Способ устранения турбулентности в течениях с вращением

Изобретение относится к способам уменьшения интенсивности турбулентности в течениях с вращением вплоть до полного ее устранения и может использоваться в технологиях обработки жидких металлов и расплавов, например при центробежном литье металлов и сплавов, а также выращивании монокристаллов из жидких расплавов и растворов. Для устранения турбулентности в течениях между двумя вращающимися коаксиально расположенными телами вращения к внешнему телу вращения применяют механическое воздействие, обеспечивающее модуляцию угловой скорости вращения тела во времени по синусоидальной зависимости относительно среднего ненулевого значения с выполнением соотношения fm<0.1fr, где fm - частота модуляции, fr - средняя частота вращения тела. Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого технического решения, заключается в полном устранении турбулентности потока и переводе его в режим ламинарного течения. 1 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к способам уменьшения интенсивности турбулентности в течениях с вращением вплоть до полного ее устранения, и может использоваться в технологиях обработки жидких металлов и расплавов, например, при центробежном литье металлов и сплавов, а также выращивании монокристаллов из жидких расплавов и растворов.

Такая необходимость возникает, например, при выращивании кристаллов по методу Чохральского с размещением затравливающего кристалла в тигле с переохлажденным расплавом и равномерным разнонаправленном вращении тигля с расплавом и затравливающего кристалла под действием приводов [1]. Турбулентность в таких случаях может приводить к замешиванию газа, посторонних примесей и/или их неравномерному распределению, что ухудшает качество готовой продукции. Таким образом, для применения метода Чохральского необходимы средства, снижающие турбулентность, в наилучшем варианте, приводящие к ее полному устранению. Так устранение турбулентности способствует скорости роста кристаллов.

Уровень техники

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ управления турбулентностью потока [2], обеспечивающий, в том числе, и снижение турбулентности. Согласно известному способу, управление турбулентностью потока, обтекающего поверхность, осуществляют воздействием на процесс преобразования энергии в потоке текучей среды за счет введения возмущений во внутреннюю часть граничного слоя путем механического воздействия на поток, за счет относительного движения поверхности в обтекающем потоке, звуковых сигналов, а также переменного магнитного поля, возмущения модулируют, а спектр возмущений содержит длины волн в диапазоне размеров завихрений мелкого и промежуточного масштабов.

Недостатками такого способа являются:

- не определена применимость для турбулентности потока, не обтекающего поверхность, а генерируемой вращающейся поверхностью;

- не определены возможности полного устранения турбулентности.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в устранении недостатков, присущих прототипу за счет создания способа, обеспечивающего возможность снижения турбулентности потока между двумя вращающимися телами вращения, вплоть до полного ее устранения.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого технического решения, заключается в полном устранении турбулентности потока и перевода его в режим ламинарного течения.

Поставленная задача решается тем, что для устранения турбулентности в течениях между двумя вращающимися коаксиально расположенными телами вращения, к внешнему телу вращения применяют механическое воздействие, обеспечивающее модуляцию угловой скорости вращения тела во времени по синусоидальной зависимости относительно среднего ненулевого значения с выполнением соотношения

fm<0.1fr, где fm - частота модуляции, fr - средняя частота вращения тела.

В качестве механического воздействия на тела вращения используют электропривод с модуляцией скорости вращения.

Технический результат достигается за счет преобразования энергии в потоке текучей среды и введением возмущений в поток путем механического воздействия стенки тела вращения.

Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Модуляция скорости вращения обеспечивает изменение структуры турбулентного течения. При этом кинетическая энергия течения в меридиональной плоскости изменяется во времени хаотически, тогда как кинетическая энергия азимутального движения (вокруг оси вращения), начиная с определенной амплитуды модуляции, может перейти к периодической зависимости от времени. Как возможность уменьшения турбулентных пульсаций, так и возможность полного устранения турбулентности определяются соотношением между частотой вращения и частотой модуляции. Указанное выше соотношение в виде fm<0.1fr. обеспечивает возможность снижения интенсивности турбулентности и/или ее полного устранения с наименьшими амплитудами модуляции. Все указанные выше отличительные признаки заявляемого изобретения являются необходимыми для его реализации и способствуют устранению турбулентности под действием модуляции скорости вращения.

Переход от хаотического к периодическому характеру изменения кинетической энергии азимутального движения означает подавление турбулентных пульсаций в этом направлении. Происходит переход к квазидвумерной турбулентности с обратным каскадом передачи энергии турбулентности от меньших масштабов к большим. Возможность формирования такого обратного каскада определяется соотношением между величинами частот вращения fr и модуляции fm. Установлено, что при соотношении fm<0.1fr влияние модуляции наиболее эффективно, поскольку распространяется на все турбулентное течение. В этом случае, в зависимости от амплитуды модуляции, возможен переход как к квазидвумерной турбулентности с соответствующим уменьшением уровня турбулентности, так и формирование ламинарного течения с отсутствием турбулентных пульсаций.

Достижение технического результата основано на следующих эффектах.

Первый эффект - модуляция угловых скоростей вращения по синусоидальному закону при их средних ненулевых значениях для ограничивающих течение поверхностей выступает в качестве внешней вынуждающей силы по отношению к турбулентному течению. Эта внешняя сила вызывает синхронизацию между скоростью поверхности и вращательной (азимутальной) компонентой скорости турбулентного течения. С увеличением амплитуды модуляции синхронизация увеличивается, что приводит к подавлению пульсаций азимутальной компоненты скорости, а значит и к подавлению турбулентности в направлении вращения. Сам способ подавления турбулентности в направлении вращения не зависит от вида и свойств турбулентных течений, а также от вида тел вращения, между которыми формируется такое течение. При изменении вида и свойств турбулентных течений, как и при изменении вида тел вращения, между которыми происходит течение, изменяются только количественные характеристики модуляции (амплитуда и частота), необходимые для устранения турбулентности. Рассматриваемый эффект воздействия силы на течения известен и для плоских течений, где вращение отсутствует: так, воздействие силы в направлении потока приводит к снижению турбулентности [3].

Второй эффект - уровень синхронизации для всего турбулентного течения также зависит от частоты модуляции, поскольку декремент затухания колебаний, определяющий ослабление их амплитуды по мере пространственного удаления от источника, увеличивается с возрастанием частоты.

Осуществление изобретения

Заявляемый способ реализован в модельном эксперименте. В качестве тел вращения использовали коаксиально расположенные сферы (радиусы внутренней и внешней сфер 0.075 м и 0.150 м соответственно). Между сферами размещено силиконовое масло с вязкостью 50*10-6 м2/с. Сферы приводили во вращение электроприводом, включающим в себя два электродвигателя постоянного тока мощностью 400 Вт (по одному на каждую сферу) и систему управления вращением, обеспечивающую заданную (в том числе и периодически изменяющуюся) скорость вращения. При встречном вращении сфер с постоянными угловыми скоростями Ω10=2πf1 для внутренней сферы и Ω20=2πf2 для внешней сферы в сферическом зазоре формируется турбулентное течение в том случае, если величины частот вращения f1 и f2 соответствуют значениям, приведенным ниже в таблице.

Рассматривалось изменение свойств турбулентности в течении при модуляции скорости вращения одной из сфер. Угловая скорость одной из сфер оставалась постоянной и соответствующей приведенным выше величинам, а скорость другой изменялась по закону Ωi(t)=Ωi0(1+Asin(2πfmt+ϕ)), где Ωi(t) - мгновенное значение угловой скорости, Ωi0=2πfr - средняя угловая скорость вращения, А - амплитуда, ϕ - фаза. Свойства турбулентности определялись по измерениям пульсаций скорости лазерным доплеровским анемометром в направлении вращения. Результаты таких измерений позволили определять интенсивность турбулентных пульсаций по расчету среднеквадратичных отклонений скорости течения от среднего значения (rms). Ниже, в таблице 1 приведены величины среднеквадратичных отклонений скорости, нормированные на аналогичную величину в отсутствие модуляции rms (А=0). Нормированные величины rms получены при различных значениях амплитуды модуляции А, при различных величинах частот вращения внутренней f1 и внешней f2 поверхностей соответственно, знак + обозначает ту угловую скорость, которая подвергается модуляции. До воздействия модуляции течение всегда было турбулентным. Модуляция скорости вращения внутренней сферы приводит к снижению турбулентности (вторая строка таблицы). Как видно из третьей строки таблицы, воздействие модуляции скорости вращения внешней сферы приводит к полному подавлению турбулентности и формированию ламинарного течения. Представленный в третьей строке пример не является единственным случаем, указано только минимальное значение амплитуды модуляции А, которое приводит к полному устранению турбулентности. Повышение величины А по сравнению с представленным в третьей строке значением в рассматриваемом случае модуляции скорости вращения внешней сферы также ведет к формированию ламинарного течения.

Использование предлагаемого изобретения позволяет уменьшать интенсивность турбулентности в течениях с вращением вплоть до полного устранения турбулентности.

Источники информации

1. Нашельский А.Я. Производство полупроводниковых материалов. М., Металлургия, 1989.

2. Левич Е. Способ управления турбулентностью потока // Патент РФ №2085764, 27.07.1997 (Прототип).

3. Не S., Не K., Seddighi М. Laminarisation of flow at low Reynolds number due to streamwise body force // J. Fluid Mech., 2016, vol. 809, pp. 31-71.

Способ устранения турбулентности в течениях между двумя вращающимися коаксиально расположенными телами вращения, отличающийся тем, что к внешнему телу вращения применяют механическое воздействие, обеспечивающее модуляцию угловой скорости вращения тела во времени по синусоидальной зависимости относительно среднего ненулевого значения с выполнением соотношения:

fm<0.1 fr, где fm - частота модуляции, fr - средняя частота вращения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к трубопроводному транспорту углеводородных жидкостей и может быть использовано для увеличения пропускной способности магистрального трубопровода за счет снижения гидравлического сопротивления в нем посредством введения в поток транспортируемой углеводородной жидкости, например нефти или деэтанизированного конденсата противотурбулентной присадки (далее - ПТП).

Изобретение относится к аэродинамике летательных аппаратов сверхзвуковых и околозвуковых скоростей. Способ торможения сверхзвукового потока заключается в создании скачков уплотнения, движущихся относительно обтекаемой поверхности в направлении течения, со значениями скоростей меньшими разницы значений скоростей потока и скоростью звука перед скачками уплотнения.
Изобретение относится к противотурбулентной присадке, содержащей высокомолекулярный полиизобутилен, при этом он представляет собой раствор высокомолекулярного полиизобутилена в смеси органических растворителей, с добавкой индустриального масла и 1,2-эпоксипропана, при следующем соотношении компонентов, масс.%: высокомолекулярный полиизобутилен 2,0-7,0; нефрас 15-30; уайт-спирит 45-62,5; индустриальное масло 15-20; 1,2-эпоксипропан 0,25-0,75.

Изобретение относится к океанографической технике, а именно - к морским измерительным системам. Измерительная система для исследования мелкомасштабной турбулентности в приповерхностном слое моря содержит стационарную платформу и зафиксированный на заданном горизонте в приповерхностном слое моря приборный контейнер с датчиками, которые подключены к измерительной аппаратуре.

Способ и система предназначены для оптимизации операций изоляции диоксида углерода и направлены на управление рабочими параметрами наземной установки для сжатия диоксида углерода (CO2) или трубопровода для поддержания потока CO2 в жидком или сверхкритическом состоянии при транспортировке к месту изоляции.

Изобретение относится к устройствам для нагнетания текучей среды. Нагнетательный насос с диэлектрическим барьером для ускорения потока текучей среды содержит первый диэлектрический слой, в который встроен первый электрод, и второй диэлектрический слой, в который встроен второй электрод.

Изобретение относится к области гидрогазодинамики и может быть использовано при транспортировке газообразных сред по трубопроводам или при перемещении тел в газообразных средах.

Изобретение относится к области гидрогазодинамики и может быть использовано при транспортировке газообразных сред по трубопроводам или при перемещении тел в газообразных средах.

Изобретение относится к устройствам для распределения газового потока, вводимого в аппарат, и может быть использовано в аппарате для очистки газа от твердых частиц, сушильных установках, приточной вентиляции.

Диффузор // 2384760
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в качестве устройства для профилирования поля скоростей потока жидкости при выполнении функций входной камеры раздачи греющего жидкометаллического теплоносителя по трубам теплообменника.

Описаны способ и система аэро/гидродинамического регулирования потока ньютоновской текучей среды в радиальной турбомашине, которые с использованием конформного вихрегенератора обеспечивают возможность улучшения энергетической эффективности и возможность управления в различных точках в турбокомпрессоре или обрабатывающем устройстве для аэро/гидродинамической обработки потока ньютоновской текучей среды.

Изобретение относится к области транспортировки по трубопроводам вязких нефтепродуктов и жидкостей. Способ заключается в формировании коаксиального концентрического слоя жидкости у внутренней поверхности трубы путем образования ее водного раствора, плотность которого равна плотности перекачиваемых нефти или нефтепродукта, при этом для образования водного раствора в воду предварительно добавляют поверхностно-активное вещество - моноэтаноламин в количестве (0,006-0,014)% массовых и смешивают с хлоридом кальция, взятым в количестве (1,1-20)% массовых.

Трубопровод предназначен для транспортировки текучей среды. Трубопровод (1) имеет цилиндрическую внутреннюю поверхность (2).
Изобретение относится к трубопроводным системам, теплообменному оборудованию и позволяет улучшить гидродинамические и термодинамические характеристики поверхностей изделий из металлов и сплавов.
Изобретение относится к трубопроводной транспортировке жидких сред. .

Изобретение относится к области гидродинамики турбулентных течений, а именно к способам искусственного снижения отрицательной турбулентной вязкости, и может быть использовано во всех отраслях техники, в которых используются турбулентные потоки в трубопроводах.

Изобретение относится к устройствам, снижающим гидравлическое сопротивление трубопровода при перекачивании по нему жидкостей, и может найти применение при гидротранспорте нефтей, масел, растворов, эмульсий, суспензий, воды, расплавов полимеров других ньютоновских и неньютоновских жидких сред.

Изобретение относится к транспортировке высоковязких жидкостей по трубопроводу и может быть использовано в различных отраслях промышленности для транспортировки жидкостей к потребителю, а конкретнее в нефтяной промышленности при перекачке нефти и нефтепродуктов.
Изобретение относится к теплоэнергетике, позволяет повысить экономичность, эффективность, надежность и ресурс трубопроводных систем. .

Изобретение относится к способам уменьшения интенсивности турбулентности в течениях с вращением вплоть до полного ее устранения и может использоваться в технологиях обработки жидких металлов и расплавов, например при центробежном литье металлов и сплавов, а также выращивании монокристаллов из жидких расплавов и растворов. Для устранения турбулентности в течениях между двумя вращающимися коаксиально расположенными телами вращения к внешнему телу вращения применяют механическое воздействие, обеспечивающее модуляцию угловой скорости вращения тела во времени по синусоидальной зависимости относительно среднего ненулевого значения с выполнением соотношения fm<0.1fr, где fm - частота модуляции, fr - средняя частота вращения тела. Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого технического решения, заключается в полном устранении турбулентности потока и переводе его в режим ламинарного течения. 1 табл.

Наверх