ВИХРЕВОЙ АППАРАТ

Разработка вихревых аппаратов для улучшения тепло-массообменных процессов в химических, биологических и энергетических технологиях является важнейшим направлением исследований для многих практических приложений [1]. Важным аспектом изменения режимов этих процессов становится увеличение передачи углового момента от вращающегося диска к рабочей жидкости.
Формирование интенсивного вихревого движения позволяет решать задачи повышения энергоэффективности и снижения материалоемкости технологических установок и устройств. Кроме того, в различных отраслях (в особенности химической и биологической) важным аспектом является интенсивность обменных процессов, в том числе и массопереноса. Существует множество способов интенсификации: различные лопасти, роторы и завихрители, которые влияют на структуру течения.
Однако есть и другой способ - неинтрузивное перемешивание, которое в природе достигается за счет использования различных мелкомасштабных шероховатостей на поверхности тел. Также подобное решение способствует наилучшему обтеканию, самоочищению поверхностей, предотвращению адгезии компонентов жидкости, экономии энергии при движении.
Известно, что на поверхности листьев лотоса за счет наношероховатостей задерживается воздух, тем самым образуется «воздушная подушка» - режим Кассие [2], которая предотвращает проникновение частиц воды и увлажнение материала, отталкивает капли дождя и очищает поверхность. В основном на изучении этих свойств были сфокусированы исследования природных гидрофобных покрытий [3].
Очевидно, что определенный интерес представляет и оценка воздействия этих шероховатостей в течениях без «воздушной подушки» - режим Венциля [4].
Течение с вихревой структурой, генерируемой вращающимися торцами в замкнутых контейнерах, является предметом численных и экспериментальных исследований в течение многих десятилетий.
При моделировании нестационарных и пульсирующих режимов вихревых течений часто используется цилиндр, один из торцов которого вращается [5]. Эти исследования играют важную роль при разработке вихревых аппаратов в различных технических приложениях, таких как аэронавтика, теплообмен, струйное осушение (spray drying), сепарация, обогащение, горение, вихревые биореакторы и т.д. [2].
2
В классическом примере закрученного течения этим торцом является твердый диск выполненный из того же материала, что и стенки цилиндра, а определяющими параметрами являются относительное удлинение h, равное отношению длины цилиндра к его радиусу (H/R), и число Рейнольдса Re=ωR/v, где ω - угловая скорость вращения диска, a v - кинематическая вязкость прилегающей к диску жидкости.
Задачей настоящей работы является создание эффективного устройства, предназначенного для осуществления обменных процессов в вихревых течениях.
Техническим результатом от использования созданного устройства будет интенсификация обменных процессов и массопереноса вихревым потоком, за счет рельефа структурированной внутренней поверхности торцевого диска, генерирующего этот поток, что, при том же числе Рейнольдса, по сравнению с гладким торцом, дает увеличение закрутки потока и, следовательно, интенсификации массопереноса на 12%.
Поставленная задача решена созданием вихревого аппарата, представляющего собой неподвижный вертикальный замкнутый цилиндр, заполняемый жидкой субстанцией, с верхним вращающимся торцевым диском, генерирующим вихревой поток, отличающийся тем, что внутренняя поверхность торцевого диска выполнена структурированной. При этом размеры элементов рельефа составляют от 100 нм до 20 мкм, что, не вносит возмущения в перемешиваемую жидкость. Данное техническое решение отличает вихревой аппарат от аналогичных с ребрами или лопатками.
Осуществление предлагаемого технического решения
3
2
2
Для исследования топологии замкнутого вихревого течения с помощью бесконтактных оптических методов использовалась установка, изображенная на Фиг. 2, где 1 - цилиндроческий корпус, 2 - вращающийся торцевой диск, 3 - формирователь лазерного ножа, 4 - камера, при этом h - высота цилиндра, L - осевая протяженность циркуляционной ячейки, схематически изображенной под вращающимся диском (стрелки указывают направление движения потока). Исследование проводилось в длинном цилиндрическом контейнере радиуса R=47 мм и высотой h=10R, выполненном из оргстекла оптического качества, с верхним вращающимся торцом. Контейнер заполнялся 66% водным раствором глицерина. Плотность и кинематическая вязкость, при комнатной температуре (22,6°С) составляла 1170 кг/м и 11,3 мм/с соответственно. Для устранения оптических аберраций и термостабилизации цилиндр помещался в стеклянный прямоугольный контейнер, заполненный водой]. Вихревое движение жидкости генерируется верхним диском, который вращается с угловой скоростью со, в то время как другие стенки контейнера неподвижны. Интенсивность вихревого движения характеризуется числом Рейнольдса Re=ωR/v, где v - кинематическая вязкость жидкости. Так как вязкость жидкости зависит от температуры, температура контролировалась в течении эксперимента.
Температура изменялась не более чем на 0,3°С. При этом, изменение температуры даже на 1°С дает погрешность на уровне 2% при Re=2000.
Изучение топологии вихревого движения проводилось методом визуализации течения в вертикальном сечении, проходящем через ось цилиндра, с помощью лазерного «ножа», толщиной 1 мм. В качестве светорассеивающих добавок использовались полиамидные частицы нейтральной плавучести с диаметром 10 мкм. Глубина проникновения завихренности определялась визуально по изображениям адаптивной трековой системы с вычитанием внешнего фона и осреднении по нескольким изображениям для высокой контрастности в выделенном вертикальном осевом сечении, где треки от периферийного течения сходятся к оси.
На вращающийся внутреннюю поверхность диска наносились пленки с различными шероховатостями приведенными на Фиг. 1, где а - углубления шириной и глубиной 20 мкм (впадины), b - наросты с цилиндрами диаметра 5 мкм и высотой порядка 2 мкм, с - углубления с нанотравяным узором (нанотрава) 100 нм. В ходе эксперимента проведено измерение вихревой ячейки для случая гладкой пленки для сравнения влияния структурированной поверхности на распространение закрутки в глубину цилиндра.
Для того чтобы исключить влияние пузырьков воздуха в структурированных поверхностях, было проведено исследование выхода потока на режим Венцеля. При вращении диска воздух вымывается из структур полностью за 1-3 минуты, то есть воздух при погружении пленки вымывался значительно раньше, чем происходил выход потока на режим измерений (более 4 минут).
На фиг. 3 показана зависимость длины ячейки циркуляции жидкости L, нормированной на радиус цилиндра, от числа Рейнольдса при различных наноструктурах на поверхности вращающегося диска. Наблюдается одинаковая тенденция в увеличении распространения вихревой ячейки вглубь цилиндра для всех типов исследуемых покрытий, что указывает на минимальное влияние случайных ошибок.
Показано, что наличие шероховатостей увеличивает осевую протяженность циркуляционной ячейки. В случае пленки с шероховатостью типа «впадины» (линии 20 мкм) эффект незначителен, практически отсутствует при малых и умеренных Re, но при увеличении числа Рейнольдса, проявляется, как и в случае других шероховатостей. Наличие микро-наростов и нанотравяного узора усиливает эффект увеличения размера вихревой ячейки.
Прирост осевой протяженности вихревой ячейки в процентах относительно гладкой пленки для различных типов шероховатостей показан в Таблице 1.
гл
гл
гл
В Таблице 1 прирост осевой протяженности вихревой ячейки в процентах относительно гладкой пленки для различных типов шероховатостей: ΔL(Re)=(L(Re)- L(Re))/L*100, где L - длина измеряемой ячейки, и L - длина ячейки при гладкой пленке.
При числах Рейнольдса 250-10000 эффект наличия наношероховатостей дает прирост осевой протяженности вихревой ячейки до 11%. Как видно из рисунка 2б и таблицы 1, наибольший прирост происходит при Re от 2000 до 4000. Значительное увеличение размера вихревой ячейки было обнаружено для шероховатостей, содержащих нанотраву или микростолбы. Обнаруженный эффект эквивалентен увеличению на 15% угловой скорости вращения гладкого диска.
Использованные источники информации
1. Shtern V.N. Cellular Flows. Topological Metamorphoses in Fluid Mechanics. New York: Cambridge University Press, 2018, 573 p.
2. Cassie A. B. D. Contact angles // Discussions of the Faraday society. 1948. Vol. 3, p. 11-16.
3. Webb H.K., Crawford R.J., Ivanova E.P. Wettability of natural superhydrophobic surfaces // Advances in colloid and interface science. 2014. V. 210. p. 58-64.
4. Wenzel R.N. Resistance of solid surfaces to wetting by water // Industrial & Engineering Chemistry. 1936. Vol. 28. N 8. p. 988-994.
5. Шарифуллин Б.Р., Наумов И.В. Передача углового момента через границу раздела двух несмешиваемых жидкостей // Теплофизика и аэромеханика. 2021. Т. 28. N 1. С. 72-77.