Способ управления профилем скорости в потоке текучей среды и устройство для его осуществления

 

Использование: в производстве электронной техники для защиты сварочных поверхностей, в медицинской технике. Сущность изобретения: создают ламинарный поток на входе в рабочую камеру, ускоряют его за счет поджатия с помощью вкладыша и формируют результирующее распределение скоростей при последующем расширении потока в зазоре между поверхностью вкладыша и проницаемой перегородкой. С помощью перегородки на выходе из камеры дросселируют поток непосредственно после расширения. При формировании результирующего распределения скоростей воздействуют на расширенный поток через поверхность вкладыша, обращенную к перегородке, обеспечивая безотрывность обтекания поверхности вкладыша. Для осуществления способа на входе рабочей камеры корпуса размещен формирователь ламинарного потока, на выходе - дроссель в виде проницаемой перегородки. Вкладыш установлен в камере с образованием участка сужения со стороны входа в камеру и участка расширения в виде зазора между перегородкой и обращенной к ней поверхностью вкладыша. Поверхность вкладыша, обращенная к перегородке, выполнена выпуклой. Расстояние между ними выбрано из условия безотрывности потока. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к гидро-, аэродинамике и может быть использовано в различных отраслях техники, использующих ламинарные потоки текучих сред, например в производстве электронной техники для защиты сверхчистных поверхностей, в медицинской технике в абактериальных камерах.

Уровень техники в данной области характеризуется тем, что известен способ управления потоком и устройство для его осуществления, при котором формируют ламинарный поток путем пропускания текучей среды через установленные в рабочей камере пористые проницаемые перегородки [1] Техническими недостатками известного технического решения являются случайный характер возникающего профиля скорости и неустойчивость ламинарного течения, связанна с турбулизацией на границе потока.

Известен также способ управления профилем скорости в потоке текучей среды, при котором создают ламинарный поток на входе в рабочую камеру, ускоряют его за счет поджатия с помощью вкладыша и формируют результирующее распределение скоростей при последующем расширении потока в зазоре между поверхностью вкладыша и проницаемой перегородкой, с помощью которой на выходе из камеры дросселируют поток непосредственно после расширения [2] Из того же источника информации известно устройство для управления профилем скорости в потоке текучей среды, содержащее корпус с рабочей камерой, на входе которой размещен формирователь ламинарного потока, а на выходе дроссель в виде проницаемой перегородки, и вкладыш, установленный в камере с образованием участка сужения со стороны входа в камеру и участка расширения в виде зазора между проницаемой перегородкой и обращенной к ней поверхностью вкладыша.

Техническими недостатками данного технического решения являются неплавный характер профиля скорости и неустойчивость ламинарного течения, приводящая к резкому изменению профиля скорости на небольшом расстоянии от выхода из рабочей камеры.

Целью изобретения является получения устойчивого на значительном расстоянии плавного и управляемого профиля скорости в потоке текучей среды.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе управления профилем скорости в потоке текучей среды, при котором создают ламинарный поток на входе в рабочую камеру, ускоряют его за счет поджатия с помощью вкладыша и формируют результирующее распределение скоростей при последующем расширении потока в зазоре между поверхностью вкладыша и проницаемой перегородкой, с помощью которой на выходе из камеры дросселируют поток непосредственно после расширения, при формировании результирующего распределения скоростей воздействуют на расширяемый поток через поверхность вкладыша, обращенную к проницаемой перегородке, обеспечивая при этом безотрывность обтекания указанной поверхности вкладыша, причем воздействуют на поток за счет изменения кривизны поверхности вкладыша и (или) за счет подвода текучей среды через поверхность вкладыша или отвода текучей среды через поверхность вкладыша.

При этом в устройстве для управления профилем скорости в потоке текучей среды, содержащем корпус с рабочей камерой, на входе которой размещен формирователь ламинарного потока, а на выходе дроссель в виде проницаемой перегородки, и вкладыш, установленный в камере с образованием участка сужения со стороны входа в камеру и участка расширения в виде зазора между проницаемой перегородкой и обращенной к ней поверхностью вкладыша, поверхность вкладыша, обращенная к проницаемой перегородке, выполнена выпуклой, а расстояние между ними выбрано из условия безотрывности потока при его обтекании указанной поверхности вкладыша, формирователь ламинарного потока выполнен в виде дополнительной проницаемой перегородки, устройство снабжено диффузором с выпуклыми к оси потока стенками, установленным непосредственно перед формирователем ламинарного потока, а вкладыш выполнен, например, полым с гибкой стенкой и снабжен механизмом изменения кривизны упомянутой поверхности, обращенной к проницаемой перегородке и (или) в стенке, упомянутая поверхность которой обращена к проницаемой перегородке, выполнены отверстия для подачи или отбора текучей среды.

На фиг.1 изображено устройство для управления профилем скорости в потоке рабочей среды; на фиг.2 устройство с вкладышем переменной кривизны; на фиг.3 устройство с вкладышем, в стенке которого выполнены отверстия для подачи или отбора текучей среды; на фиг.4, 5 профили скорости V в потоке текучей среды.

Устройство содержит корпус 1 прямоугольного (фиг.1, 2) или круглого (фиг.3) сечения с рабочей камерой (не обозначена), на входе которой размещен формирователь ламинарного потока в виде пористой дополнительной проницаемой перегородки 2 (однорядной или многорядной), а на выходе дроссель в виде пористой проницаемой перегородки 3, и вкладыш 4, установленный в камере с образованием участка 5 сужения со стороны входа в камеру и участка расширения в виде зазора 6 между перегородкой 3 и обращенной к ней поверхностью 7 вкладыша 4. Поверхность 7 выполнена выпуклой, расстояние между ней и перегородкой 3 выбрано, например, эмпирически из условия безотрывности потока при его обтекании повеpхности 7. Противоположная поверхность вкладыша 4 может быть другой формы. На фиг.2, 3 устройство снабжено диффузором 8 с выпуклыми к оси потока стенками 12, установленным непосредственно перед перегородкой 2. На фиг.2 вкладыш 4 выполнен полым с гибкой стенкой и снабжен кулачковым механизмом 9 изменения кривизны поверхности 7. На фиг.3 вкладыш 4 имеет форму кольца и выполнен полым, а в стенке, поверхность 7 которой обращена к перегородке 3, выполнены расположенные рядами по окружности отверстия 10 для подачи или отбора текучей среды. В последнем случае текучая среда поступает в корпус 1 через отверстие 11 (фиг.3). Проницаемые перегородки 2, 3 выполнены с равномерной структурой, например в виде набора тканых сеток в рамке с размером ячеек 0,2-0,3 мм. Для фиксации положения перегородок 2,3 в корпусе 1 имеются прокладки 13-15. Перегородка 2 может иметь вспомогательные ряды 16 таких же сеток, т.е. быть многорядной.

Способ управления профилем скорости в потоке текучей среды реализуется устройством для управления профилем скорости в потоке текучей среды следующим образом.

Поток текучей среды, например газ, подаваемый на вход в камеру 1, протекает через перегородку 2, с помощью которой упорядочивается структура потока, т. е. создается ламинарный поток, который ускоряется в камере 5 сужения за счет поджатия с помощью вкладыша 4 с одновременным частичным гашением возмущений в потоке газ. Диффузор 8 позволяет уменьшить потери на входе устройства и сократить его габариты. После ускорения поток его расширяют в зазоре 6 между перегородкой 3 и обращенной к ней поверхностью 7 вкладыша 4 и дросселируют поток на выходе из камеры 1 с помощью перегородки 3. Поскольку расстояние между поверхностью 7 и перегородкой 3 выбрано из условия безотрывности, расширяемый поток плавно растекается в зазоре 6, обтекая безотрывно поверхность 7, кривизна которой задает распределение давления в потоке перед перегородкой 3, определяя у свою очередь формирующееся в зазоре 6 результирующее распределение скоростей. Получаемый после дросселирования через перегородку 3 профиль скорости (фиг.4,5), т.е. закон изменения скорости по высоте поперечного сечения потока, имеет во всех случаях (фиг.1-3) плавный характер, монотонно возрастающий или убывающий при выполнении устройства согласно фиг.1,2. Таким образом получают ламинарный поток с плавным профилем в поперечном сечении, устойчиво сохраняющимся на длине, многократно превышающей поперечные размеры потока, например, на длине 1,0 м при толщине слоя текучей среды 0,05 мм. Для того, чтобы в процессе работы можно было изменять профиль скорости на выходе устройства, необходимо воздействовать на распределение давления в зазоре 6, определяющее распределение скоростей в объеме текучей среды, заключенном в зазоре 6. Такое воздействие реализуется через поверхность 7 вкладыша 4. Полый вкладыш 4 с гибкой стенкой (фиг.2) позволяет изменять кривизну поверхности 7 за счет перемещения кулачкового механизма 9, изгибающего гибкую стенку. Изменение кривизны поверхности 7 должно быть таким, чтобы не нарушалась безотрывность обтекания этой поверхности.

В результате на выходе из устройства после перегородки 3 изменяется профиль скорости в потоке текучей среды, сохраняются ламинарность и устойчивость на необходимой длине.

Воздействие на распределение параметров потока через поверхность 7 можно оказывать, подавая или отбирая часть текучей среды через отверстия 10, 11 из объема, заключенного в зазоре 6. Стабилизировав подачу или отбор среды через отверстия 10, можно стабилизировать профиль скорости, а плавно изменяя подаваемое или отбираемое количество текучей среды, можно плавно изменять профиль скорости, получающийся в устройстве по фиг.3 симметричным относительно оси потока.

Таким образом данное изобретение позволяет решить поставленную техническую задачу получения устойчивого на значительном расстоянии, плавного и управляемого профиля скорости в потоке текучей среды.

Формула изобретения

1. Способ управления профилем скорости в потоке текучей среды, при котором создают ламинарный поток на входе в рабочую камеру, ускоряют его за счет поджатия с помощью вкладыша и формируют результирующее распределение скоростей при последуещем расширении потока в зазоре между поверхностью вкладыша и проницаемой перегородкой, с помощью которой на выходе из камеры дросселируют поток непосредственно после расширения, отличающийся тем, что при формировании результирующего распределения скоростей воздействуют на расширяемый поток через поверхность вкладыша, обращенную к проницаемой перегородке, обеспечивая при этом безотрывность обтекания указанной поверхности вкладыша.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействуют на поток за счет изменения кривизны поверхности вкладыша.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что воздействуют на поток за счет отвода текучей среды через поверхность вкладыша.

4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что воздействуют на поток за счет подвода текучей среды через поверхность вкладыша.

5. Устройство для управления профилем скорости в потоке текучей среды, содержащее корпус с рабочей камерой, на входе которой размещен формирователь ламинарного потока, а на выходе дроссель в виде проницаемой перегородки, и вкладыш, установленный в камере с образованием участка сужения со стороны входа в камеру и участка расширения в виде зазора между проницаемой перегородкой и обращенной к ней поверхностью вкладыша, отличающееся тем, что поверхность вкладыша, обращенная к проницаемой перегородке, выполнена выпуклой, а расстояние между ними выбрано из условия безотрывности потока при его обтекании указанной поверхности вкладыша.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что формирователь ламинарного потока выполнен в виде дополнительной проницаемой перегородки.

7. Устройство по пп.5 и 6, отличающееся тем, что оно снабжено диффузором с выпуклыми к оси потока стенками, установленными непосредственно перед формирователем ламинарного потока.

8. Устройство по пп.5 7, отличающееся тем, что вкладыш выполнен полым с гибкой стенкой и снабжен механизмом изменения кривизны упомянутой поверхности, обращенной к проницаемой перегородке.

9. Устройство по пп.5 7, отличающееся тем, что вкладыш выполнен полым, а в стенке, упомянутая поверхность которой обращена к проницаемой перегородке, выполнены отверстия для подачи или отбора текучей среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5