Новые способы формирования закрученных течений

Владимир Хаустов

Новые способы формирования закрученных течений

Введение

Вихревая динамика жидкостей и газов – одно из наиболее сложных и, в то же время, фундаментальных направлений современной прикладной физики, механики и инженерной науки. Изучение структурированных закрученных потоков – от простейших спиральных струй до сложных тороидальных, самоподдерживающихся многомерных вихревых образований – представляет не только теоретический интерес, но и даёт огромный потенциал для практического применения в самых разных областях техники, энергетики, промышленности и естественных наук.

Тема искусственного управления закрученными потоками в последние десятилетия особенно актуализировалась в свете задач, связанных с энергосбережением, эффективным теплообменом, турбулентным и ламинарным смешиванием, плазменными технологиями, микрофлюидикой, а также развитием новых нетрадиционных средств движения (в том числе и безлопастных) и направленного импульсного воздействия на среду.

Одним из ключевых средств управления движением газов и жидкостей в открытых и полузамкнутых потоках является завихритель – относительно простое по форме, но сложное по воздействию устройство, предназначенное для передачи закрученного движения потоку среды.

Несмотря на кажущуюся простоту, при правильной геометрии и соблюдении оптимальных параметров, завихритель способен инициировать устойчивые вихревые образования, которые могут само организовываться, сохранять форму на значительных расстояниях и интенсивно обмениваться энергией с окружающей средой.

Предложены новые типы закручивающих устройств.

Опираясь на собственные экспериментальные наблюдения, автор последовательно рассматривает:

– Геометрию и кинематику новых закрученных структур;

– Особенности возбуждения вихрей в различных направлениях – вертикально, радиально, аксиально;

– Использование импульсного и непрерывного режимов для генерации вихревых структур;

– Средства визуализации и диагностики сформированных вихревых полей;

– Аналогии с природными вихревыми явлениями – смерчами, торнадо, океаническими вихрями, атмосферными куполами.

1. Типы открытых (свободно распространяющихся) закрученных течений

Открытые закрученные течения представляют собой особый класс движений жидкостей или газов, при которых частицы среды движутся по спиралевидным или вихревым траекториям в открытом пространстве, без физического ограничения стенками или каналами.

Такие течения могут наблюдаться как в естественных условиях (атмосферные вихри, водовороты, вулканические извержения), так и в технических системах (вихревые насосы, аэродинамические установки, устройства для турбулентного смешивания и т.д.). Главное отличие открытых течений – их способность к свободному распространению и само поддержке за счет внутренних сил и условий окружающей среды.

В зависимости от характера конфигурации вращения, распределения скоростей и геометрии движения среды, такие течения условно классифицируют на два основных типа:

А) Условно одномерные закрученные течения.

Этот тип вихревых потоков характеризуется тем, что основное вращательное движение среды происходит вокруг одной доминирующей оси (прямолинейной или радиальной), вдоль которой также осуществляется поступательное распространение потока. Термин «одномерные» используется здесь условно – он отражает преобладающую направленность вращения и упрощённую пространственную структуру потока.

Б) Условно многомерные закрученные течения.

В этих течениях среда участвует во вращении одновременно вокруг нескольких осей, которые могут быть параллельными, пересекающимися или даже динамически меняющими своё взаимное расположение. Характерной чертой многомерных вихревых потоков является сложная внутренняя топология движения, присутствие нескольких центров вращения и неоднородность распределения скоростей и давлений.

1.1. Условно одномерные закрученные течения

Условно одномерным закрученным течением называют открытое течение среды, движущейся по спирали вокруг воображаемой оси, направленной прямолинейно или радиально. Такие течения характеризуются доминирующим вращением вокруг одной оси и могут рассматриваться как упорядоченные спиральные движения.

Особенности одномерных закрученных течений:

– Спиральное или винтовое движение частиц среды вокруг оси потока;

– Относительно симметричная структура движения;

– Простая локализация центра вращения;

– Локальное давление ниже, чем в окружающей среде (из-за центробежного разрежения);

– Возможность устойчивого самостоятельного распространения вне зависимости от внешних ограничений.

Примером радиального закрученного течения служит простое вихревое кольцо. Это кольцевая форма движения жидкости или газа, при котором вещество закручивается вокруг самого себя, формируя тороидальную структуру типа «бублика». Обычно такие потоки возникают при быстром прохождении сферического или каплевидного объема вещества в относительно неподвижной среде. Различия в скоростях движения внутренних и внешних слоёв создают условия для тороидального завихрения. В физическом смысле вихревое кольцо – это автономная область вращающейся среды, перемещающаяся сквозь окружающее вещество при сохранении общей структуры.

Одномерные потоки достаточно хорошо поддаются математическому моделированию (например, уравнениями Навье–Стокса с осевой симметрией), и на их основе разрабатываются промышленные вихревые аппараты – циклоны, сепараторы, сжигатели и т.д.

1.2. Условно многомерные закрученные течения

В условно многомерных закрученных течениях поток вращается не просто вокруг одной оси, а вовлечён в более сложное движение – например, одновременное вращение вокруг нескольких параллельных или пересекающихся осей, которые в свою очередь могут описывать совместное движение вокруг общего центра. Такая структура напоминает многожильную канатную свивку и часто отличается высокой степенью устойчивости и сложности.

Рис. № 1. Тороидально-вихревые закрученные течения.

Особенности многомерных закрученных течений:

– Одновременное вращение вокруг нескольких осей или центра масс;

– Комбинация тангенциальной, радиальной и аксиальной составляющих скорости;

– Взаимодействие и перекрестный перенос импульса между различными частями потока;

– Большая зависимость от начальных и граничных условий, высокая чувствительность к возмущениям;

– Возможность турбулентного режима и формирования сложных структур, в том числе рекурсивных (многоуровневых).

Наиболее ярким природным примером многомерного открытого закрученного течения является торнадо. В нём одновременно присутствуют:

– Осевая циркуляция (вдоль основной вертикальной оси явления);

– Тангенциальное вращение воздушных масс;

– Радиальные и спиральные компонент движения воздуха, обладающих значительными градиентами давления и температуры.

Такие сложные многомерные вихревые структуры интересны как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения, например, для создания новых типов энергоэффективных устройств, средств фильтрации, ускорителей химических реакций и т.п.

По мере дальнейшего изложения будут рассмотрены методы искусственного формирования вихревых потоков, условия их устойчивости, а также оценка возможных применений в различных технических и исследовательских направлениях.

2. Способы формирования закрученных течений

Формирование закрученных течений ― то есть таких, в которых поток сохраняет преимущественно продольную направленность с наложением вращательного компонента ― может быть реализовано двумя принципиально различающимися физическими способами:

1) Форсированное (прямоточное) формирование закрученного потока:

Формирование закрученного течения осуществляется за счёт прохождения потока среды (жидкости или газа) сквозь стационарное закручивающее устройство. При этом сам источник закрутки остается неподвижным. За счёт геометрии, структуры и расположения закручивающих элементов поток приобретает тангенциальную составляющую скорости, образуя спиральное движение.

Такой способ можно назвать реактивным или статическим ― используется во множестве промышленных устройств: от циклонных сепараторов и пылеулавливателей до форсунок турбулентного распыления, и вихревых горелок.

Характерные черты форсированного формирования:

– Среда активно нагнетается внешним источником давления (компрессор, насос, вентилятор);

– Закручивание осуществляется при прохождении через фиксированные элементы (лопатки, спирали, жёлоба, ленточные вставки);

– Направления и интенсивность закрутки зависят от конструкции элементов (угол наклона, шаг, ориентация, симметрия);

– Возможна гибкая регулировка путём изменения подачи и скоростного режима через устройство.

2) Динамическое (активное) возбуждение закрученного течения:

В данном способе закручивающее устройство само совершает движение внутри покоящейся или медленно движущейся среды (например, воды или воздуха). За счёт собственного вращения и воздействия на соседнюю массу среды возникает закрученный поток, который следует за движущимися элементами или образуется в создаваемом ими следе.

Данный принцип можно описать как «вихреобразующее движение тела в среде». Он активно используется в таких системах, как:

– Погружные вихревые насосы;

– Аппараты принудительного перемешивания;

– Роторные пастеризаторы;

– Механические генераторы вихрей (в том числе бионические конструкции, имитирующие плавники или крылья, создающие вихревой шлейф).

Особенности динамического формирования:

– Источником кинетической энергии служит движение самого возбуждающего элемента (не обязательно поток среды);

– Могут использоваться как одиночные, так и многовитковые/многолопастные устройства (гребёнки, винтовые системы, логарифмические спирали);

– Закрученный поток появляется как реакция на механическое воздействие тела на среду;

– В условиях жидкости может сохраняться вихревой след после прекращения движения устройства – эффект остаточного движения.

Таким образом, оба способа формирования линейных закрученных течений построены на использовании закручивающего устройства, но различаются физической природой возбуждения потока: в первом случае энергия передаётся через среду форсированным движением, во втором – непосредственно от движущегося тела.

Примеры реализации закручивающих устройств будут рассмотрены в последующих пунктах. В зависимости от требований к создаваемому потоку (скорость, устойчивость, мерность, энергетика), подбирается соответствующая конструкция завихрителя, его расположение, геометрия и схема возбуждения.

В целом, выбор метода формирования линейного закрученного течения зависит от:

– Характера целевого применения (энергетика, сепарация, смешивание);

– Типа отражающей среды (газ, жидкость);

– Необходимой степени закрутки (интенсивность тангенциальной составляющей);

– Наличия или отсутствия внешнего источника давления или привода.

Таким образом, понимание различий между форсированным и динамическим возбуждением потока позволяет более целенаправленно проектировать вихревые системы и адаптировать их под нужные процессы.

3. Статические закручивающие устройства нового типа

Закручивающие устройства представляют собой специализированные элементы (статические или динамические), предназначенные для преобразования линейного (чаще ламинарного) потока среды в поток с закрученной (вихревой) структурой. Основная функция этих устройств – создание тангенциальной компоненты скорости в потоке, то есть момента закручивания, вследствие чего формируются спиральные, вихревые или тороидальные структуры движения.

Физическая сущность действия закручивающего устройства заключается в передаче дополнительного импульса частицам среды в направлении, отличном от их первоначального движения. Это приводит к отклонению траектории потока от прямолинейной, а в дальнейшем – к двум или более степеням свободы в его движении (осевая + тангенциальная; тангенциальная + радиальная и т.д.).

1. Основные функции закручивающих устройств:

– Возбуждение вихря в потоке;

– Преобразование ламинарного или турбулентного потока в упорядоченное спиральное течение;

– Повышение интенсивности тепло- и массообмена;

– Создание условий для формирования тороидальных и многомерных вихрей;

– Структурирование потока (вихревые ячейки, многожильные вихри);

– Управление траекторией, направлением и срывом потока;

– Подготовка потока к фазовому превращению, разделению, смешиванию или химической реакции.

Конструктивные исполнения классических закручивающих устройств рассматривать здесь не будем. Они широко представлены в современной технической литературе.

Последующие разделы содержат примеры реализации новых типов закручивающих устройств, их сравнительный анализ и экспериментальные характеристики.

3.1. Статическая система ленточных бес корпусных завихрителей

Предлагается система генерации закрученного (вихревого) потока на основе применения множества размещённых в пространстве ленточных завихрителей без корпусного ограничения. В отличие от классических устройств, где вихрь образуется за счёт прохождения воздуха через один компактный закручиватель, в данном случае основным рабочим элементом выступает целая система ленточных завихрителей, размещённых в виде так называемой спиральной гребёнки.

Функциональная основа работы заключается в преобразовании прямолинейного (ламинарного) воздушного потока в многомерную вихревую структуру путём его прохождения через неподвижную систему закручивающих элементов, установленную согласно потоку строго по его оси.

Конструктивное исполнение

Система представляет собой статически размещённую спиральную гребёнку, состоящую из множества одинарных ленточных завихрителей, равномерно распределённых по сечению канала и направленных вдоль вектора движения потока. Все элементы конструкции ориентированы соосно движению среды, обеспечивая согласованную трансформацию вектора скорости при прохождении потока через зону завихрения.

Такое размещение способствует формированию устойчивого, интенсивного и на больших расстояниях сохраняющегося вихревого потока, обладающего следующими ключевыми характеристиками:

– Многомерная структура с наличием тангенциальной, аксиальной и радиальной составляющих вектора скорости;

– Пространственная спиральная форма движения потока;

– Высокая степень самостабилизации и направленности;

– Вихревая структура, схожая с природными вихрями (например, смерчем).

На рис. № 2 отображено конструктивное исполнение системы в виде гребенчатого размещения отдельных ленточных завихрителей с наружным диаметром 100 мм.

Рис. № 2. Система ленточных бес корпусных завихрителей

Механизм формирования потока

Прямолинейный (ламинарный) поток (жидкости или газа) при входе в систему проходит через спиральную гребёнку ленточных завихрителей. Геометрическая форма и ориентация завихрелепестков задают сильное винтовое и орбитальное вращение потоку. В результате на выходе из всей системы формируется устойчивый многовекторный вихревой поток, подобный текстильной или канатной сплетённой структуре: так называемая "канатная вихревая свивка", где каждая отдельная вихревая "нить" имеет собственный вектор закрутки и вращения.

Экспериментальная проверка

Экспериментально подтверждена работоспособность и эффективность предложенной конструкции системы бескорпусных ленточных завихрителей. Для проверки применялась стандартная садовая электрическая воздуходувка мощностью 1,5 кВт. Ламинарный поток воздуха подавался через спрямляющий патрубок диаметром 40 мм и длиной 200 мм в статическую гребёнку из ленточных завихрителей с наружным диаметром 100 мм.

Результаты эксперимента показали:

– На выходе системы формируется стабильный, компактный закрученный поток диаметром 100 мм и длиной свыше 2 метров;

– Угол раскрытия (конусности) вихря составляет не более 2 градусов;

– Вихревой поток визуализируется классическим механическим методом с использованием лёгкой тестовой пластинки (бумажной или фольгированной), вращающейся под воздействием потока с нулевым углом атаки;

– Поток устойчивый, не рассеивается на длине 2 метров, что указывает на высокую мерность и структурную согласованность формирования вихря.

Форма потока по характеру схожа с "хоботом" торнадо или смерча, развивающимся в атмосферных условиях.

Для дальнейшего повышения эффективности или нацеленного управления вихревой структурой возможен подбор определённой частоты завихрения, количества витков, вариаций угла наклона ленты, изменения межосевого расстояния между завихрителями, а также конфигурации выходной зоны (раструбов, сопел, сопок и т.д.).

Выводы

– Предложенная система ленточных бескорпусных завихрителей позволяет эффективно преобразовывать ламинарный поток среды в пространственно-устойчивую вихревую многомерную структуру;

– Полученный закрученный поток обладает высокой степенью упорядоченности, большой протяжённостью и направленной стабильностью;

– Модель закручивания аналогична природным вихревым образованиям, таким как торнадо, смерч или циклон в миниатюре;

– Экспериментально зафиксированы термодинамические аномалии – распределение температуры по сечению потока указывает на возникновение собственной энергетической структуры вихря (возможно, за счёт центробежного разрежения в центральной области потока);

– Вихревая структура обеспечивает высокоэффективное перемешивание компонентов в потоке (применимо к системам газообмена, влажностной обработки, распыления, сушки, турбулизации и т.п.).

При этом, в отличие от классических корпусных завихрителей, структурная схема системы спиральной гребёнки не требует замкнутого корпуса, может масштабироваться и адаптироваться под поток различной мощности и геометрии, что делает её применимой в широком спектре промышленных и научных задач, включая аэродинамику, вентиляционные системы, химическую реакционную технику, аграрную обработку воздуха и водяного тумана.

Примечание

Более подробная информация о эффекте, а также сведения о экспериментальных работах, методах визуализации потоков, этапах опытно-конструкторских разработок и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

3.2. Статическая система коаксиально-ленточных завихритель

Предлагается принципиально новая система завихрителей формирования многомерных (многовекторных) вихревых потоков. Основной принцип работы заключается в поэтапном формировании изначально независимых закрученных потоковых структур, которые, взаимодействуя и суммируясь, образуют полноценный многомерный вихревой поток.

Эффективность образования таких структур значительно возрастает при применении ленточных завихрителей с одинаковым направлением крутки и полной заглушкой на выходе каждой завихревающей ленты. Это обеспечивает чёткое формирование отдельных вихревых «нитей», каждая из которых обладает собственной системой вращения со следующими компонентами:

– Орбитальное вращение (вокруг общей оси потока);

– Тангенциальная составляющая (закрутка по касательной к траектории);

– Радиальная составляющая (движение от или к центральной оси потока);

– Аксиальная составляющая (осевое поступательное движение вдоль продольной оси установки).

Формирование многомерного потока

Полноценный многомерный вихревой поток формируется за счёт упорядоченного сложения этих отдельных вихревых «нитей», каждая из которых действует как автономная единица вращения. После объединения в выходной зоне завихрителя они формируют единую вихревую вихревую структуру, характеризующуюся высокой степенью устойчивости и сложной внутренней многовекторной кинематикой.

Принцип работы коаксиально-ленточного завихрителя основан на следующем. Каждому множеству из двух относительно линейных потоков в каждом месте их общего диаметрального пересечения придаётся небольшая крутка. Согласно рис. № 3, в общей точке (А) пересечения касательных двух потоков (1) и (2) формируется тангенциальная составляющая в каждом потоке.

Рис. № 3. Формирование тангенциальной составляющей в отдельном потоке.

Каждый отдельный ленточный завихритель имеет множество касательных точек пересечения, коаксиально, с каждым соседним ленточным завихрителем. В таких касательных точках пересечения, по мере следования потоков – интенсивность крутки увеличивается. Достигается максимальное значение крутки на выходе каждого ленточного завихрителя.

Линейный воздушный поток при своём движении проходит через систему таких, последовательно и коаксиально размещённых ленточных завихрителей с чередующейся круткой. В каждом ленточном завихрителе, в каждом из множества мест их общего пересечения по касательной – формируется по одной полноценной многомерной вихревой “нити” с орбитальным, тангенциальным, радиальным и аксиальным векторами вращения. Одновременно, Ленточные завихрители с одинаковой круткой, которые полностью заглушены на выходе – обеспечивают более эффективный процесс формирования многомерных закрученных “нитей”.

Полноценный вихревой многомерный поток на выходе статического коаксиально-ленточного завихрителя формируется сложением отдельных многомерных закрученных “нитей” с собственным орбитальным, тангенциальным, радиальным и аксиальным векторами вращения. В свою очередь, отдельные многомерные вихревые “нити” с собственным орбитальным, тангенциальным, радиальным и аксиальным векторами вращения формируются на выходе отдельных ленточных завихрителей с одинаковым направлением крутки.

Конструкция

Конструктивно статический коаксиально-ленточный завихритель выполняется в виде нескольких тонких металлических лент одинаковой ширины и геометрии, имеющих угол предварительной крутки, например, 45 градусов. Ленты устанавливаются коаксиально: один завихритель вложен в следующий по принципу «оболочки в оболочке». На представленном рисунке № 4 схематически изображена технология сборки такого устройства.

Рис. № 4. Технология изготовления статического коаксиально ленточного завихрителя.

Важно отметить, что каждая последующая лента монтируется с противоположным направлением крутки относительно предыдущей.

Эффективность работы и экспериментальная верификация

Результаты опытно-конструкторских разработок (ОКР) свидетельствуют о высокой эффективности предложенного подхода. В серии экспериментов использовалась электрическая воздуходувка мощностью 1 кВт, создающая поток воздуха со скоростью до 96 м/с.

При установке на выходе данной воздуходувки экспериментального коаксиально-ленточного завихрителя, визуальные наблюдения посредством бумажного маркера с нулевым углом атаки показали устойчивую циркуляцию и вращательное движение маркера даже на расстоянии до 4 метров от выхода установки. Это подтверждает наличие высокоорганизованного, устойчивого и протяжённого вихревого многомерного потока.

Для сравнения, при использовании классических типов линейных завихрителей – таких как:

– Многолепестковый завихритель,

– Шнековый завихритель,

– Одинарный ленточный завихритель,

вихревой поток визуализировался маркером только в пределах 0,5 метра, что указывает на его малую мерность и низкую инертность.

Выводы

Таким образом, статический коаксиально-ленточный завихритель позволяет преобразовать поступательный линейный поток среды в многокомпонентный, трёхмерно закрученный вихревой поток. Такой поток, по своей структуре, аналогичен многожильной канатной свивке, где каждая индивидуальная «нить» обладает собственными радиальными, аксиальными и тангенциальными составляющими скорости.

Конструктивные особенности устройства, основанные на коаксиальном расположении лент с чередующимися направлениями крутки и наличием заглушек на конце, позволяют: