоростей основного, а также влиянием области пониженного давления (зоны обратных токов) вследствие изменения направления аксиальной скорости части потока, расположенного на границе с данной областью.
Анализ аксиальной составляющей скорости, взятой на различном расстоянии от оси струи, (рис.3) показал наличие на начальном участке положительных и отрицательных скоростей, разделение которых соответствует внешней и внутренней части закрученной струи, при этом изменение скорости по длине струи имеет четыре
20
четко выраженных участка. Так периферийные слои струи на начальном участке имеют максимум, далее, вследствие расширения области обратных токов, происходит уменьшение и изменение направления движения, но на расстоянии 2 калибров (на границе зоны обратных токов) аксиальная скорость вновь принимает положительные максимальные для данного сечения значения, на последнем участке происходит плавное уменьшение скорости, что соответствует затуханию струи на основном участке. В центральной области струи на начальном участке аксиальная скорость отрицательна (движение газового потока противоположно направлению оси), но имеет максимальное абсолютное значение. На расстоянии 1 калибра также наблюдается максимум скорости, но уже с противоположным знаком, по мере дальнейшего распространения струи происходят аналогичные колебания с изменением направления скорости через каждый калибр, при этом наблюдается уменьшение скорости по абсолютному значению. Такое поведение аксиальной составляющей скорости в центральной области объясняется наличием зоны обратных токов, а изменение скорости по оси струи свидетельствует о непрямолинейном изменении формы данной зоны (на начальном участке происходит ее сужение, затем, на основном — увеличение в поперечном размере и, далее, ее «схлопывание»).
15 10 5 0 -5 -10
V,м, с
1, м
30, 35 0
00,
Рис.3. Распределение аксиальной скорости: ♦ — на расстоянии 2= -0,15 м от оси струи; ■ — на расстоянии 2= -0,1 м от оси струи; ▲ — на расстоянии 2= -0,05 м от оси струи; х — на оси струи; ж — на расстоянии 2= 0,05 м от оси струи; • — на расстоянии 2= 0,1 м от
оси струи; + — на расстоянии 2= 0,15 м от оси струи.
Анализ распределения тангенциальной
составляющей скорости в различных сечениях по длине закрученной струи, представленной в обобщенных координатах У/Утах и 1п(х/хтах) (рис.4), общепринятых для представления таких зависимостей [4, 5, 9, 10] показал, что полученные зависимости имеют одинаковый профиль для любого поперечного сечения струи, но смещаются
вдоль оси абсцисс по мере удаления сечения от начала струи. Сравнение этих графиков с данными с других авторов [1-5, 7, 8] позволяет сделать вывод о совпадении результатов с достаточной точностью. Однако, такое представление не дает возможности проанализировать происходящие в вращающихся струях процессы [10, 11], хотя и удобно для разработки инженерных методик расчетов.
5
Рис.4. Распределение тангенциальной скорости в безразмерных координатах: ♦ — на расстоянии 1 калибра от патрубка;^ — на расстоянии 2 калибров; ▲ — на расстоянии 3 калибров; х
— на расстоянии 4 калибров.
ВЫВОДЫ.
Таким образом, выполненное экспериментальное исследование сильнозакрученной свободной изотермической струи с прецессирующим вихревым ядром показало, что распределение радиальной и тангенциальной составляющих скорости при удалении от среза подающего патрубка имеют максимум, зеркально меняющий свое положение относительно центральной оси с шагом равным 1 калибру вследствие влияния вихревого ядра на структуру потока. Аксиальная составляющая, взятая на различном расстоянии от оси струи, характеризуется наличием на начальном участке положительных и отрицательных скоростей, разделение которых соответствует внешней и внутренней части закрученной струи, при этом изменение скорости по длине струи имеет четыре четко выраженных участка, что обусловлено наличием зоны обратных токов, а изменение скорости по оси струи свидетельствует о нелинейном изменении формы данной зоны.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А. Гупта, Д.Лилли, Н.Сайред. Закрученные потоки: Пер. с англ. /А.Гупта, Д.Лилли, Н.Сайред. -М.: Мир, 1987,—588с.
2. Найденов Г.Ф. Газогорелочные устройства с регулируемыми характеристиками факела. - К.: Техшка, 1974. - 112 с.
3. Сабуров Э.Н. Циклонные нагревательные устройства с интенсивным конвективным теплообменом. - Архангельск: Сев-зап. кн. из-во, 1995. - 341 с.
4. Устименко Б.П. Процессы турбулентного переноса во вращающихся течениях. - Алма-Ата: Наука, 1977. - 228 с.
5. Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков.—К.: Наукова думка, 1989.—192 с.
6. Алексеенко С.В. Введение в теорию концентрированных вихрей /С.В. Алексеенко, П.А.Куйбин, В.А.Окулов.-Новосибирск:Институт теплофизики СО РАН, 2007. - 507с.
7. Штым А.Н., Воротников Е.Г., Распутин О.В., Штым К. А. Опыт освоения вихревой технологии сжигания твердого топлива // Энергетик.- 2011.-№9.- с.23-25.
8. Штым А.Н., Штым К.А., Дорогов Е.Ю. Котельные установки с циклонными предтопками: монография / А.Н. Штым, К.А. Штым, Е.Ю. Дорогов; Дальневос.федерал.ун-т.- Владивосток: Изд-во дом Дальневос.федерал.ун-та, 2012.-421 с.
9. Быстров Ю.А., Исаев С.А., Кудрявцев Н.А., Леонтьев А.И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб. / СПб.: Судостроение, 2005.-392 с.
10. Гримитлин А.М., Дацюк Т.А., Денисихина Д.М. Математическое моделирование в проектировании систем вентиляции и кондиционирования: монография / А.М.Гримитлин, Т.А. Дацюк, Д.М. Денисихина.- СПб : АВОК Северо-Запад, 2013. - 192 с.
11.Юрченко О., Любарец А., Дихтярь Т., Зайцев О. Экспериментальные исследования колебаний скорости в сильнозакрученной газовой струе с прецессирующем вихревым ядром // Труды международной конференции «Энергия -2010», Lublin: Motrol, 2010, сб. № 12С, с.266-272
REFERENCES
1. A. Gupta, D. Lilley, N. Sired. Swirling flows: TRANS. from English. /A. Gupta, D. Lilley, N. Sired. -M.: Mir, 1987,—588c.
2. Naidenov, G. F. gas burner device with adjustable characteristics of the torch. - K.: Techno, 1974. - 112 p.
3. Saburov E. N. Cyclone heating device with intensive convective heat transfer. - Arkhangelsk: North-West. kN. in, 1995. - 341 p.
4. Ustimenko B. P. the Processes of turbulent transfer in rotating flows. - Alma-ATA: Nauka, 1977. -228 p.
5. Khalatov A. A. Theory and practice of swirling flows.—K.: Naukova Dumka, 1989.-192 C.
6. Alekseenko S. V. introduction to the theory of concentrated vortices /S. V. Alekseenko, P. A. Kuibin, V. A. Okulov.-Novosibirsk:Institute of Thermophysics SB RAS, 2007. - 507c.
7. Stem A. N., E. Vorotnikov, O. V. Rasputin, Shtym K. A. Experience of development of vortical
technology of burning of a solid fuel // energetic.- 2011.-No. 9.- p. 23-25.
8. Stem A. N., Shtym K. A., E. Y. Dorogov Boilers with cyclone predoplaty: monograph / A. N. Stim, K. A. Stam, E. Yu. Dorogov; Delnevo.fed.Univ. of Illinois -Vladivostok: Publishing house Dalnevost.fed.University press, 2012.-421 S.
9. Bystrov Y. A., Isaev S. A., Kudryavtsev N. A. Leont'ev A. I. Numerical simulation of vortex intensification of heat exchange in packages of tubes. / SPb.: Shipbuilding, 2005.-392 p.
10. Grimitlin, A. M., T. A. Datsyuk, Deniskina D. M. Mathematical modeling in the design of systems of ventilation and conditioning systems: monograph / A. M. Grimitlin, T. A. Datsyuk, D. M. Deniskina.- St. Petersburg : AVOK Severo-Zapad, 2013. - 192 p.
11. Yurchenko O., Lyubartsev A., Dihtjar ' T., Zaitsev O. Experimental study of fluctuations of velocity in silkscreen gas jet with precancerous vortex kernel // Proceedings of the international conference "Energy -2010", Lublin: Motrol, 2010, SB No. 12C, pp. 266-272
Zaitsev O.N., Stepantsova N.A, Averkova O.A., Logachev K.I., Uvarov V.A. INVESTIGATION OF A FREE SPINDLE CAGE PRECESSING VORTEX NUCLEI
Summary. The results of an experimental investigation of a strongly wound free isothermal jet with a precessing vortex core are presented. It was found that the distribution of the radial and tangential velocity components when moving away from the cutoff of the delivery branch pipe has a maximum that mirrors its position relative to the central axis in steps of 1 gauge due to the influence of the vortex core on the flow structure. It is shown that the axial component taken at different distances from the axis of the jet is characterized by the presence of positive and negative velocities in the initial section, the separation of which corresponds to the outer and inner parts of the swirling jet, while the velocity variation along the length of the jet has four distinct sections, zones of reverse currents, and the change in velocity along the axis of the jet indicates a nonlinear change in the shape of this zone. Key words: swirling jet, aerodynamics, precession of the vortex core.
