УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВВОДА ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ В ПОТОКИ ГАЗА В АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ КАНАЛАХ

Предложенное устройство относится к экспериментальной аэродинамике, а именно к вспомогательным устройствам, обеспечивающим ввод маркеров в газовые среды, и может быть использовано для визуализации газовых потоков при их исследовании оптическими цифровым устройствами в аэродинамических каналах.
Аэродинамические испытания обычно проводят в прямоточных (ПАК) или замкнутых (ЗАК) аэродинамических каналах, а для визуализации газовых потоков используют маркеры: аэрозоли, дымовые составы и твердые частицы.
Предлагаемое устройство предназначено для ввода твердых частиц в поток газа в прямоточных аэродинамических каналах (ПАК). В качестве маркеров обычно используются твердые частицы диаметром 5-50 мкм из различных материалов: полимеры, стекло, металлы (А.Ю. Вараксин, Турбулентные течения газа с твердыми частицами. - М.: Физматлит, 2003., 187 с). Для исследования в ПАК могут применяться как непрерывные устройства ввода (НУВ), так и импульсные устройства ввода (ИУВ) частиц по аналогии с замкнутыми аэродинамическими каналами (ЗАК). Принципиальное отличие ПАК от ЗАК заключается в невозможности постепенного накопления (увеличении) концентрации маркеров в системе с помощью систем засева. Поэтому для прямоточных аэродинамических каналов выгоднее использовать ИУВ, т.к., во-первых, импульсный ввод позволяет создать более высокую концентрацию засева частицами, во-вторых, экономится материал визуализации. Актуальность этих преимуществ растет при увеличении объемных расходов в канале - при исследовании высокоскоростных потоков.
Известно устройство для визуализации потока газа, в котором в качестве маркеров генерируют и используют частицы дыма (заявка JPH06186130 от 08.07.94, МПК G01M 9/06). Находящуюся под давлением и нагретую жидкость через форсунку выбрасывают в содержащий воздух холодный резервуар, где из жидкости генерируются мелкие частички дыма (тумана). Смешенные с воздухом частицы подаются через распылительный канал в исследуемое пространство. Описанное устройство достаточно объемное и сложное в обслуживании, т.к. требует использования датчиков температуры, давления и электрического устройства управления для поддержания процесса генерации частиц дыма.
3
Также известен статический смеситель твердых частиц с газовым потоком (а.с. №940821 от 26.03.80, МПК B01F 5/06) для создания двухфазных струй с равномерным распределением параметров на выходе, но используемый в основном в энергетическом машиностроении и других отраслях промышленности для осуществления физико-химических процессов, протекающих при перемешивании потока газа с твердыми частицами. Предложенное решение в большей степени направлено на смешивание твердых частиц с потоком газа при больших скоростях потока, причем для увеличения эффективности процесса смешивания в газовый поток вносят сильные возмущения, и меняется даже характер течения потока.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство ввода, используемое для подачи частиц в ветро-волновом канале, (Kawai S., Structure of Air Flow Separation over Wind wave crests // Boundary Layer Meteorology 23, 1982, p.503-521.), которое выбрано в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит входной диффузор для подачи воздуха, подсоединенный к резервуару для хранения частиц и смешивания их с воздухом, в указанном резервуаре расположены частицы-маркеры и роторная мешалка, а к удаленной от входа стенке резервуара подсоединен выходной канал, заканчивающийся диффузором, содержащим одно или несколько выходных отверстий и погруженным в аэродинамический канал.
Используемое устройство для ввода может работать как в импульсном, так и непрерывном режиме, отличаясь при этом параметрами и характеристиками подаваемого воздушного потока (импульсный или непрерывный). Подаваемый по входному диффузору под давлением воздушный поток захватывает частицы, переносит их к отверстиям выходного диффузора и инжектирует в аэродинамический канал. Для поддержания частиц во взвешенном состоянии и более эффективного их захвата при прокачке воздуха используют роторную мешалку, лопасти которой расположены внутри резервуара в объеме твердых частиц.
Основной недостаток известного устройства для ввода заключаются в том, что выходной диффузор в виде протяженной трубки с отверстиями не позволяет создать однородный засев поперек направления исследуемого течения из-за неоднородного распределения давления вдоль трубки и концентрации частиц в ней. Данная неоднородность может быть скомпенсирована большим расстоянием от первоначального места нахождения частиц (резервуара) до области наблюдения, на этом пути происходит равномерное распределение частиц по сечению канала. Однако это может в свою очередь приводить к уменьшению плотности засева частицами. Также низкая плотность засева может быть вызвана оседанием частиц на элементах системы подвода к основному исследуемому потоку газа, которая может быть достаточно протяженной.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является разработка компактного устройства для ввода твердых частиц, позволяющего при минимально вносимых возмущениях создать высокую плотность засева частиц в потоке исследуемого газа, при этом засев должен быть однородным во всей выбранной области исследования, особенно поперек основного направления движения исследуемого потока газа.
Технический результат в разработанном устройстве для ввода частиц достигается за счет того, что оно, как и устройство прототип, содержит последовательно соединенные входной диффузор для подачи сжатого воздуха, резервуар для хранения частиц и смешивания их с воздухом, и выходной диффузор для вывода потока воздуха с частицами в аэродинамический канал.
Новым в разработанном устройстве для ввода частиц является то, что входной и выходной диффузоры выполнены в виде глухих коаксиальных трубок, резервуар для хранения частиц и смешивания их с воздухом образован внешней поверхностью входного диффузора для подачи воздуха и внутренней поверхностью выходного диффузора. При этом внешняя цилиндрическая поверхность входного диффузора выполнена гофрированной, что позволяет удерживать как можно больше частиц засеваемого вещества внутри резервуара. На боковых поверхностях входного и выходного диффузоров по всей длине выполнено, по крайней мере, по одному ряду сквозных отверстий, причем расположение их на входном и выходном диффузорах не совпадает по координате вдоль оси диффузоров.
В предлагаемом устройстве максимально сокращен путь от места начального нахождения частиц в резервуаре до выхода в поток газа, т.к. само устройство полностью вводится в канал в поток исследуемого газа, а выходные отверстия диффузора располагаются непосредственно на стенке промежуточного резервуара. Такая конструкция позволяет создать высокую концентрацию засева частиц в прямоточном аэродинамическом канале. Компактные размеры всего устройства в целом и близкое расположение входного канала и выходного диффузора позволяют выровнять давление и расход воздуха, содержащего частицы, по всей длине диффузора обеспечивая тем самым однородный засев поперек потока.
Сущность предложенной полезной модели поясняется следующими чертежами:
- на фиг.1 представлена в продольном разрезе схема (не в масштабе) пустого устройства для ввода частиц;
- на фиг.2 представлена в продольном разрезе схема (не в масштабе) заполненного устройства для ввода частиц в рабочем режиме.
Устройство для ввода частиц, изготовленное в соответствии с пунктом формулы и представленное на фигуре 1, содержит входной диффузор 1 с рядом отверстий 2, размещенный соосно внутри выходного диффузора 3 с рядом выходных отверстий 4, при этом отверстия 2 и 4 не совпадают друг с другом по продольной координате вдоль оси диффузоров. На внешней поверхности диффузора 1 выполнена гофрировка 5, что позволяет нанести и удерживать значительное количество твердых частиц. Резервуар 6 для хранения частиц и смешивания их с воздухом образован внешней поверхностью входного диффузора 1 для подачи воздуха и внутренней поверхностью выходного диффузора 3. Количество отверстий 2 и 4, их диаметр и длина диффузоров 1 и 3 могут изменяться в зависимости от размера исследуемого потока газа и, соответственно, размера требуемого устройства для ввода.
В примере конкретной реализации входной диффузор 1 выполнен в виде глухой латунной трубки длиной 150 мм внешним диаметром 8 мм и внутренним - 6 мм, по всей длине боковой поверхности выполнен ряд сквозных отверстий 2 диаметром 2 мм с шагом 5 мм, гофрировка 5 глубиной до 0,6 мм выполнена в виде стандартной конической резьбы. Выходной диффузор 3 изготовлен в виде глухой латунной трубки длиной 160 мм внутренним диаметром 9 мм, внешним - 10 мм с выполненными по всей длине боковой поверхности сквозными отверстиями 4 диаметром 2 мм с шагом 8 мм. Внутренняя трубка 1 вставляется во внешнюю трубку 3 и закрепляется фиксатором, при этом ряд отверстий 2 и отверстий 4 располагаются друг относительно друга произвольно. Для проверки работы устройства для ввода частиц в качестве прямоточного аэродинамического канала была использована установка ветро-волнового канала ВВК БОСБ ИПФ РАН.
Устройство для ввода твердых частиц-маркеров, представленное на фиг.2, работает следующим образом.
Каждый раз перед экспериментом частицы наносят на внешнюю гофрированную поверхность 5 входного диффузора 1 путем его опускания в емкость, содержащую выбранные для засева твердые частицы. Затем входной диффузор 1 размещается внутри выходного диффузора 3 и закрепляется фиксатором, при этом ряд отверстий 2 и 4 располагаются относительно друг друга произвольно. Устройство в собранном виде помещается в потоке внутри ПАК с помощью различных кронштейнов или держателей (на фигуре не показано). Сжатый воздух подается во внутреннюю часть устройства - входной диффузор 1 и, выходя через отверстия 2 на его боковой стороне, срывает твердые частицы, находящиеся на внешней гофрированной поверхности 5. Далее сжатый воздух со взвешенными частицами, проходя через резервуар 6, выходит через отверстия 4 внешнего диффузора 3. Расположение отверстий 4 вдоль одной прямой обеспечивает выдув частиц тонкой пеленой, что очень удобно при применении подсветки лазерным ножом (наиболее распространенный вариант визуализации), при этом плоскость засева совмещается с плоскостью лазерного ножа. Длительность эффективной работы устройства для ввода твердых частиц при постоянной подаче воздуха определяется количеством частиц, нанесенных на внешнюю гофрированную часть 5 внутреннего диффузора 1. Без перезарядки устройство можно использовать только один раз, поэтому оно является ИУВ. Длительность эффективного ввода частиц в ПАК в случае конкретной реализации устройства составила около 2 сек. Время перезарядки устройства оставляет порядка одной минуты. Таким образом, с помощью предложенного устройства можно исследовать как стационарные процессы, так и быстроразвивающиеся аэродинамические процессы с характерными временами менее одной секунды (быстропротекающие нестационарные процессы).
Разработанное устройство является компактным и, хотя полностью погружается в ПАК, вносит достаточно малые возмущения в исследуемые газовые потоки. Для определения возмущений, вносимых в исследуемый поток устройством для ввода, была проведена серия лабораторных экспериментов на ветро-волновом канале ВВК БОСБ ИПФ РАН. Результаты показали, что максимальное уменьшение средней скорости потока при внесении устройства для ввода частиц на расстоянии 1 м составило 3%. Уровень турбулентных флуктуаций (отношение среднеквадратичного отклонения к среднему) увеличился на 2%, при начальном уровне в 15%.
Таким образом, предложенное устройство для ввода твердых частиц позволяет создать высокую концентрацию засева в ПАК, получить однородность засева вдоль всего устройства для ввода, обеспечивает малые возмущения, вносимые в исследуемый газовый поток, т.е. решает поставленную задачу.