reforef.ru 1
Третья Международная конференция


Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках”

21-23 октября 2008г. Москва
В.Н. Потапов
ООО «Вихревые системы», Екатеринбург, Россия

620016, Екатеринбург, Амундсена ул.,105, оф.406, E-mail: kostuninv@mail.ru
ЭФФЕКТ ВСТРЕЧНОГО ВРАЩЕНИЯ В ПОТОКЕ

НА ВЫХОДЕ ИЗ КОРОТКОГО ЦИЛИНДРА
АННОТАЦИЯ
На модели простейшего вихревого устройства, состоящего из стандартного завихрителя воздуха камерного типа и пристыкованного к его выходному окну относительно короткого цилиндрического канала, длиной, соизмеримой с диаметром получен необычный эффект изменения направления вращения воздуха вблизи стенки. Цилиндрическая стенка канала равномерно и полностью перфорирована отверстиями, через которые реализуется струйный вдув воздуха в виде системы радиально направленных воздушных струй со скоростями, соизмеримыми со скоростями воздуха внутри перфорированного канала. Эффект встречного вращения получен в определенных режимах высокой интенсивности радиального вдува через перфорированную стенку и сопровождается выносом момента вращения их потока.
МОДЕЛЬ И РЕЖИМЫ ЕЕ ПРОДУВОК

В конце 70-х и в начале 80-х годов прошлого века нами впервые исследовалась модель нового типа вихревой горелки, оснащенная новой оригинальной системой формирования и управления закрученным потоком, предложенной впервые Е.В.Волквым на кафедре ТЭС Уральского политехнического института. Суть идеи первоначально состояла в том, что если интенсивно закрученный поток, идущий по цилиндрическому каналу, изолировать от стенки воздушной завесой, имитирующей обычную смазку в традиционных механических системах. Предполагалось, что таким образом можно будет снизить и даже устранить потери момента вращения, точнее, - потока момента количества движения, на стенке канала. Эффект снижения потерь воздушным потоком момента на стенке циклонной камеры или цилиндра был подтвержден экспериментально и составлял до 40% его исходного значения при вялом, низкоскоростном вдуве больших объемов воздуха через всю проницаемую боковую стенку модели оригинальной циклонной топки. Об этом имеются две публикации в профильных сборниках Всесоюзных конференций, проведенных в МЭИ во второй половине 70-х годов. Подчеркнем, что вдув воздуха на той модели циклонной топки имел объемы на 100-200% превышающие все объемы воздуха, подаваемые на модель (циклон) через ее тангенциальные сопла или через ее осевую горелку, расположенную на переднем торце камеры.


Автор идеи такого вдува через проницаемую стенку в закрученный поток, Е.В.Волков, предложил ее еще в конце 50-х годов ХХ века, полагая ее, прежде всего, как новый метод моделирования на холодной модели топки реальной неизотермической циклонной топки с горением топлива. Эта идея была впервые опубликована в двух местных сборниках УПИ в начале 60-х годов, но на нее тогда не обратили внимания. Е.В.Волков полагал, что большие объемы воздуха, вдуваемые с малыми скоростями через стенки холодного циклона, будут хотя бы частично имитировать расширение газовой среды в реальном циклоне с горением. Это должно хоть в какой-то мере имитировать в холодной циклонной камере характерные изменения структуры закрученного потока в неизотермическом циклоне при сжигании в нем топлива. Эксперименты, в которых принимал участие автор этого текста (будучи студентом), отчасти подтвердили правоту этой идеи Е.В.Волкова о возможности имитации аэродинамики горячего циклона циклоном холодным, используя низкоскоростной вдув эквивалентных объемов воздуха через пористую или проницаемую стенку холодного циклона, по меньшей мере, для имитации аэродинамики при сжигания в циклоне газа или легких жидких топлив.

В последствие эта идея трансформировалась в идею управлять закрученным потоком на вихревых горелках. Но в условиях реальной котельной установки реализация вдува низких скоростей через проницаемую стенку выходного канала горелки технологически оказалось невозможной из-за необходимости изготовить мощные горелки с проницаемыми стенками. Да и подача воздуха на вдув в количестве 100-200% от объема, подводимого к горелке, вообще абсурдна и принципиально не может быть реализована на практике, прежде всего, по экономическим и экологическим обстоятельствам. Поэтому было предложено на горелках заменить высокообъемный низкоскоростной вдув через проницаемую стенку на струйный вдув уменьшенных расходов воздуха, но с более высокими скоростями воздуха. На одном из котлов ТГМП-114 местной региональной электростанций 15 лет эксплуатировались горелки, модернизированные по предложенной Е.В.Волковым схеме. В разработке конструкции этих горелок и в испытаниях котла и горелок принял активное участи автор данного текста. Эти вихревые горелки, выполненные на базе типовых горелок ХФ ЦКБ-ВТИ-ТКЗ, многие годы показывали на указанном мощном котле лучший в то время в стране уровень эффективности сжигания газа и мазута, а также показали возможность использовать вдув разной силы для регулирования температуры пара за котлом, причем гораздо эффективнее, чем позволяла уже установленная на этом котле традиционная система газовой рециркуляции.


В конце 70-х и в начале 80-х годов нам представилась возможность, хотя и с большими перерывами исследовать эффективность струйного вдува в закрученный поток и сравнить ее с эффективностью вдува низкоскоростного, имитирующего смазку. Часть результатов этого исследования была нами много позже положена в основу диссертационной работы, а после представилась, наконец, возможность использовать все полученные результаты и развивать это направление на базе ООО «Вихревые системы» и некоторых других фирм. В ходе этих исследований мы пришли к другому пониманию физики воздействия вдувов, в первую очередь высокоскоростных, на сильно закрученные потоки. Главный механизм вдува по воздействию на структуру потока, - это изменение интенсивности турбулентного обмена, главным образом, в радиальном направлении, которое существенно зависит от радиального импульса вдува. Это принципиально отличается от первоначальной гипотезы Е.В.Волкова о воздействии вдува на поток, но ей не противоречит при анализе вдувов низкоскоростных.

Одним из самых необычных результатов, полученных нами еще в конце 70-х годов при исследовании интенсивных вдувов через стенки каналов, был неоднократно наблюдавшийся совершенно необычный эффект встречного вращения периферийных областей потока при определенных схемах и режимах управляющего вдува через стенку канала. Публикация этих материалов была в то время невозможна по ряду причин, в том числе по причине неприятия и непонимания предложенных нами схем воздействия на потоки и назначения этих схем на реальных вихревых горелках. Наши предложения противоречили базовым принципам отраслевых стандартов и планам монопольной отраслевой политики в области создания горелок к энергетическим котлам. Задержки в завершении диссертационной работы, останов экспериментального стенда с частичным его демонтажем и полное отсутствие необходимого финансирования для продолжения работ не позволили нам завершить это исследование.

Возобновление работ по использованию струйных вдувов для формирования потоков с разными свойствами и обоснование ряда технологий вызвало необходимость объяснить ряд эффектов, ранее остававшихся в тени. Часть этих эффектов были получены ранее на модели простейшей вихревой горелки, состоящей из стандартного улиточного завихрителя воздуха и пристыкованного к нему короткого цилиндрического канала с длиной, соизмеримой его диаметру. Цилиндрическая стенка этого канала равномерно перфорирована отверстиями, через которые реализован управляющий струйный радиальный вдув (СРВ) воздуха в виде системы радиально направленных струй воздуха со скоростями, соизмеримы скоростям воздуха, идущего внутри перфорированного цилиндра модели (рисунок 1).


Рис.1. Модель с управляющим струйным радиальным вдувом
Управляющий СРВ через стенку канала очень эффективен для управления закрученным потоком. Он вызывает сильную перестройку структуры всего вихря (закрученного потока с осевым стоком) и на порядок изменяет интенсивность крутки (крутку, число крутки) потока на выходе из модели (рисунок 2).

Θ

k

Рис.2. Изменение крутки вихря при выходе из модели
Отметим, что геометрия модели (Рис. 1) была неизменной при любых режимах вдува, и все изменения структуры потока и его крутки были получены при постоянной геометрии аппарата, что вообще невозможно получить ни в одном одноканальном вихревом устройстве. После опробования разных известных подходов интенсивность СРВ мы определяем только лишь как относительный радиальный импульс вдува в отверстиях перфорации.
k = Kвд/Kвых (1)
Это среднерасходный (рассчитанный по расходу воздуха, подводимого на вдува через стенку) радиальный импульс всех струй в отверстиях перфорации выходного канала модели, отнесенный к осевому интегральному импульсу вихря при выходе его из модели. Осевой интегральный импульс вихря мы находим интегрированием экспериментальных профилей скоростей, давлений и плотностей, найденных нами ранее экспериментально, как это обычно и предполагается, например, при вычислении интегральной крутки результирующего потока или объемного вихря по известной формуле Чигера, Червинского, Бэра, Дубова.

Нами установлено принципиально важное для формируемого вихря, его структуры и основных характеристик соотношение усредненных радиального импульса струй вдува Kвд и осевого импульса Kвых всего вихря. Это значение параметра (или числа) интенсивности вудва составило в наших экспериментах k ≈ 0,7. В этом характерном режиме при k ≈ 0,7 в среднем до нуля уменьшалась вращательная скорость (Wφ=0) непосредственно у перфорированной стенки цилиндра в исследованной модели. При этом потери момента вращения потока на стенке становились равными нулю, а сам этот интегральный момент вращения потока (или поток момента количества движения) увеличивался на 40% за счет снижения этих потерь.


Принципиальный режим СРВ k ≈ 0,7 имеет и другое важное свойство. В режимах СРВ в диапазоне изменения параметра 0 < k ≈ 0,7 основной объем вихря с осевым стоком (сильно закрученный поток) сохраняет постоянство крутки или числа крутки (рисунок 3) в условных границах, совпадающих с внешней границей зоны вихря, где проявляется закон так называемого квазипотенциального вращения (по широко распространенной модели вихря). Крутка потока на этом рисунке 3 показана как отношение текущего значения крутки рассматриваемой зоны потока в данном режиме СРВ к крутке той же зоны потока, но при выключенном СРВ. Одновременно крутка интегрального вихря в пределах выходного канала уменьшалась при том же усилении СРВ – в три раза. Причем крутка периферийных слоев потока вне этой границы и до стенки канала, как и момент вращения, переносимый этим слоем, снижается пропорционально снижению крутки интегрального потока. Эти два факта лишний раз показывают, насколько может быть некорректной оценка крутки интегрального потока только через соотношения традиционно найденных интегральных осевых потоков момента вращения и количеств движения, даже при строго корректном их определении.

Рис.3. Изменение относительной крутки потока в пределах внешней границы

квазипотенциального вращения
ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ ЭФФЕКТА ВСРЕЧНОГО ВРАЩЕНИЯ
Но самое интересное имело место в режимах более интенсивного управляющего СРВ (k≥0,7). В этих режимах внешние границы традиционно понимаемого вихря были реально «оттеснены» от стенки перфорированного цилиндра системой струй вдува, и мы наблюдали необычное течение в этой пристенной зоне. В ней вращение воздуха изменяло направление на противоположное, навстречу вращению основного или исходного вихря (рисунок 4).


Рис. 4. Схема проявления эффекта встречного вращения (течения)
Эффект встречного вращения (ЭВВ) на модели горелки при k > 0,7 всегда был устойчив и достаточно легко визуализировался. Но из-за реальной неравномерности вдува по длине перфорированной стенки цилиндра ЭВВ сначала возникал в перфорированном цилиндре вблизи выхода из модели, а затем, по мере дальнейшего усиления СРВ продвигался вдоль стенки вглубь перфорированного цилиндра в сторону регистра, против основного движения потока вдоль его оси, а толщина зоны ЭВВ при усилении вдува увеличивалась, особенно у выхода из цилиндра. В режимах с самым интенсивным СРВ ( k = 1,1), в которых удалось выполнить достоверные измерения скоростей, ограниченных условиями дутьевого агрегата экспериментальной лаборатории, вращательные скорости в зоне ЭВВ достигали 20…25% от максимумов вращательных скоростей в основном вихре. Момент встречного вращения был примерно равен убыли момента основного вихря, которая наблюдалась при возникновении ЭВВ. Эта убыль в режимах самого интенсивного СРВ составляла до 30-35% от исходного момента вращения вихря, сформированного улиточным регистром на модели.

Проявление ЭВВ внешне напоминает нам передачу момента вращения в планетарном механизме, что, конечно, требует специальной проверки, но при этом оказалось, что базовый вихрь терял ту же долю исходного момента вращения, какую, затем примерно получал вихрь в зоне проявления ЭВВ. Невозможность продолжать работу не позволили нам своевременно и подробно изучить ЭВВ, и у нас нет ясного понимания причин его появления. Одну из них можно искать в аналогии отрыва потока от криволинейной стенки, где за точкой отрыва возникает встречное движение в зоне местного снижения давления на этой стенке. Причиной появления ЭВВ при отрыве от стенки основного вихря может быть и явная перестройка турбулентной структуры вихря, возможно, по схеме, напоминающей схему планетарного механизма (при взаимодействии основного вихря с деформируемыми и даже дробящимися струями СРВ). Вполне вероятны аналогии даже с мощными атмосферными вихрями, около которых иногда видны зародыши мелких вихрей, перемещающихся по периферии главного вихря, навстречу его вращению, внешне так же, как в планетарном механизме.


Параметр отрыва вихря от стенки (режим k ≈ 0,7), считаем, можно использовать и для установления в расчетных моделях условной внешней границы закрученных струй (вихрей) или горящих закрученных факелов в затопленном пространстве при взаимодействии факелов с ограничивающей их радиально эжектируемой газовой средой. Возможно также, что режим k ≈ 0,7 при возникновении ЭВВ и есть условие сохранения некоторого объемного вихря в затопленной среде. Наоборот, переход в режимы k > 0,7 есть условие начала естественного распада вихря, с характерной потерей им своего момента вращения (момента количества движения), которое, видимо, происходят посредством включения своеобразного механизма турбулентного переноса (выноса) момента из исходного вихря в окружающую среду. Режим k ≈ 0,7 можно условно считать пограничным при переходе от вихря, стесненного стенками и за счет этого внешне устойчивого, к вихрю свободному, не стесненному, развивающемуся или затухающему в затопленном пространстве свободно в зависимости от интенсивности радиальной эжекции внешней среды с обусловленным этими изменениями своих размеров.

Допускаем, что в небольшой модели вихревого устройства нам удалось получить некое подобие (имитацию) процессов, происходящих в сильно закрученных вихрях с мощным осевым движением среды (с осевыми стоками), как, например, горящие вихревые факела или даже мощные атмосферные вихри. Можно предположить, что получено некое отношение импульсов, в пределах которого в объеме вихря сохраняется и даже переносится без потерь полученный им извне или созданный в нем момент вращения. При достижении заявленного выше критического соотношении радиального и осевого импульсов, из вихря начнется вынос момента вращения, с постепенным затуханием вихря. Разумеется, что эти предположения, в будущем следует изучить, подтвердить или отвергнуть в специальном исследовании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эффект встречного вращения на периферии потока – необычное явление. Его изучение может позволить более полно и адекватно представить истинные процессы, происходящие в вихревых течениях в природе и в технике, что может быть полезно и на практике.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
k - безразмерный (относительный) радиальный импульс вдува, параметр (число) вдува;

K - среднерасходный (средний) импульс (количество движение) потока среды, кг·м/сек;

Θ, ω – крутка, интенсивность крутки, число крутки интегрального закрученного потока (вихря) - всего или его части;

Индексы:

вд – относится к радиальному вдуву;

вых – относится ко всему закрученному потоку при его выходе из модели;

k=0 - режим с полностью отключенным управляющим струйным радиальным вдувом.