CC BY
61
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/
Том 9, №3 (2017) http://naukovedenie.ru/vol9-3 .php
URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/21TVN317.pdf
Статья опубликована 18.05.2017
Ссылка для цитирования этой статьи:
Орехов Г.В. Контрвихревые течения и их использование на практике // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №3 (2017) http://naukovedenie.ru/PDF/21TVN317.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
УДК 532.517.2
Орехов Генрих Васильевич
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский московский государственный строительный университет»
Москва, Россия1
Профессор кафедры «Гидравлики и гидротехнического строительства»
Доктор технических наук, доцент E-mail: orehov_genrih@mail.ru
Контрвихревые течения и их использование на практике
Аннотация. Рассмотрены особенности контрвихревых течений жидкости и обусловленные ими перспективы использования на практике. Данный вид течений является искусственно созданным и характеризуется сложной пространственной формой распределения компонент скоростей и специфическими структурными параметрами. Даётся описание примерной схемы организации контрвихревых течений в круглоцилиндрической камере. Рассмотрены характерные профили структурных параметров исходных высокоскоростных циркуляционно-продольных течений, являющихся основой формирования контрвихревых течений. Приведены примеры распределения аксиальных и меридианальных скоростей в камере взаимодействия, полученные расчётным путем для ламинарного режима движения и на физической модели с помощью современной лазерной аппаратуры. Сравниваются вихревые структуры различных видов течений: продольных, циркуляционно-продольных и контрвихревых. Отмечаются чрезвычайно высокие значения коэффициентов гашения начальной энергии потока и гидравлического сопротивления всей системы. Показаны результаты расчётного сравнения коэффициентов гидравлического сопротивления двух способов гашения избыточной энергии потока: внезапное расширение и контрвихревое взаимодействие. Сформулированы и обобщены основные особенности контрвихревых течений. На этом основании предложены некоторые практические приложения: в гидротехническом строительстве и системах аэрации водных масс.
Ключевые слова: гидравлика; циркуляционные течения жидкости и газа; взаимодействующие противоположно вращающиеся коаксиальные слои; распределение компонент скоростей; структура течения; гашение энергии потока; особенности контрвихревых течений; гидротехнические водосбросы; аэрационные системы
Для решения инженерных гидравлических задач необходимы точные сведения о характеристиках того или иного вида течения жидкости или газа, позволяющие правильно их учитывать при проектировании и эксплуатации промышленных устройств. Настоящая статья
1 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26
посвящена контрвихревым течениям и выявлению тех особенностей, которые могут быть использованы на практике при создании различных сооружений, устройств и аппаратов технологических процессов.
Закрученные потоки жидкости и газа нашли широкое применение в современной технике благодаря многим своим аэродинамическим, термодинамическим и гидромеханическим качествам, позволяющих многократно интенсифицировать процессы энерго-, массо- и теплообмена [12]. Значительный импульс по развёртыванию дальнейших исследований в этой области дало предложение использовать коаксиально расположенные, взаимодействующие, противоположно закрученные - потоки [1]. Это обстоятельство выдвинуло перед исследователями задачи научного анализа сложного гидродинамического явления, которое мы называем контрвихревое течение. Предложение об использовании взаимодействующих закрученных потоков были вызвано поиском путей интенсификации способов перемешивания жидкостей и газов и гашения избыточной кинетической энергии высокоскоростных потоков воды в водосбросах гидроузлов с большим напором [7]. В этой связи следует упомянуть работы отечественных исследователей [4-8], которые отмечали, что поток воды при движении от верхнего бьефа в нижний может гасить свою энергию либо путем выполнения полезной работы (установка гидротурбины), либо путем преодоления реактивных сил, которые возникают при его прохождении через гасители (при этом кинетическая энергия потока превращается в тепло).
Цель настоящего исследования - показать возможности практического применения устройств и сооружений, использующих эффекты контрвихревых течений.
Контрвихревое течение - пространственное неравномерное течение с взаимодействующими, противоположно вращающимися, коаксиально расположенными в цилиндрическом канале, слоями жидкости или газа. В отличие от широко распространённых в природе и технике продольных и циркуляционно-продольных течений контрвихревые течения в природе не встречаются. Они характеризуются сложной формой распределения компонент скоростей и специфическими структурными параметрами.
Контрвихревое течение - термин, сформировавшийся в отечественной научно-технической и нормативной литературе в процессе изучения данного явления [1, 8]. В лаконичное словосочетание - контрвихревое течение - вложен глубокий смысл тех гидродинамических процессов, которые происходят в этом потоке. Он отражает тот факт, что в круглоцилиндрической камере встречаются и начинают взаимодействовать два или более продольно-циркуляционных слоёв жидкости или газа, которые образуют в проточной части начальные вихри, масштаб которых сравним с исходными, противоположно закрученными коаксиальными слоями. В цилиндрической камере происходит наложение этих слоёв, их пространственное взаимодействие, создается высокий градиент окружных скоростей по радиусу, практически стремящийся к бесконечности в поперечном сдвиговом слое на границе макровихрей. В результате такой суперпозиции взаимодействующих слоёв возникает сложное пространственное течение, обладающее характерными особенностями, отличными от всех других известных течений. В процессе этого возникает интенсивный массо- и энергообмен внутри всего объёма жидкости за счёт искусственно созданной турбулентности. Первоначальные макровихри, равные диаметрам противоположно вращающихся слоёв, начинают генерировать вторичные вихри более мелкого масштаба, при этом энергия начального течения коаксиальных противоположно закрученных слоёв через вихревые течения переходит в энергию искусственной турбулентности высокой степени интенсивности [2, 12]. В этом смысле рассматриваемое течение является контрвихревым (с противоположно вращающимися вихрями разного масштаба) на всём протяжении своего существования, вплоть до полного его вырождения и перехода в обычное продольное равномерное течение. Каскадная
структура вихрей довольно быстро распадается за счёт диссипации энергии, поэтому контрвихревое течение неравномерное, затухающее. Устройства, использующие эффекты контрвихревого течения, называются контрвихревыми устройствами или сооружениями. Например, гидротехнический водосброс, использующий характерные особенности контрвихревого течения, называется контрвихревым водосбросом.
На рисунке 1 приведена одна из возможных схем организации двуслойного контрвихревого течения в круглой цилиндрической камере (трубе). Весь проточный тракт условно разделен на четыре зоны: А, В, С и Б.
и 'Щ
Рисунок 1. Примерная схема организации контрвихревого течения к круглоцилиндрической камере. Двуслойное течение. Зона А - напорное продольное течение; зона В - циркуляционное и продольно-циркуляционное безнапорное течение; зона С - контрвихревое течение; зона Б -продольное безнапорное равномерное течение в нижнем бьефе; 1 - напорный патрубок; 2, 3, 4 - подводящие трубопроводы; 5 - закручивающее устройство внутреннего циркуляционно-продольного слоя; 6 - закручивающее устройство внешнего циркуляционно-продольного слоя;
7 - промежуточный патрубок; 8 - камера взаимодействия; 9 - центральный патрубок;
10 - запорные устройства [7]
Устройство, реализующее такое течение, состоит из подводящего напорного трубопровода 1 (рисунок 1) с начальными параметрами: напором - H и расходом - Q. Общий расход Q делится на две части с помощью трубопроводов 2 и 4, которые подводят жидкость к закручивающим устройствам 5 и 6. В зоне А, к которой относим поток в подводящих трубопроводах до их выходных сечений, расположенных в контрвихревом устройстве, существует напорное равномерное движение жидкости. С помощью запорных устройств 10 общий расход Q может регулироваться.
Закручивающие устройства 5 и 6 могут быть любого типа и конструкции, в зависимости от конкретной задачи: тангенциальный, лопаточный, щелевой, шнековый, ленточный. Применительно к гидротехническим объектам, как правило, применяются тангенциальные
завихрители бескамерного и цилиндрического типов, а также диагональные [1]. На данной схеме в качестве закручивающих устройств показаны тангенциальные завихрители с одноподводной спиралью (сечения и т-т). Завихрители формируют на выходе из спиральных камер продольно-циркуляционные слои жидкости (зона В), которые встречаются друг с другом в круглой цилиндрической камере смешения 8 диаметром Дк. При взаимодействии противоположно закрученных и коаксиально расположенных слоёв жидкости формируется контрвихревое течение, которое распространяется на всю длину зоны С. Поперечное сечение п-п иллюстрирует циркуляцию взаимодействующих слоёв в её начале. К концу участка зоны С контрвихревое течение вырождается и переходит в обычное продольное турбулентное течение. На схеме рисунка 1 на участке Д изображен, в качестве примера, переход контрвихревого течения в камере 8 в безнапорное течение в канале с расходом Q, образующее нижний бьеф гидротехнического сооружения. Однако выход потока из камеры 8 может быть и в виде истечения в атмосферу.
Как видно, имеется несколько форм движения транзитного потока, принципиально отличающихся друг от друга. Первоначальный поток, поступающий в контрвихревое устройство, претерпевает ряд последовательных трансформаций: исходное напорное равномерное продольное течение (зона А) переходит в циркуляционное и равномерное циркуляционно-продольное течение (зона В), а затем в неравномерное контрвихревое (зона С). В результате затухания последнего поток возвращается к равномерному продольному течению (зона Д).
Рассмотрим более подробно характер и основные особенности течений в зоне В и С.
В зоне В исходные потоки, подводимые водоводами 2 и 4, пройдя завихрители 5 и 6 формируют два циркуляционно-продольных течения [3]. Первый расположен в круглом цилиндрическом патрубке 7 диаметром Дт и длиной ¡1 (рисунок 1) и создаёт внутренний вращающийся слой контрвихревого течения. Второй расположен в более коротком патрубке длиной ¡2, диаметр которого совпадает с диаметром Дк камеры взаимодействия. Он создаёт наружный вращающийся слой последующего контрвихревого течения. Формы и характер циркуляционно-продольных течений в зоне В могут быть различные, однако многочисленными экспериментами установлено [6], что наиболее подходящим для реализации контрвихревых течений является циркуляционно-продольное слои, соответствующие модели квазипотенциального течения.
Такие высокоскоростные турбулентные закрученные потоки приобретают свойства невязких безвихревых (потенциальных) течений. Безвихревое течение несовместимо с вязкостью, другими словами, для вязкой (реальной) жидкости безвихревое (потенциальное) движение невозможно. Несмотря на это на практике нередко реализуется именно это наиболее простое циркуляционно-продольное движение благодаря тому, что при больших скоростях течения или значительных габаритах сооружений или технологического оборудования (например, крупные водосбросные гидротехнические системы) числа Рейнольдса очень высокие и, следовательно, силы вязкости малы по сравнению с другими силами. На самом деле закрученный поток реальной жидкости в действительности всюду вихревой. Однако возрастание чисел Рейнольдса в турбулентных потоках за счёт роста скоростей движения может рассматриваться как снижение влияния сил вязкости. Здесь речь может идти о почти потенциальности - квазипотенциальности течения. В таких высокоскоростных потоках за счёт больших центробежных ускорений по оси вращения формируется цилиндрическая полость -вихревой жгут переменного по длине канала радиуса тР1, Гр2 (сечения/-/и т-т) [6]. Осевой жгут может быть заполнен газом (воздухом) или парами самой жидкости. По этой причине его иногда называют кавитационной полостью. Таким образом, живое сечение высокоскоростного закрученного потока является кольцевым, находящимся между стенками канала и вихревым
жгутом, а само течение является безнапорным со свободной поверхностью на границе вихревого жгута. На рисунке 2 показаны распределения по радиусу основных параметров потока, соответствующих модели квазипотенциального течения:
н 4 Ux JУ Ч ш \ V
£ о:
Рисунок 2. Характерные профили структурных параметров высокоскоростного закрученного в цилиндрическом канале [11]
• постоянство вдоль текущего радиуса циркуляции окружных скоростей,
Г(r) = 2жгщ.
• постоянство вдоль текущего радиуса удельной энергии потока
p U2 __
E (r) = —I---П = Const Т т Г~2 2 2
р 2 ГТ1Р U = V ur + ив +U2 .
j где ;
• постоянство вдоль текущего радиуса осевых скоростей течения
ux (r) = Q =-= V = Const
X S n(R2 -r2p) ,
• зависимость ue от радиуса кругового канала
Г
ив =
2жЯ
Здесь: ад - окружная компонента скорости течения, ад - радиальная составляющая, ад -осевая составляющая, направленная вдоль оси канала, P - давление, U - полная скорость течения, П - потенциал внешних массовых сил, р - плотность, £ - площадь живого сечения потока, Я - радиус кругового канала, Гр - радиус вихревого жгута.
В зоне С формируется само контрвихревое течение. Взаимодействие противоположно закрученных слоёв начинается со створа, проходящего по срезу внутреннего патрубка 7 (линия б-б на рисунке 1). На этом участке имеется течение со сложной структурой. Распределение (нормированных по среднерасходной скорости) азимутальных (окружных) ив и аксиальных (продольных) их скоростей показано на рисунке 3. Представленные распределения скоростей по радиусу и длине активной зоны получены теоретическим путём для ламинарного режима течения при Яе = 500 (число Рейнольдса определено по Дк) [4]. Показано контрвихревое
течение с примерно равными моментами вращения противоположно закрученных
М1 = -Ып
коаксиальных слоев
! 2
Рисунок 3. Распределение расчётных нормированных скоростей в ламинарном контрвихревом течении: а - азимутальных ив, б - аксиальных Ux. Расчётные параметры контрвихревого течения: начальная циркуляция на входе в камеру Го = -1,1; начальная угловая скорость вращения жидкости йоо = 3.8; начальное значение числа Россби Ro*=0 [3]
Контрвихревое течение (в пределах активной зоны С) трансформируется в продольное, то есть в течение без закрутки (рисунок 3, а), где длина интенсивной вязкой диффузии циркуляции взаимодействующих слоев примерно равна 40-ка радиусам трубы. Факт интенсивной диффузии циркуляции очевиден, ибо определяется взаимным гашением коаксиальных противоположно закрученных слоев. Этому способствует каскадная структура вихревых полей, которая, как говорилось выше, формируется в контрвихревых течениях. В распределениях аксиальных скоростей Ux в сечениях, близких к началу активной зоны, в приосевых слоях можно наблюдать возвратное течение со значительными отрицательными скоростями (рисунок 3, b). Рециркуляционные зоны существуют и в циркуляционно-продольных течениях жидкости и газа. Эти зоны являются характерной особенностью любых закрученных потоков [10, 16]. За пределами возвратного приосевого течения в толще потока аксиальные скорости существенно выше средней (нормированное значение V=1), чем поддерживается баланс объемного расхода. Возвратное приосевое течение при контрвихревом взаимодействии двух коаксиальных слоев существует на участке длиной до двадцати радиусов камеры взаимодействия. Изменение числа Рейнольдса за счет вязкости жидкости, скорости течения или размеров трубы прямо пропорционально отражается на протяженности участка возвратного течения.
В ряде предшествующих работ [1, 7, 13] было показано, что при расчете турбулентных циркуляционно-продольных течений жидкости достаточно хорошую сходимость с экспериментальными данными получают при использовании турбулентного аналога числа Рейнольдса, вычисляемого по вихревой вязкости турбулентной среды
Re, = VR = iß ' е, хП ,
где: 8t - вихревая вязкость, X - коэффициент гидравлического сопротивления по длине, X = 0.2 - универсальная постоянная (для воды).
Если в реальных условиях коэффициент X изменяется в пределах 0.011-0.03, то турбулентное число Рейнольдса будет иметь значения в диапазоне Ret = 80 - 135. Сопоставляя с полученными результатами, нетрудно видеть, что при контрвихревом взаимодействии
турбулентных закрученных потоков длина активной зоны сократится в 3,5 - 6 раз, т.е. составит примерно 7 - 11 радиусов канала.
Измерения на физических моделях показали, что распределения компонент скоростей в области взаимодействия противоположно закрученных слоёв дают схожую с теоретической картину течения [7, 9]. На рисунке 4 в качестве примера приведены эпюры аксиальных их и азимутальных ив, скоростей на различной длине камеры взаимодействия. Измерения производились с помощью метода трассёрной визуализации потока (РГУ метод). Комплекс аппаратуры, реализующий данный метод, позволяет получать поля скоростей ламинарных и турбулентных потоков газов и жидкостей. При исследованиях устанавливался турбулентный режим течения с Яв = 6.9 105. Показанные специфические распределения скоростей на длине активной зоны придают контрвихревому течению ряд особенностей, а скоростная структура контрвихревого течения кардинально отличается от всех известных видов течений.
Рисунок 4. Распределение азимутальных и аксиальных скоростей на физической модели: а - азимутальных ив; Ь - аксиальных их [7]
Развитую ячеистую структуру вихревых полей невозможно наблюдать ни в продольно-осевых течениях, где генерирование завихренности исключительно одного знака обусловлено только вязким торможением жидкости в пристенном слое, ни в циркуляционно-продольных течениях с однонаправленной закруткой слоев, в которых имеются две зоны генерации вихрей взаимно противоположного знака: пристенная область вязкого торможения, как в осевом потоке, и приосевая вихревая зона в ядре течения [1, 14, 15]. Таким образом, структура конрвихревых течений формируется под преобладающим воздействием внутренних процессов в зонах генерации каскадных вихревых полей, обусловленных силами вязкости. В целом это кардинальное отличие контрвихревых течений от циркуляционно-продольных и продольно-осевых. Сравнение показывает, что контрвихревые течения обладают исключительно высоким значением вихревой интенсивности. Генерируемые на входе в активную зону азимутальные (^вЦ и аксиальные (то1,хЦ вихри достигают значений более 500 расчётных нормированных единиц (ламинарный режим течения). Это в несколько раз превышает максимальные значения вихревых полей, генерируемых при тех же числах Рейнольдса в циркуляционно-продольных течениях с любой степенью закрутки потока, и, тем более, в продольных течениях, где единственная продольная компонента rotхU = 4 (на два порядка меньше контрвихревых). Такой характер течения порождает искусственную интенсивную турбулентность. В начале зоны С максимум стандарта пульсаций давления составляет 9-10%, что в 4-5 раз превышает значение обычного продольного течения, которое составляет примерно 2%. Уровень пульсаций скорости в начальном створе камеры взаимодействия достигает чрезвычайно высоких значений, равных ое = 0,8 в азимутальном и Ох = 0,55 в аксиальном направлениях. Процессы интенсивного турбулентного массо- и энергообмена при контрвихревом течении являются результатом
„ = Ып / Г ч
исключительно высоких градиентов угловых скоростей ( и ).
Надо отметить, что рассматриваемые характеристики не зависят от внешних условий, поскольку определяются полем массовых центробежных сил, формируемых циркуляционно-продольными слоями жидкости из которых состоит контрвихревое течение.
Одним из наиболее важных практических вопросов, возникающих при рассмотрении характеристик контрвихревых устройств, это их энергогасящая способность. Энергогасящая способность может определяться коэффициентом гашения энергии, приведенным к общему напору на закручивающих устройствах
7 = 1 -
V2
2
где: V - среднерасходная скорость течения, Н - общий напор, определяемый как разность давлений в потоках перед закручивающими устройствами (зона А) и в отводящем канале (зона V на рисунке 1).
Кроме коэффициента гашения энергии эффективность контрвихревых систем может оцениваться также традиционным методом через коэффициент гидравлического сопротивления
2 ^е
я = -
V2
где: Д^б - суммарные гидравлические потери проточного тракта, включающего зоны В и С на рисунке 1.
На рисунке 5 показан график, иллюстрирующий зависимость коэффициента гашения и гидравлического сопротивления контрвихревого течения в функции числа Рейнольдса и значения вакуума в приосевой зоне течения.
Результаты исследований показывают, что эффективность гашения энергии потока при взаимодействии коаксиальных противоположно закрученных потоков весьма высока, достигая на исследованных моделях и натурных объектах максимальных значений, равных п = 90-99% от напора. Причём длина Ьк, на которой происходит полное гашение энергии, сравнительно небольшая и составляет для многочисленных исследованных физических моделей порядка 6-8 Дк/2. Коэффициент гашения энергии может регулироваться в зависимости от поставленных задач в довольно широком диапазоне. На рисунке 5 показаны графики, иллюстрирующие зависимости коэффициента гашения энергии потока п и коэффициента гидравлического сопротивления £ от масштаба Л физической модели.
(Л) и $ = /(Л)
Рисунок 5. Полученные автором рависимости 7 •
На рисунке 6 представлены экспериментальные зависимости коэффициентов гидравлического сопротивления и гашения энергии контрвихревого течения от относительного вакуума в осевой зоне контрвихревого течения.
Рисунок 6. Полученные автором зависимости
д = / (Р0/ рИ) и 7 = / (Ро/яИ)
Можно видеть, что относительный вакуум в осевой зоне контрвихревого течения сильно влияет на коэффициент гидравлического сопротивления всей системы. На графике показана зависимость £ = ДРо^Щ для двух режимов: 1 - работают два трубопровода 2 и 4; 2 - работают три трубопровода 2, 4 и центральный 3 (рисунок 1).
Как уже отмечалось давление в циркуляционном потоке снижается к оси вращения, где может наблюдаться вакуум. Вакуум может быть глубоким до давления паров насыщения (физический предел), когда возникает разрыв потока в виде полого вихревого жгута. Эти явления связаны с центробежными силами, обеспечивающими положительный радиальный градиент давления и стремящимися разорвать циркуляционный поток в центральной (приосевой) зоне, отбросив его к периферии - к стенкам цилиндрического канала. При формировании контрвихревого течения с помощью двух циркуляционно-продольных слоёв образуется две области с давлением ниже атмосферного. Эти области с давлением Р01 и Р02 показаны на рисунке 1 пунктирными линиями. При больших напорах и высоких скоростях движения жидкости глубокие вакуумы в приосевой зоне контрвихревого течения - явление вполне закономерное, в то время как на моделях при относительно невысоких скоростях движения модельного потока появление предельных вакуумов невозможно. В натурных условиях высоконапорных водосбросов при напорах более 50 м вакуум может достигать абсолютного значения (-98,1 кПа), при этом относительный вакуум достигает значения Ро/pgH = -0.2. Структуры и динамика циркуляционного течения без жгута (то есть течения, при котором поток заполняет все сечение водовода) и со жгутом кардинально разнятся. Поэтому при моделировании контрвихревого течения необходимо обеспечивать относительные вакуумы в приосевой зоне потока такими же, как на натурном объекте, а также моделировать саму полость вихревого жгута. И то и другое моделируется впуском воздуха в приосевую зону контрвихревого течения. Например, если в процессе экспериментов установлено, что в приосевой области модельного контрвихревого течения вакуум в пересчете на натурный объект превышает физически возможный, то регулируемым впуском воздуха вакуум на модели необходимо снизить до требуемых по масштабному пересчету значений, при этом, как показала практика, линейные размеры вихревого жгута на модели также приходят в масштабное соответствие с размерами жгута на натуре.
На основании сказанного выше можно сформулировать основные особенности контрвихревых течений:
• чрезвычайно высокая степень гашения энергии потока за счёт сил вязкости, самая высокая из всех известных видов течений;
• вихревая каскадная структура во всём объёме течения с высокой степенью вихревой интенсивности, которая на два порядка превосходит интенсивность в обычных продольных течениях;
• высокая интенсивность искусственной турбулентности, при которой пульсации скорости и давления превосходят в 4-5 раз аналогичные значения в обычных продольных течениях;
• наличие вакуума в осевой зоне контрвихревого течения, который можно регулировать в зависимости от поставленной задачи;
• низкая кавитационная активность, которая в основном проявляется в толще жидкости и не вызывает кавитационную эрозию;
• чрезвычайно высокая степень массо и энергообменных процессов и связанная с ней высокая перемешивающая способность.
Перечисленные характеристики контрвихревых течений и особенности структурных параметров обеспечивают эффективность их применения на практике в самых разных отраслях современной техники и технологических процессах. Объём одной статьи недостаточен для описания всех возможных практических применений контрвихревых течений. Остановимся кратко на рассмотрении двух из них: гаситель избыточной энергии потока воды для гидротехнических водосбросов, аэратор для улучшения санитарного состояния воды и смеситель.
Начало исследований контрвихревых течений было связано с разработкой эффективных способов гашения избыточной кинетической энергии холостого потока воды на высоконапорных гидротехнических водосбросах [13]. Поэтому гидротехнические контрвихревые гасители применительно к гидротехническим водосбросам были наиболее изучены. Сравнение водосбросов с использованием контрвихревых гасителей энергии потока имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными схемами. Представляет интерес сопоставление эффективности гашения энергии потока воды в контрвихревом водосбросе и в гасителях иных типов, например, в гасителе с внезапным расширении потока в напорной водобойной камере. Такой гаситель применен на ГЭС Mica (Канада). Его эффективность можно оценить коэффициентом гидравлического сопротивления, рассчитанным согласно формуле Борда
ív Л2 —2 -1
V —2 )
здесь: 51 - суммарная площадь сечений перекрываемых затворами водоводов (сжатое водопропускное сечение) и 52 - площадь сечения напорной водобойной камеры (широкое сечение).
Применительно к контрвихревому водосбросу эти сечения равны
5! = п5Т = пп^Т и 52 = лЯ1
где: п - общее количество работающих водоводов; 5т - площадь поперечного сечения одного трубопровода; Ят и Як - радиусы трубопроводов и камеры взаимодействия.
Здесь надо пояснить, что в данном сравнительном эксперименте в контрвихревом гасителе использовались трёхзаходные спиральные закручивающие устройства, поэтому каждый из трубопроводов 2 и 4 (рисунок 1) разветвлялся ещё на три трубопровода по числу заходов в каждое закручивающее устройство. На разных режимах работы различным было и количество работающих трубопроводов внешнего и внутреннего закручивающих устройств. Режим работы, определяемый количеством полностью отрытых трубопроводов, обозначался числом, где первая цифра равна числу открытых трубопроводов внешнего закручивающего
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №3 (май - июнь 2017)
http://naukovedenie.ru publishing@naukovedenie.ru
устройства, вторая - трубопроводов внутреннего закручивающего устройства и третья обозначала режим работы центрального трубопровода. Например, запись 231 означает, что при данном режиме открыты два трубопровода внешнего циркуляционно-продольного потока (п1 = 2), три водовода внутреннего циркуляционно-продольного потока (П2 = 2), и центральный трубопровод; 330 - открыты три трубопровода внешнего закручивающего устройства и три трубопровода внутреннего закручивающего устройства (п1 = П2 = 3), а центральный водовод закрыт
Тогда формула Борда примет вид
Я =
( п2 Л Rk 1
ynRl j
Результаты сравнения приведены в таблице.
Таблица
2
Режим работы модели контрвихревого гасителя n Коэффициент гидравлического сопротивления Z
Внезапное расширение (ГЭС Mica) Контрвихревой гаситель
330 6 0.25 4.61
230 5 0.64 8.26
130 4 1.56 17.80
220 4 1.56 13.53
120 3 4.00 25.06
110 2 12.25 45.68
331 7 0.08 1.89
231 6 0.25 2.54
131 5 0.64 3.38
221 5 0.64 3.04
121 4 1.56 4.66
111 3 4.00 7.11
Из таблицы можно видеть, что контрвихревой способ гашения энергии транзитного потока имеет существенно более высокую эффективность в сравнении с внезапным расширением. Причем разница между эффективностью контрвихревого гасителя и гасителя по Борда тем заметнее, чем больше соотношение S2/S1. Кроме того, для эффективной работы контрвихревого гасителя не требуется подтопления выходного сечения камеры смешения, в то время как напорная водобойная камера ГЭС Mica непременно должна иметь низовую отбойную бетонную стенку с оборудованными в ней водопропускными отверстиями с дополнительными затворами.
Контрвихревые течения широко применяются в системах аэрации [1] для улучшения качества воды в открытых водоёмах на естественных и урбанизированных территориях. Контрвихревой аэратор использует особенности контрвихревого течения, связанные с вихревой структурой течения и, как следствие, чрезвычайно высокой искусственной турбулентностью всего потока. Наличие вакуума в осевой зоне формирует эжектирующий эффект и создаёт возможность самотёком транспортировать воздух в жидкую фазу. В камере взаимодействия за счёт вихреобразования и турбулентности происходит дроблении воздуха на мелкие пузырьки (0,3-2 мм), что приводит к многократному увеличению площади контакта газовой и жидкой фаз. Это в свою очередь интенсифицирует процесс растворения кислорода воздуха в водных массах, насыщая их кислородом, а за счёт массобменных процессов
распределяет по всему аэрированному объёму. Внутреннее давление в пузырьках малого
диаметра за счет действия сил поверхностного натяжения
Р = 20
РПУЗ.В =
ГП
больше, чем в крупных пузырьках, и тем легче находящийся в них кислород растворяется в жидкости. Здесь а - коэффициент поверхностного натяжения, гп - радиус пузырька воздуха.
Отношение объемного расхода воздуха QA к расходу проходящей через аэратор воды Q характеризуется коэффициентом эжекции
кл = Оа
А О ,
который может доходить для контрвихревых аэраторов до Аа = 2.
Затраты механической энергии потока характеризуют и эффективность контрвихревых смесителей, показывая полезно использованную на перемешивание потоков жидкости (жидкостей) энергию. Смесители жидких сред могут широко использоваться в технологических схемах различных отраслей техники.
В заключении надо отметить, что контрвихревые течения могут применятся для распыливания жидкого топлива, перемешивания и диспергирования жидкостей, формирования аэрозолей, формирования факела пламени, классификации дисперсных материалов и их сушки, обезвоживания, деаэрации, охлаждения и нагревания, дисциляции и очистки (ректификации рабочих жидкостей), пыле- золоулавливания, генерирования пара, разделения суспензий, абсорбции материалов, сепарации материалов, возбуждения механических колебаний и достижения многих других технологических целей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ахметов В.К., Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Орехов Г.В. / Моделирование и расчет контрвихревых течений. М.: Изд-во МГСУ. 2012. 252 с.
2. Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Орехов Г.В., Чурин П.С. Пропуск холостых расходов через турбинный блок средне- или высоконапорной ГЭС // Гидротехническое строительство. 2013. №4. с. 51-56, №5. с. 32-40.
3. Зуйков А.Л. Профили тангенциальных скоростей в циркуляционном течении в трубе // Вестник МГСУ. 2009. №3. С. 195-199.
4. Зуйков А.Л., Орехов Г.В., Волшаник В.В. Распределение азимутальных скоростей в ламинарном контрвихревом течении // Вестник МГСУ. 2013. №5. С. 150-161.
5. Зуйков А.Л. Функция тока и зона рециркуляции в ламинарном течении с закруткой // Вестник МГСУ. 2009. №Б2. С. 91-95.
6. Зуйков А.Л. Распределение продольных скоростей в циркуляционном течении в трубе // Вестник МГСУ. 2009. №3. С. 200-204.
7. Капустин С.А., Орехов Г.В., Чурин П.С., Экспериментальные модельные исследования контрвихревых течений // Интернет-журнал Науковедение. 2013. №4 (17). С. 52.
8. Карелин В.Я., Кривченко Г.И., Мордасов А.П., Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Ахметов В.К. Физическое и математическое моделирование систем гашения энергии в вихревых водосбросах // В книге: Физическое и математическое моделирование гидравлических процессов при исследовании крупных гидроузлов комплексного назначения «МГ-89» Тезисы научно-технического совещания в г. Дивногорск в 1989 г. Ленинград. Изд-во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 1989. С. 11-12.
9. Churin Р., Kapustin S., Orehov G., Poddaeva O. Experimental Studies Counter Vortex Flow Modeling // 2013. №4. С. 51-56, №5 С. 32-40. Applied Mechanics and Materials. - 2015. Vol. 756. - P. 331-335.
10. Chao Y.C. Recirculation structure of the coannular swirling jets in a combustor // AIAA J., 1988, V. 26, No. 5, pp. 623-625.
11. Hashimoto H. Swirling flow accompanied by cavity in circular tube // Reports of institute of hight speed mechanics Tohoku university. - 1968. -No. 19. - pp. 241-257.
12. Gan L., Baqui Y.B., Maffioli A. An experimental investigation of forced steady rotating turbulence // European Journal of Mechanics-B/Fluids. - 2016. - V. 58. - pp. 59-69.
13. Krivchenko G.I., Mordasov A.P., Kviatkovskaya E.V., Volshanik V.V., Zuykov A.L., Levanov A.V. Energy dissipators for high-pressure water discharge structures, based on interaction coaxial swirled flows // Proc. 20 IAHR Congr., Moscow, 1983, V. 7, pp. 464-467.
14. Mattingly J.D., Oates G.S. An Investigation of the Mixing of Co-annular Swirling Flows // AIAA paper. - 1985. - No. 85-0186. - p. 15.
15. Nan Gui. Numerical Study of Vortex Evolution and Correlation between Twin Swirling Flows // Advanced Materials Research, 2012, Vol. 516 - 517, pp. 976-979.
16. Parra-Santos T. et al. Swirl Influence on Mixing and Reactive Flows // ASME 2016 Fluids Engineering Division Summer Meeting collocated with the ASME 2016 Heat Transfer Summer Conference and the ASME 2016 14th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels. - American Society of Mechanical Engineers, 2016. - Pp. V01BT24A001-V01BT24A001.
Orekhov Genrikh Vasil'evich
National research university Moscow state university of civil engineering, Russia, Moscow
E-mail: orehov_genrih@mail.ru
Counter-vortex flows and their use in practice
Abstract. The features of the counter-vortex fluid flows and the prospects for their use in practice are discussed. This type of flow is artificially created and is characterized by a complicated spatial form of distribution of velocity components and specific structural parameters. The description is given of an approximate scheme for organizing counter-vortex flows in a circular-cylindrical chamber. The characteristic profiles of the structural parameters of the initial high-velocity circulation-longitudinal currents being the basis of formation of counter-vortex flows, are considered. Examples of distribution of axial and meridian velocities in the interaction chamber obtained by calculation for laminar motion and on a physical model using up-to-date laser equipment are given. Vortex structures of various types of currents are compared: longitudinal, circulation-longitudinal and counter-vortex. Extremely high values of the initial flow energy dissipation and hydraulic resistance factors of the entire system are noted. The results of computational comparison of the hydraulic resistance factors of two methods of flow excess energy dissipation are shown: sudden expansion and counter-vortex methods. The main features of counter-vortex flows are formulated and generalized. On this basis, some practical applications have been proposed: in hydro engineering construction and aeration systems for water masses.
Keywords: hydraulics; circulation flows of fluid and gas; interacting oppositely rotating coaxial layers; distribution of velocity components; flow structure; flow energy dissipation; features of counter-vortex currents; hydraulic spillways; aeration systems
