Способ ламинаризации турбулентного потока сплошной среды и устройство для его осуществления

 

Использование: в энерготехнике. Сущность изобретения: площадь поперечного сечения турбулентного потока плавно уменьшают по ходу движения потока. Поток подают по траектории в виде винтовой линии. Продольная ось канала с площадью поперечного сечения, плавно уменьшающая по ходу движения потока, расположена по винтовой линии с монотонно увеличивающимся или уменьшающимся шагом. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к энергетике, в частности касается способа и устройства для ламинаризации турбулентного потока сплошной среды.

Изобретение может быть использовано в различных гидравлических и газодинамических системах везде, где требуется обеспечить пропуск больших расходов сплошной среды через малые поперечные сечения с высокой эффективностью, то есть с малыми потерями. Кроме того, изобретение может найти применение в двигателях внутреннего сгорания, различных горелочных и топочных устройствах и технологических установках и устройствах, использующих плазму, а также в различных химических реакторах и аналитических приборах, где требуется свести к минимуму перемешивание жидкостей или газов в потоке.

Известен способ ламинаризации турбулентного потока сплошной среды, при котором площадь поперечного сечения турбулентного потока сплошной среды плавно уменьшают по ходу движения потока . Этот способ осуществляют в устройстве, представляющем собой конфузор с прямолинейной продольной осью симметрии, то есть канал, площадь поперечного сечения которого плавно уменьшается по ходу движения потока. При этом действительно обеспечивается превращение турбулентного потока в ламинарный. Однако при таком способе ламинаризация обеспечивается только в случае, если выполняются соотношения (ν/u²)du/dx≥ 3,7·10^-6 (1) Re_D ≅ 5·10⁴, (2) где ν кинематическая вязкость сплошной среды; u(x) зависимость линейной скорости потока от координаты x вдоль продольной оси потока; Re_D число Рейнольдса по эквивалентному диаметру сечения потока.

Указанные условия ограничивают пропускаемый расход по верхнему пределу ввиду того, что ламиниризация обеспечивается лишь при определенных произведениях приращения линейной скорости потока на длину участка потока, на котором происходит краткое изменение сечения потока. Так, например, для турбулентного потока воздуха при скорости порядка 10 м/с расстояние, на котором поперечное сечение потока изменится в два раза, не должно превышать 0,3 м. Для воды эти цифры будут 1 м/с и 0,2 м. Однако по условию (2) такая длина может быть использована только в определенном диапазоне Re_D. Иными словами, указанный способ ламинаризации ограничен определенными геометрическими и расходными параметрами турбулентного потока, что не позволяет универсально применять его в различных областях техники.

В основу изобретения положена задача создания способа и устройства для ламинаризации турбулентного потока сплошной среды, при котором траекторию и поперечное сечение потока формируют таким образом, чтобы обеспечить эффективное затухание вихревых течений любых сплошных сред при любых расходах и геометрических параметрах потока, не приводящих к разрыву сплошности сплошной среды или ее околозвуковому течению.

Поставленная задача решается тем, что в способе ламинаризации турбулентного потока сплошной среды, при котором площадь поперечного турбулентного потока сплошной среды плавно уменьшают по ходу движения потока, в соответствии с изобретением турбулентный поток сплошной среды подают по траектории в виде винтовой линии.

При таком способе обеспечивается затухание вихревых течений в каналах указанной формы, что приводит к устойчивой ламинаризации турбулентного потока при любых параметрах потока.

Поставленная задача также решается тем, что в устройстве для ламинаризации турбулентного потока сплошной среды, содержащем канал с площадью поперечного сечения, плавно уменьшающейся по ходу движения потока, в котором в соответствии с изобретением продольная ось канала расположена по винтовой линии.

При таком устройстве обеспечивается затухание вихревых потоков в каналах указанной формы, что приводит к устойчивой ламиниризации турбулентного потока при любых параметрах потока.

Продольная ось канала может быть расположена по винтовой линии с монотонно увеличивающимся шагом. При этом обеспечивается выпуск потока из устройства с уменьшенной закруткой.

Продольная ось канала может быть расположена по винтовой линии с монотонно уменьшающимся шагом. При этом обеспечивается сопряжение выхода устройства с криволинейной частью приемного тракта или увеличения закрутки потока на выходе из устройства.

На фиг. 1 представлена схема, иллюстрирующая осуществление предлагаемого способа; на фиг. 2 устройство для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 - вариант устройства с увеличивающимся шагом продольной оси канала.

Как показано на фиг. 1, поток А сплошной среды направляют по траектории 0-0, представляющей собой винтовую линию с шагом t. Поток сплошной среды движется по этой траектории таким образом, что его поперечное сечение плавно уменьшается по ходу движения потока. Этого можно достичь, направляя поток по конфузорному каналу или же сжимая поток другими средствами, например электромагнитным полем.

При движении по описанной траектории с плавным уменьшением поперечного сечения потока в нем затухают вторичные вихревые течения, благодаря чему происходит устойчивая ламинаризация потока. Указанный процесс происходит при любых параметрах (n /u²) du/dx и Re_D, при этом скорость ограничена разрывом сплошности для жидкостей и околозвуковыми скоростями для газов.

Как показано на фиг. 2, устройство для ламинаризации турбулентного потока сплошной среды представляет собой канал 1 с площадью поперечного сечения, плавно уменьшающейся по ходу движения потока (фиг. 3, 4). Продольная ось О₁-O₁ канала 1 расположена по винтовой линии. Шаг t этой винтовой линии монотонно уменьшается по ходу движения потока, то есть t₁>t₂. При этом обеспечивается сопряжение выхода 2 устройства с криволинейной частью приемного тракта (не показано) или увеличение закрутки потока на выходе из устройства.

Как показано на фиг. 5, устройство имеет аналогичную конструкцию, где одинаковые элементы обозначены теми же позициями. Отличие состоит в том, что продольная ось O₁-O₁ канала 1 расположена по винтовой линии, шаг t которой монотонно увеличивается по ходу движения потока, то есть t₃<t. При этом обеспечивается выпуск потока из устройства с уменьшенной закруткой.

Работа описанных выше вариантов устройств ничем не отличается от того, что изложено в описании предлагаемого способа, приведенном выше.

Формула изобретения

1. Способ ламинаризации турбулентного потока сплошной среды, при котором площадь поперечного сечения турбулентного потока сплошной среды плавно уменьшают по ходу движения потока, отличающийся тем, что турбулентный поток сплошной среды подают по траектории в виде винтовой линии.

2. Устройство для ламинаризации турбулентного потока сплошной среды, содержащее канал с площадью поперечного сечения, плавно уменьшающейся по ходу движения потока, отличающееся тем, что продольная ось канала расположена по винтовой линии.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что продольная ось канала расположена по винтовой линии с монотонно увеличивающимся шагом.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что продольная ось канала расположена по винтовой линии с монотонно уменьшающимся шагом.

РИСУНКИ

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