СПОСОБ ВИБРАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫМИ ПО ПЛОТНОСТИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ КОНТЕЙНЕРАХ
METHOD OF VIBRATION CONTROL OF HETEROGENEOUS DENSITY HYDRODYNAMIC SYSTEMS IN ROTARY CONTAINERS

Изобретение может быть применено в химической промышленности, в частности для управления тепломассопереносом в химических технологических процессах, протекающих во вращающихся контейнерах.
Известно, что вибрационное воздействие эффективно используется для управления процессами тепломассопереноса в неоднородных гидродинамических системах. Например, при помощи вибраций можно изменять свойства металла (патент RU 93044667). Вибрации облегчают выход газов из жидкого металла, способствуют образованию более однородной структуры металла и введению в металл различных порошковых добавок.
Другим примером является вибрационный экстрактор (патент RU 2082385), суть которого заключается в том, что колебательные воздействия на газожидкостную систему с частотой собственных колебаний дают положительный эффект при экстрагировании биологического сырья для получения лекарственных и других препаратов, выражающийся в увеличении выхода экстракта, его обогащения биологически активными компонентами сырья и получении в готовой потребительской форме.
В вышеназванных примерах неоднородные системы подвергаются вибрационному воздействию при отсутствии вращения. Существует ряд примеров, когда неоднородные среды испытывают одновременное влияние вибраций и вращения. К примеру, известен пульсационно-центробежный смеситель (патент RU 2379098), который относится к устройствам смешения гетерогенных сред при помощи мешалок, генерирующих совокупность двух полей - пульсационного и центробежного и позволяет за счет частичного преобразования вращательного движения мешалок в пульсации гетерогенной среды увеличить эффективность использования вводимой в аппарат энергии.
Известен роторный смеситель с механическим вибровозбудителем (патент RU 2297274), содержащий камеру смешивания, ротор с приводом вращения, выполненный с лопастями, вибратор, выполненный в виде тарельчатых пружин с резиновыми амортизаторами, и жестко закрепленный в середине камеры смешивания. Вибратор имеет кривошипно-шатунный механизм, с помощью которого тарельчатые пружины возбуждают колебания частиц в горизонтальном направлении. В смесителе имеется возможность регулировать интенсивность вибрации посредством изменения частоты вращения привода кривошипно-шатунного механизма.
Известно управляющее воздействие высокочастотных вибраций на неоднородные по плотности гидродинамические системы, когда осредненные массовые силы генерируются в результате нелинейных эффектов, связанных с колебаниями гидродинамической системы в осциллирующем силовом инерционном поле. Например, вибрационная тепловая конвекция (Gershuni G.Z., Lyubimov D.V. Thermal vibrational convection (Гершуни Г.З., Любимов Д.В. Тепловая вибрационная конвекция). John Wiley & Sons. England. 1998. 358 р.), в том числе вибрационная тепловая конвекция во вращающихся системах (Козлов В.Г. Вибрационная тепловая конвекция во вращающихся полостях. Изв. РАН МЖГ. 2004. №1. С. 5-14), а также осредненные эффекты в колеблющихся многофазных системах (Любимов Д.В., Любимова Т.П., Черепанов А.А. Динамика поверхностей раздела в вибрационных полях. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ. 2003. 216 с.).
Однако заявленное изобретение принципиально отличается от приведенных выше тем, что силовое поле, создаваемое во вращающейся системе в результате вибраций, не связано с колебаниями гидродинамической системы относительно контейнера, и оно определяет распределение неоднородной по плотности гидродинамической системы, в том числе конвекцию и теплоперенос. Важной особенностью является простота управления величиной и направлением поля за счет изменения амплитуды и фазы вибрационного воздействия.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в достижении эффективного вибрационного управления неоднородными по плотности гидродинамическими системами разной природы, неизотермическими однородными или многофазными, во вращающихся контейнерах.
Решение задачи достигается за счет того, что способ вибрационного управления неоднородными по плотности гидродинамическими системами во вращающихся контейнерах заключается в вибрационном воздействии на вращающийся контейнер с неоднородной по плотности средой, причем циклическая частота вибраций равна угловой частоте вращения или отличается от угловой частоты вращения на небольшую величину, а направление вибраций перпендикулярно оси вращения. Такие вибрации приводят к созданию статического или вращающегося в системе отсчета контейнера дополнительного наведенного силового поля, изменяющего поле центробежной силы инерции, причем величина и направление наведенного поля определяются амплитудой и фазой вибраций и могут оперативно изменяться. Посредством изменения циклической частоты вибраций относительно угловой частоты вращения покоя достигается вращение поля относительно полости.
Техническим результатом является эффективное управление распределением масс, скоростью теплопередачи и интенсивностью перемешивания неоднородных по плотности гидродинамических систем во вращающихся контейнерах при помощи вибраций.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1, 2 и 3), описание которых приводится ниже.
Заявленный способ осуществляется следующим образом.
rot
0
Контейнер произвольной формы (выберем для примера цилиндр кругового сечения радиусом R), заполненный неоднородными по плотности средами (твердые тела в жидкости, жидкость и газ, несмешивающиеся жидкости разной плотности, неоднородно нагретая жидкость), приводится во вращение вокруг заданной оси с угловой частотой Ω при помощи шагового двигателя. При вращении контейнера центробежное поле , где  - радиус-вектор, перпендикулярный оси вращения контейнера, оказывает на систему стабилизирующее действие и приводит ее в состояние механического квазиравновесия, соответствующее центрифугированному состоянию, когда легкая среда находится у оси вращения, а тяжелая распределяется около стенки контейнера. На фиг. 1 показано поперечное сечение цилиндрического контейнера, заполненного жидкостью, в которую погружены «тяжелое» 1 и «легкое» 2 тела. «Легким» будем называть тело, плотность которого меньше плотности жидкости, а «тяжелым» - тело с плотностью, превышающей плотность жидкости. В центрифугированном состоянии легкое тело 1 радиусом R находится у оси вращения, а тяжелое тело 2 - у стенки контейнера. Для перехода гидродинамической системы в центрифугированное состояние во внешнем силовом поле (в поле силы тяжести) вращение должно быть достаточно быстрым. В условиях пониженной гравитации центрифугирование происходит при медленном вращении.
vib
vib
rot
0
Система, находящаяся в состоянии квазиравновесия, подвергается поперечным оси вращения поступательным вибрациям с циклической частотой Ω при помощи механического либо электродинамического вибратора (фиг. 1, b - амплитуда вибраций, t - время, α - сдвиг по фазе,  - единичный вектор, направленный вдоль оси вибраций). При условии, что циклическая частота вибраций Ω равна угловой частоте вращения Ω, вибрации приводят к формированию статического во вращающейся системе отсчета силового поля  (далее будем называть его наведенным полем), где  - единичный вектор, направленный вдоль наведенного поля. На фиг. 2 показаны центробежное и наведенное силовые поля в системе отсчета контейнера (во вращающейся системе отсчета). Направление  в системе отсчета контейнера определяется разностью фаз между колебаниями контейнера в лабораторной системе отсчета и угловым положением контейнера и определяется выражением . Здесь  - единичный вектор, направленный вдоль оси х, связанной с полостью декартовой системы координат, выбранной так, что ось z совпадает с осью вращения, а направление оси х отвечает условию . Наведенное поле нарушает симметрию центробежного силового поля. В результате происходит перераспределение масс в многофазной неоднородной по плотности системе: легкое тело смещается от оси вращения контейнера, а тяжелое тело занимает устойчивое положение у стенки контейнера в определенном месте, соответствующем минимуму потенциальной энергии. На фиг. 3 показано результирующее силовое поле при сложении наведенного и центробежного полей во вращающейся системе отсчета. Результирующее поле является осесимметричным, с осью О, смещенной от оси вращения на расстояние b/2. Величина смещения легкого тела равна b/2, т.е. возрастает с увеличением амплитуды вибраций. В случае b/2+R>R легкое тело будет прилегать вплотную к стенке контейнера. Следовательно, изменяя амплитуду вибраций, можно перемещать легкое включение вдоль радиуса. В контейнере кругового сечения легкие и тяжелые включения смещаются в противоположные стороны от оси вращения. В контейнерах некругового сечения смещения включений помимо результирующего силового поля будут также зависеть от формы полости.
Изменение разности фаз α между колебаниями контейнера в лабораторной системе отсчета и угловым положением контейнера позволяет задавать направление наведенного силового поля в системе контейнера, а значит, азимутальное положение фазовых включений, т.е. позволяет переместить легкое фазовое включение (тело, жидкость, газ) по азимуту в нужную точку контейнера, а тяжелое фазовое включение переместить в одно из ее устойчивых положений вдоль периметра контейнера.
Если контейнер заполнен неоднородной неизотермической жидкостью, то наведенное силовое поле может быть использовано для интенсификации или подавления теплопереноса. Эффект будет зависеть от температурного распределения и фазы вибраций, то есть направления наведенного поля. С увеличением амплитуды вибраций воздействие будет усиливаться.
vib
rot
Если циклическая частота вибраций отличается от угловой частоты вращения на небольшую величину ΔΩ=Ω-Ω (что соответствует изменению фазы колебаний со временем по закону α=ΔΩt), то наведенное силовое поле, возникающее под действием вибраций, медленно вращается относительно контейнера с угловой частотой |ΔΩ|. В зависимости от знака ΔΩ поле вращается либо в направлении вращения контейнера, при ΔΩ>0 (что соответствует опережающему вращению в лабораторной системе отсчета), либо в противоположном направлении, при ΔΩ<0 (соответствует отстающему вращению).
Описанные эффекты не связаны с полем силы тяжести и с успехом могут быть использованы в технологических процессах, проходящих в условиях невесомости.
Далее представлены конкретные примеры осуществления изобретения.
0
rot
vib
vib
vib
rot
rot
vib
rot
0
Пример 1. Цилиндрический плексигласовый контейнер радиусом R=35 мм и длиной 280 мм заполняют водой и помещают в него легкое цилиндрическое тело радиусом R=20 мм. Герметично закрытый контейнер закрепляют горизонтально на столике вибратора и приводят во вращение с угловой скоростью Ω при помощи шагового двигателя. После центрифугирования системы, когда легкое тело занимает устойчивое положение на оси вращения под действием центробежной силы, столику, на котором закреплен контейнер, сообщают поперечные оси вращения вибрации с циклической частотой Ω. Вибрации сообщают при помощи механического вибратора, задающего поступательные вибрации в горизонтальном направлении. Частоту и амплитуду вибраций изменяют в диапазоне: ƒ≡Ω/2π=2-5, b=1-40 мм. Опыты проводят при различных значениях скорости вращения ƒ≡Ω/2π=3 и 4 об/с. При равенстве частот Ω и Ω тело смещается от оси вращения контейнера и занимает статическое в системе отсчета полости положение. Величина смещения тела зависит от амплитуды вибраций и равна b/2, т.е. возрастает с увеличением b. При амплитудах, превышающих 30 мм, т.е. когда b/2+R>R, легкое тело вплотную прилегает к стенке контейнера.
vib
rot
vib
rot
Если циклическая частота вибраций отличается от угловой частоты вращения на небольшую величину (2-3%), то тело совершает круговое движение с частотой ΔΩ=Ω-Ω, в системе отсчета полости. При Ω-Ω>0 направление азимутального движения тела в системе отсчета полости совпадает с направлением вращения полости в лабораторной системе отсчета, то есть тело совершает опережающее азимутальное перемещение. Область отрицательных значений ΔΩ соответствует отстающему движению тела.
rot
vib
vib
vib
rot
rot
Пример 2. Рассмотрим герметичный цилиндрический плексигласовый контейнер радиусом R=18 мм и длиной 187 мм, заполненный водным раствором медного купороса (для обеспечения внутреннего разогрева жидкости при прохождении через жидкость электрического тока; напряжение подводится к электропроводным фланцам). Боковая граница контейнера поддерживается при постоянной температуре за счет обдува воздухом или орошения термостатированной жидкостью. Контейнер располагают горизонтально, жестко закрепляют на столике вибратора и приводят в относительно быстрое вращение. Скорость вращения Ω задается при помощи шагового двигателя. Затем через жидкость пропускают переменный электрический ток промышленной частоты, задающий мощность внутреннего тепловыделения. После установления в системе стационарного распределения температуры столику, на котором закреплен контейнер, сообщают поперечные оси вращения горизонтальные поступательные вибрации с циклической частотой Ω при помощи механического вибратора. Частоту и амплитуду вибраций изменяют в диапазоне: ƒ≡Ω/2π=2-5 Гц, b=1-30 мм. Опыты проводят при скорости вращения ƒ≡Ω/2π=2, 3 и 4 об/с.
vib
rot
При быстром вращении под действием центробежной силы в полости устанавливается осесимметричное температурное распределение с максимумом на оси вращения. При этом жидкость находится в состоянии устойчивого равновесия в осесимметричном поле центробежной силы. В области частот Ω, отличных от Ω более чем на 5%, конвекция в полости отсутствует, вибрации не оказывают влияния на теплоперенос, температура жидкости на оси Т соответствует теплопроводному режиму теплопереноса и практически не изменяется с частотой вибраций. Вибрации оказывают значительное влияние на состояние неизотермической жидкости в узкой области частот, близких к частоте вращения. Температура жидкости на оси Т значительно уменьшается в этой области, что свидетельствует о возникновении конвективных течений. Конвекция связана с генерацией в полости наведенного поля , которое приводит к нарушению симметрии центробежного поля. В рассмотренной постановке центробежное силовое поле в отсутствие вибраций отвечает условию равновесия осесимметричного температурного распределения. В зависимости от величины наведенного поля температура Т может понизиться в несколько раз, что соответствует повышению интенсивности теплопереноса также в несколько раз.
Таким образом, при помощи вибраций, за счет изменения частоты и амплитуды при заданной угловой частоте вращения контейнера, можно управлять распределением масс, скоростью теплопередачи, а также обеспечивать перемешивание неоднородных по плотности гидродинамических систем во вращающихся контейнерах.