УСТРОЙСТВО И СПОСОБ СОЗДАНИЯ ВИХРЕВОЙ ВОРОНКИ ВО ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЕ
DEVICE AND METHOD OF CREATING VORTEX FUNNEL IN ROTATING FLUID MEDIUM

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение, в общем, относится к устройству и способу создания вихревой воронки во вращающейся текучей среде, например, к устройству и способу создания вихревой воронки во вращающейся текучей среде системы сжатия плазмы.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Если в настоящем документе специально не указано иное, материалы, описанные в этом разделе, не являются известным уровнем техники для формулы изобретения, содержащейся в настоящей заявке, и не признаются известным уровнем техники посредством включения в этот раздел.
Гладкая вакуумированная полость в объеме жидкой среды является неотъемлемой частью системы сжатия плазмы, которая разрабатывается компанией General Fusion Inc., Бернаби, Канада. Вакуумированная полость, которая также называется вихревой воронкой, создается по центру сосуда для сжатия плазмы, наполненного расплавленным металлом, таким как расплавленный свинец или литий. Система нагнетания используется для получения вращающегося потока текучей среды в сосуде для сжатия и создания воронки, которая может представлять собой газовую или вакуумную воронку. Плазма впрыскивается в такую воронку, а затем сжимается сходящейся волной давления, которая разрушает воронку, сжимающую плазму.
Ранее для получения вихревой воронки проводились эксперименты с использованием систем перекачки воды и/или жидкого свинца. Нагнетательная система в некоторых их этих систем была основана на концепции создания воронки на поверхности жидкости, в соответствии с которой воронка образуется в результате тангенциального нагнетания жидкости в сосуд для сжатия и слива жидкости через отверстие в нижней части такого сосуда. Несмотря на то, что такие системы доказали свою эффективность при формировании вихревой воронки, были выявлены определенные проблемы, такие как, например, в случае, когда воронка проходит через весь сосуд и заходит в сливной патрубок, вследствие чего полученная вихревая воронка теряет требуемую гладкость границы раздела жидкость-газ. Недостаточная гладкость границы раздела, т.е. постоянное присутствие высокочастотной «ряби» на поверхности, объясняется наличием интенсивных сдвиговых слоев вблизи границы раздела, действующих в вертикальном направлении, а также взаимодействием вращающейся границы раздела (в верхней и нижней частях вихревого потока) со стационарными стенками сосуда. Вихревая воронка занимает всю высоту сосуда, соприкасаясь со стационарной стенкой в верхней частью сосуда и заходя в сливное отверстие в нижней части сосуда. Если вихревая воронка заходит в сливное отверстие, она может блокировать значительную часть площади слива, что может привести к существенному увеличению вертикальной скорости (и сдвига) у границы вихревой воронки, что - в свою очередь - может привести к дестабилизации (например, прецессионному колебанию) вихревого потока и ухудшению качества его поверхности. Кроме того, объем текучей среды в системе не может быть фиксированным, т.е. нагнетание текучей среды не связано с ее сливом (незамкнутая система), что усложняет управление и/или прогнозирование точных параметров создаваемой вихревой воронки.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предложено устройство для создания вихревой воронки во вращающейся текучей среде. Устройство содержит сосуд с первым вращателем, характеризующимся наличием вращающейся лицевой поверхности, свободно вращающейся во внутреннем пространстве сосуда, и вторым вращателем с вращающейся лицевой поверхностью, свободно вращающейся во внутреннем пространстве сосуда таким образом, что вращающаяся лицевая поверхность второго вращателя расположена на одной оси с вращающейся лицевой поверхностью первого вращателя и обращена в ее сторону. Устройство также содержит, по меньшей мере, один впускной патрубок для нагнетания текучей среды, который сообщается по текучей среде с внутренним пространством сосуда и располагается между первым и вторым вращателями так, что вращающаяся текучая среда может впрыскиваться в сосуд таким образом, что в пространстве между первым и вторым вращателями создается вихревой поток. Устройство также содержит жидкостный насос, соединенный, по меньшей мере, с одним впускным патрубком для нагнетания текучей среды с целью впрыска вращающейся текучей среды в сосуд таким образом, чтобы текучая среда вращалась в сосуде с достаточным угловым моментом для формирования вихревой воронки, занимающей все пространство между первым и вторым вращателями. Радиус вихревой воронки меньше радиусов первого и второго вращателей, вследствие чего один конец вихревой воронки располагается на вращающейся лицевой поверхности первого вращателя, а противоположный конец вихревой воронки располагается на вращающейся лицевой поверхности второго вращателя. Устройство также содержит, по меньшей мере, один сливной патрубок для отвода вращающейся текучей среды, который сообщается по текучей среде с внутренним пространством сосуда, и который отстоит от первого и второго вращателей на расстояние, достаточное для того, чтобы обеспечивать слив текучей среды из сосуда.
В одном из аспектов настоящего изобретения, по меньшей мере, один сливной патрубок для отвода вращающейся текучей среды расположен на одной оси с первым вращателем и вторым вращателем.
Устройство может дополнительно содержать систему трубопроводов, которая сообщается по текучей среде с жидкостным насосом и, по меньшей мере, с одним впускным патрубком и, по меньшей мере, одним сливным патрубком так, что текучая среда, сливаемая их сосуда через, по меньшей мере, один сливной патрубок, повторно проходит обратно в сосуд через, по меньшей мере, один впускной патрубок.
В одном из аспектов настоящего изобретения, по меньшей мере, один из вращателей - первый или второй - может дополнительно содержать центральное отверстие, охваченное цельным ободом, ширина которого достаточна для удержания вихревой воронки. По меньшей мере, один из вращателей - первый или второй - может представлять собой полую трубку с отверстием по центру и боковой стенкой, задающей цельный обод, удерживающий вихревую воронку. Полая трубка может дополнительно содержать прорезь, идущую по окружности внутреннего торца боковой стенки, а также подвижную крышку и приводной механизм, выполненный с возможностью перевода подвижной крышки из первого положения, закрывающего центральное отверстие, во второе положение, не закрывающее центральное отверстие, и обратно.
В еще одном из аспектов настоящего изобретения устройство может дополнительно содержать, по меньшей мере, один электродвигатель для вращения первого и второго вращателей, и контроллер, электрически связанный, по меньшей мере, с одним электродвигателем, и запрограммированный на регулирование частоты вращения, соответственно, первого и второго вращателей.
В одном из аспектов настоящего изобретения первый и второй вращатели могут дополнительно содержать множество выступающих пластин, соединенных с нижней поверхностью первого и второго вращателей и отходящих от нее таким образом, что множество выступающих пластин оказывается ориентированным по существу перпендикулярно направлению вращения вращающейся текучей среды.
Согласно еще одному из аспектов настоящего изобретения предложена система сжатия плазмы, использующая генератор вихря. Система сжатия плазмы включает в себя камеру сжатия плазмы, в которой содержится вращающаяся текучая среда; по меньшей мере, один впускной патрубок для нагнетания вращающейся текучей среды; и, по меньшей мере, один сливной патрубок для отвода вращающейся текучей среды, отстоящий на определенное расстояние, по меньшей мере, от одного впускного патрубка для нагнетания вращающейся текучей среды. Наружная стенка задает внутреннее пространство камеры. Система дополнительно содержит, по меньшей мере, один плазменный генератор, выполненный с возможностью генерирования и впрыска плазмы во внутреннее пространство камеры. Плазменный генератор снабжен выпускным патрубком, сообщающимся о текучей среде с внутренним пространством камеры плазменного генератора так, что сгенерированная плазма может подаваться в камеру. В указанной системе предусмотрен также генератор волн давления с множеством поршней, расположенных по окружности камеры таким образом, что эти поршни ударяются о наружную стенку камеры и создают волну давления, сходящуюся во вращающейся текучей среде, которая содержится во внутреннем пространстве камеры. Указанная система также содержит генератор вихря, предназначенный для создания вихревой воронки в камере. Генератор вихря содержит первый вращатель с вращающейся лицевой поверхностью, свободно вращающейся во внутреннем пространстве камеры, и второй вращатель с вращающейся лицевой поверхностью, свободно вращающейся во внутреннем пространстве камеры. Между первым и вторым вращателями предусмотрен, по меньшей мере, один впускной патрубок, сообщающийся по текучей среде с внутренним пространством, вследствие чего вращающаяся текучая среда может впрыскиваться в камеру сжатия плазмы таким образом, что это порождает вихревое течение вращающейся текучей среды между первым и вторым вращателями. По меньшей мере, один сливной патрубок для отвода вращающейся текучей среды, который также сообщается по текучей среде с внутренним пространством, отстоит от первого и второго вращателей на расстояние, достаточное для того, чтобы вращающаяся текучая среда могла отводиться из камеры сжатия плазмы. Жидкостный насос, соединенный, по меньшей мере, с одним впускным патрубком для нагнетания текучей среды, выполнен с возможностью впрыска вращающейся текучей среды в камеру таким образом, что текучая среда вращается с угловым моментом, достаточным для образования вихревой воронки, занимающей все пространство между первым и вторым вращателями, вследствие чего один конец вихревой воронки располагается на вращающейся лицевой поверхности первого вращателя, а противоположный конец вихревой воронки располагается на вращающейся лицевой поверхности второго вращателя. По меньшей мере, один из вращателей - первый или второй - снабжен центральным отверстием, охваченным цельным ободом, ширина которого достаточна для удержания вихревой воронки. Центральное отверстие расположено на одной оси с выпускным патрубком плазменного генератора, благодаря чему плазма, сгенерированная плазменным генератором, может поступать в вихревую воронку.
Согласно еще одному из аспектов настоящего изобретения предложен способ создания вихревой воронки в системе сжатия плазмы. Этот способ предусматривает стадию установки первого вращателя и второго вращателя внутри камеры сжатия плазмы таким образом, чтобы второй вращатель отстоял на определенное расстояние от первого вращателя. Каждый из вращателей - первый и второй - характеризуется наличием вращающейся лицевой поверхности, свободно вращающейся во внутреннем пространстве камеры таким образом, что первая и вторая вращающиеся лицевые поверхности расположены на одной оси и обращены в сторону друг друга. Этот способ дополнительно предусматривает стадию циркулирования вращающейся текучей среды во внутреннем пространстве камеры сжатия плазмы с угловым моментом, достаточным для образования вихревой воронки, которая занимает все пространство между первым и вторым вращателями; и стадию вращения вращающихся лицевых поверхностей первого и второго вращателей с такой скоростью, чтобы первый конец вихревой воронки располагался на вращающейся лицевой поверхности первого вращателя, а противоположный конец вихревой воронки располагался на вращающейся лицевой поверхности второго вращателя.
В дополнение к аспектам и вариантам осуществления настоящего изобретения, описанным выше, в привязке к чертежам и на основе последующего подробного описания станут очевидными дополнительные аспекты и варианты осуществления настоящего изобретения.
Краткое описание фигур
По всем чертежам могут быть многократно использованы одни и те же номера позиций для обозначения соответствия между отсылочными элементами. Чертежи представлены лишь в качестве иллюстрации примеров осуществления заявленного изобретения, описанных в настоящем документе, и не претендуют на то, чтобы ограничивать объем настоящего раскрытия. Относительное положение элементов на чертежах и их размеры необязательно представлены в масштабе. Например, не вычерчены в масштабе формы различных элементов и углы, а некоторые их этих элементов произвольно увеличены, а их положение смещено для улучшения читаемости чертежей.
На фиг. 1А-1D схематически показаны поперечные сечения вариантов моделирования, иллюстрирующие развитие гидравлической неустойчивости на границе раздела газ-жидкость при разрушении вихревой воронки для двух амплитуд начального возбуждения на границе раздела газ-жидкость;
На фиг. 2А представлен вид сбоку в поперечном разрезе устройства для создания вихревой воронки согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 2B представлен вид сверху в поперечном разрезе устройства, показанного на фиг. 2А;
На фиг. 3А представлено схематическое перспективное изображение сгенерированной компьютером численной модели устройства, показанного на фиг. 2А;
На фиг. 3B представлено схематическое перспективное изображение сгенерированной компьютером численной модели устройства для создания вихревой воронки согласно еще одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 4А представлено схематическое перспективное изображение, иллюстрирующее образования вихревой воронки в устройстве, показанном на фиг. 3А;
На фиг. 4B представлено схематическое перспективное изображение, иллюстрирующее образование вихревой воронки в устройстве, показанном на фиг. 3B;
На фиг. 5А представлено схематическое изображение вихревой воронки, образованной при вращении первого и второго вращателей с заданной скоростью;
∫∫ фиг. 5B представлено схематическое изображение вихревой воронки, образованной при неподвижном состоянии первого и второго вращателей;
На фиг. 6 представлено схематическое изображение в поперечном разрезе системы сжатия плазмы, содержащей устройство согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, предназначенное для создания вихревой воронки.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
Варианты осуществления заявленного изобретения, раскрытые в настоящем документе, относятся к устройству, выполненному с возможностью создания вихревой воронки во вращающейся текучей среде («жидкости вращения»). Описываемое устройство может быть реализовано в системе сжатия плазмы, такой как система, разработанная компанией General Fusion Inc. Описываемое устройство, в общем, представляет собой сосуд с впускным патрубком для нагнетания текучей среды и сливным патрубком для отвода текучей среды, отстоящим на определенное расстояние от впускного патрубка. Впускной патрубок соединен с жидкостным насосом, который может быть выполнен с возможностью регулирования объема текучей среды в сосуде, и который может также инициировать циркуляцию текучей среды в сосуде и образование вихревой воронки в текучей среде. Насос может быть выполнен с возможностью регулирования размеров/геометрии вихревой воронки путем изменения объема текучей среды в сосуде. Описываемое устройство также содержит первый вращатель, расположенный на одном конце («первом конце») сосуда, и второй вращатель, расположенный на другом конце («втором конце») сосуда. Каждый из вращателей - первый и второй - содержит вращающийся элемент с поверхностью, обращенной в сторону вихревой воронки так, что образованная вихревая воронка «сидит» на поверхности вращателей; при этом первый и второй вращатели выполнены с возможностью вращения примерно с такой же скоростью, что и вихревая воронка, что предотвращает образование высокочастотной «ряби» на поверхности вихревой воронки. Второй вращатель может располагаться над сливным патрубком на определенном расстоянии от него с целью предотвращения втягивания вихревой воронки в сливное отверстие. Такое расположение может также предотвращать образование сдвиговых слоев в вихревой воронке. Текучая среда может представлять собой жидкость, такую как расплавленный свинец, или смесь текучих сред, такую как твердожидкая суспензия, или даже газ. Вихревая воронка может содержать газ, плазму или вакуум.
Исследования, проведенные компанией General Fusion Inc. в прошлые годы, показали, что любые изъяны, изначально присутствующие на границе раздела жидкость-газ (в частности, те, которые характеризуются высокими волновыми числами), могут инициировать развитие гидродинамической неустойчивости и влиять на эффективность сжатия плазмы при разрушении вихревой воронки. На фиг. 1 приведены примеры моделирования, проведенного компанией General Fusion Inc., иллюстрирующие развитие гидродинамической неустойчивости при разрушении газовой (вихревой) воронки для разных амплитуд начального возбуждения на границе раздела газ-жидкость. На фиг. 1А показана вихревая воронка 4 с границей раздела газ-жидкость, обозначенной кривой 2, до того, как волна давления достигла границы раздела 2. Как можно заметить, на границе раздела 2 присутствуют небольшие начальные возбуждения. Когда волна давления разрушает воронку 4 (см. фиг. 1B), такие начальные возбуждения могут запустить процесс развития гидродинамической неустойчивости, которая обозначена кривой 3. На фиг. 1С проиллюстрирован еще один пример границы раздела газ-жидкость (кривая 6) с более высокой амплитудой начальных возбуждений, чем в примере, приведенном на фиг. 1A. Такие более высокие начальные возбуждения на границе раздела 6 могут еще больше искривлять границу раздела при разрушении волной давления воронки 4 (см. фиг. 1D). Как можно видеть на фиг. 1D, начальные возбуждения на границе раздела 6 могут инициировать образование острых зубцов и пузырьков на границе раздела газ-жидкость, которые обозначены кривой 7. Таким образом, становится ясно, что высокое качество созданной вихревой воронки, например, гладкость границы раздела жидкость-газ или жидкость-вакуум между вращающейся жидкостью и газовой или вакуумной вихревой воронкой, является необходимым условием для достижения требуемой эффективности сжатия.
На фиг. 2А и 2B приведен пример одного из вариантов осуществления системы 10 генерирования вихря согласно настоящему изобретению. Система 10 может представлять собой систему нагнетания, работающую по замкнутому циклу, которая содержит сосуд 12, в который текучая среда («жидкость вращения») впрыскивается, по меньшей мере, через один впускной патрубок 13; систему 24 циркуляции (нагнетания) текучей среды (см. фиг. 2B); и, по меньшей мере, один сливной патрубок 22. Сосуд 12 может характеризоваться наличием первого конца (верхней стенки) 11, второго конца (нижней стенки) 20 и боковой стенки 30, которые задают внутреннее пространство сосуда 12. Жидкость вращения впрыскивается в сосуд 12 по касательной через впускные патрубки 13 и отводится из сосуда 12 через сливной патрубок 22 на втором конце 20. По меньшей мере, один впускной патрубок расположен в экваториальной зоне (или вблизи экватора сосуда) в стороне от концов 11 и 20. По меньшей мере, один сливной патрубок 22 выполнен на одном из концов 11 и 20; при этом он отстоит на определенное расстояние от, по меньшей мере, одного впускного патрубка 13. В проиллюстрированном примере сливной патрубок 22 выполнен на втором конце 20, но любому специалисту в данной области техники понятно, что впускные патрубки 13 и/или сливной патрубок 22 могут располагаться в любом другом пригодном для использования месте без отступления от объема настоящего изобретения при условии, что жидкость вращения в сосуде 12 закручивается таким образом, что полученный угловой момент впрыскиваемой жидкости оказывается достаточным для образования в таком сосуде вихревой воронки 40. Например, сливной патрубок 22 может располагаться в верхней части (на первом конце 11); или же текучая среда может отводиться через сливные патрубки 22, выполненные на обоих концах 11 и 20.
Первый вращатель 17 выполнен с возможностью вращения в сосуде 12, например, вблизи первого конца 11, тогда как второй вращатель 18 выполнен с возможностью вращения на противоположном конце на некотором расстоянии от первого вращателя 17 и лицевой поверхностью к нему. Каждый из вращателей 17 и 18 может характеризоваться наличием вращающейся лицевой поверхности, соответственно, 17а и 18а, которая вращается со скоростью, равной скорости местного тангенциального потока текучей среды. Первый и второй вращатели 17 и 18 могут иметь общую ось с вращающейся лицевой поверхностью 17а, обращенной в сторону вращающейся лицевой поверхности 18а, благодаря чему один конец вихревой воронки располагается на лицевой поверхности 17а, тогда как противоположный конец вихревой воронки располагается на лицевой поверхности 18а. По меньшей мере, один сливной патрубок 22 расположен под вторым вращателем 18 на заданном расстоянии от него. Это сделано по той причине, что вблизи сливного патрубка для отвода текучей среды образуются большие перепады (сдвиговые слои) в вертикальной составляющей скорости, вследствие чего любые отклонения (возмущения), которыми до этого характеризовалась система, могут быть быстро усилены такими сдвиговыми слоями. Сдвиговые слои могут формироваться в радиальном направлении, распространяясь на определенное расстояние (которое коррелирует с радиусом сливного отверстия), а также распространяться на некоторое расстояние над сливным патрубком 22. Таким образом, вращатель, который располагается ближе к сливному патрубку, должен быть установлен на достаточном расстоянии от сливного патрубка с тем, чтобы не препятствовать отводу потока через этот сливной патрубок, и чтобы объем текучей среды, впрыскиваемый в сосуд 12 в любой данный момент времени, соответствовал объему текучей среды, отводимому через сливной патрубок, для поддержания объема вращающейся текучей среды в сосуде на постоянном уровне. Дальний от сливного патрубка вращатель, например, первый вращатель 17, может быть закреплен у стенки (например, на первом конце 11) с достаточным зазором, обеспечивающим вращение вращающейся поверхности 17а, или на немного большем расстоянии от указанной стенки без отступления от объема настоящего изобретения, поскольку вблизи первого вращателя 17 нет сливного отверстия. В одном из вариантов осуществления система 10 может содержать два сливных патрубка, например, один дополнительный сливной патрубок на первом конце 11 помимо одного сливного патрубка на втором конце 20. В таком варианте реализации оба вращателя 17 и 18 располагаются на достаточном расстоянии от соответствующих сливных патрубков, чтобы не препятствовать выходу вращающейся текучей среды через сливные патрубки. Расстояние между сливным патрубком 22 и ближайшим вращателем (например, вторым вращателем 18) может быть определено по соотношению между размером вращателя и размером сливного патрубка. Например, если размер (радиус) сливного патрубка 22 меньше размера (радиуса) ближайшего вращателя (второго вращателя 18), то такой вращатель должен располагаться дальше, т.е. на большее расстояние, от сливного патрубка 22, поскольку этот вращатель может тормозить поток текучей среды, что приведет к повышению его скорости. Если размер (радиус) сливного патрубка 22 превышает размер (радиус) ближайшего вращателя, то расстояние между патрубком 22 и таким вращателем может быть меньше, вследствие чего, например, вращающаяся лицевая поверхность 18а может лишь немного отступать внутрь от отверстия сливного патрубка 22. Например, для устройства 10, снабженного кольцевым сливным патрубком с внешним радиусом около 6,2 см и внутренним радиусом около 3,2 см и вращателем радиусом около 4,6 см, расстояние между вращателем и сливным патрубком может составлять около 2,5 см.
По меньшей мере, один сливной патрубок 22 может иметь по существу общую ось с первым и вторым вращателями (17 и 18). Например, по меньшей мере, один сливной патрубок 22 может представлять собой круглое отверстие, выполненное на втором конце 20, или кольцо круглого сечения на этом конце; при этом он может иметь по существу общую ось с первым и вторым вращателями (17 и 18), вследствие чего центр кольца круглого сечения может совпадать с осью вращателей 17 и 18. В одном из вариантов осуществления сливной патрубок 22 может содержать множество небольших отверстий, выполненных в кольце круглого сечения; при этом центр кольца круглого сечения может совпадать с осью первого и второго вращателей (17 и 18).
Внутреннее пространство сосуда 12 может быть частично заполнено вращающейся текучей средой, такой как, например, жидкость. Изначально система 10 может быть заполнена вращающейся текучей средой в заданном объеме, который рассчитывается, исходя из предполагаемых размеров вихревой воронки и параметров системы. Нагнетательная система 24 может содержать один или несколько жидкостных насосов 26 (фиг. 6), которые могут начать перекачку вращающейся текучей среды с тем, чтобы вращающаяся текучая среда циркулировала во внутреннем пространстве сосуда 12. Жидкостный насос 26 может быть соединен, по меньшей мере, с одним впускным патрубком 13 с тем, чтобы насос 26 мог впрыскивать вращающуюся текучую среду во внутреннее пространство сосуда 12, в результате чего вращающаяся текучая среда могла бы вращаться в сосуде с угловым моментом, достаточным для образования вихревой воронки 40, которая должна занимать все пространство между первым вращателем 17 и вторым вращателем 18. Вихревая воронка 30 характеризуется меньшим радиусом в сравнении с радиусами первого вращателя 17 и второго вращателя 18. Система 24 циркулирования текучей среды может дополнительно содержать трубопроводную систему 28 (см. фиг. 2B и 6), сообщающуюся по текучей среде с одним или несколькими жидкостными насосами 26 и, по меньшей мере, с одним впускным патрубком 13 для нагнетания текучей среды и, по меньшей мере, одним сливным патрубком 22 для отвода вращающейся текучей среды, вследствие чего вращающаяся текучая среда, отводимая из сосуда 12 через, по меньшей мере, один сливной патрубок 22 для отвода текучей среды, возвращается обратно в сосуд 12 через, по меньшей мере, один впускной патрубок для нагнетания текучей среды. Прямое сообщение между сливным патрубком 22 и нагнетательной системой 24 обеспечивает циркуляцию в системе 10 фиксированного объема вращающейся текучей среды. Сосуд 12 может иметь цилиндрическую, сферическую или любую иную приемлемую форму или размеры без отступления от объема настоящего изобретения при условии, что нагнетательная система, по меньшей мере, один впускной патрубок и, по меньшей мере, один сливной патрубок сконфигурированы таким образом, что вращающаяся текучая среда вращается с угловым моментом, достаточным для образования вихревой воронки, а слив текучей среды осуществляется беспрепятственно и в стороне от ближайшего вращателя.
Первый вращатель 17 может представлять собой диск с радиусом, равным или превышающим радиус второго вращателя 18 (в случае если сформированная вихревая воронка имеет слегка коническую форму); и наоборот, второй вращатель 18 может характеризоваться радиусом, превышающим радиус первого вращателя 17 в перевернутой конфигурации системы 10. Второй вращатель 18 также может быть выполнен в виде диска. Оба вращателя 17 и 18 характеризуются радиусом, превышающим предполагаемый радиус вихревой воронки, благодаря чему вихревая воронка 40 может располагаться между двумя вращателями 17 и 18 таким образом, что один конец вихревой воронки располагается на лицевой поверхности 17а первого вращателя, тогда как противоположный конец вихревой воронки располагается на лицевой поверхности 18а второго вращателя 18.
В одном из вариантов осуществления сосуд 12 может дополнительно содержать первую камеру 14 и вторую камеру 16, отделенную от первой камеры 14 разделительной стенкой 15. Первый и второй вращатели (17 и 18) расположены в первой камере 14 таким образом, что первый вращатель 17 установлен вблизи первого конца 11, тогда как второй вращатель 18 установлен вблизи разделительной стенки 15. Насос 26 впрыскивает жидкость вращения в первую камеру 14. В разделительной стенке 15 может быть выполнено, по меньшей мере, одно отверстие 19 с тем, чтобы жидкость вращения, нагнетаемая в первую камеру 14, могла проходить через отверстие 19 во вторую камеру 16. После этого жидкость вращения выводится из второй камеры 16 через сливной патрубок 22. Отверстие 19 может иметь круглую/кольцевую или любую иную приемлемую форму при условии, что оно располагается под ближайшим вращателем, таким как второй вращатель 18, на заданном расстоянии от него. В одном из вариантов осуществления отверстие 19 может представлять собой множество отверстий 19, выполненных в разделительной стенке 15 под ближайшим вращателем (например, вторым вращателем 18). Второй вращатель 18 может быть расположен на заданном расстоянии от отверстия 19 во избежание образования сдвиговых слоев вблизи слива текучей среды.
Положение и/или размеры вращателя на должны быть выбраны таким образом, чтобы они не препятствовать эффективному сливу жидкости вращения. Например, радиус второго вращателя 18 может быть немного меньше радиуса сливного отверстия, т.е. отверстия 19. В одном из вариантов осуществления радиус второго вращателя 18 может превышать радиус отверстия 19, а эффективный слив может осуществляться за счет установки второго вращателя 18 подальше от (выше) отверстия 19 с тем, чтобы размеры вращателя 18 не препятствовали эффективному сливу.
Каждый из вращателей 17 и 18 может быть соединен с электродвигателем (см. электродвигатель 27 на фиг. 6), который может быть выполнен с возможностью вращения вращателей 17 и 18 в определенном диапазоне скоростей. В одном из вариантов осуществления каждый из вращателей 17 и 18 может приводиться в действие отдельным электродвигателем с тем, чтобы первый вращатель 17 мог вращаться независимо от второго вращателя 18. Таким образом, каждый из вращателей 17 и 18 может вращаться с местной скоростью тангенциального потока жидкости вращения и вихревой воронки на границе раздела жидкость-газ или жидкость-вакуум (в случае использования вакуумированной системы 10). Когда концы вихревой воронки касаются стационарной стенки (например, поверхностей 17а и 18а неподвижных вращателей 17 и 18), у вращателей 17 и 18 образуются сдвиговые слои из-за условия прилипания (нулевой скорости) на стенках 17а и 18а. Эти сдвиговые слои могут обуславливать образование высокочастотной «ряби» на границе вихревой воронки. Как предполагается, регулирование скорости вращения вращателей 17 и 18 таким образом, чтобы она совпадала с местной скоростью вращения на поверхности вихревой воронки, устраняет такие сдвиговые слои и подавляет (предотвращает) образование «ряби». В одном из вариантов осуществления система 10 может содержать контроллер, связанный с электродвигателем 27 и предназначенный для регулирования скорости вращения вращателей 17 и 18. Вращатели 17 и 18 могут вращаться в одинаковой или разной скоростью, точно отрегулированной таким образом, чтобы она совпадала с местной скоростью потока текучей среды с тем, чтобы поверхность созданной вихревой воронки была гладкой и не покрывалась «рябью». Если вихревая воронка имеет, в общем, цилиндрическую форму, оба вращателя 17 и 18 могут вращаться с одинаковой скоростью; и, соответственно, они могут приводиться в движение одним и тем же электродвигателем. Вращатели 17 и 18 могут быть соединены с валом 21, который приводится в действие таким электродвигателем. В одном из вариантов осуществления электродвигатель может отсутствовать, а вращатели 17 и/или 18 могут приводиться в действие за счет движения текучей среды. Например, вращатели 17 и 18 могут содержать множество выступающих пластин 23, соединенных с нижними поверхностями 17а и 17b, соответственно, вращателей 17 и 18 и отходящих от указанных поверхностей таким образом, что множество выступающих пластин оказываются ориентированными по существу перпендикулярно направлению вращения жидкости вращения, вследствие чего выступающие пластины 23 могут обеспечивать площадь трения для закручивания вращателей 17 и 18 с требуемой скоростью.
На фиг. 3А представлено схематическое перспективное изображение сгенерированной компьютером численной модели системы 10 генерирования вихря, показанной на фиг. 2А и 2B. Для определения различных параметров системы 10 и ее реализации в системе 200 сжатия плазмы (фиг. 6) был проведен ряд численных моделирований. Моделирование осуществлялось с использованием свободно распространяемой программы вычислительной гидродинамики под названием OpenFOAM. Размеры и геометрия модели, проиллюстрированные на фиг. 3А, соответствуют экспериментальной системе 10, показанной на фиг. 2А и 2B, где используются вращающиеся диски 17 и 18. На фиг. 4А представлено схематическое перспективное изображение, иллюстрирующее образования вихревой воронки в устройстве, показанном на фиг. 3А. Для простоты на фиг. 4А показана только нижняя часть первой камеры 14 со вторым вращателем 18 и вторая камера 16. Проведенные моделирования показали, что устойчивую вихревую воронку 40 с гладкой поверхностью можно получить с использованием вращателей 17 и 18, если такие вращатели вращаются со скоростью, приближенной или равной местной скорости вращения вихревой воронки, такой как, например, около 79 рад/с. Результаты моделирования были также подтверждены экспериментами. Процесс зарождения и формирования вихревой воронки при моделировании совпадает с аналогичным процессом в системе 10, проиллюстрированной на фиг. 2-6.
На фиг. 3B представлено схематическое перспективное изображение сгенерированной компьютером численной модели системы 10 генерирования вихря согласно еще одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, тогда как на фиг. 4B представлено схематическое перспективное изображение, иллюстрирующее образование вихревой воронки в устройстве, показанном на фиг. 3B. Этот вариант осуществления может также включать в себя два вращателя, как устройство, показанное на фиг. 3А. Первый вращатель 17 может представлять собой диск (аналогичный диску 17, показанному на фиг. 2А и 3А), тогда как второй вращатель 180 может быть выполнен в виде кольца с отверстием по центру или в виде вращающейся полой трубки. В проиллюстрированном на фиг. 3B варианте осуществления второй вращатель 180 представляет собой полую трубку с отверстием по центру, охваченным цельным ободом 50. Полая трубка 180 может иметь цилиндрическую, коническую или любую иную подходящую форму или сочетание таких форм, и характеризоваться наличием нижнего конца 180b, вращающейся лицевой поверхности (верхнего конца) 180а и боковой стенки 180с, проходящей между концами 180а и 180b. Толщина боковой стенки 180с задает центральное отверстие трубки 180 и ширину цельного обода 50 на лицевой поверхности 180а. Ширина цельного обода 50 на лицевой поверхности должна быть достаточной для удержания вихревой воронки. После образования вихревой воронки она может оказаться «посаженной» на цельный обод 50 трубки 180. В одном из вариантов осуществления первый вращатель может быть также выполнен в виде полой трубки или кольца 170 (см. фиг. 6), аналогично вращателю 180. Оба вращателя могут закручиваться электродвигателем 27 (фиг. 6) или приводиться в движение за счет вращения текучей среды. Как показано на фиг. 3B и 4B, нижний конец 180b второго вращателя 180 может заходить во вторую камеру 16 сосуда 12 при условии, что вращающаяся лицевая поверхность 180а отстоит внутрь от отверстия 19 на небольшое расстояние. В альтернативном варианте осуществления нижняя часть второй камеры 16 может быть заполнена множеством камер 250 с отбойными перегородками, которые могут разделять и «успокаивать» вращающийся поток жидкости вращения перед его отводом из второй камеры 16 через сливной патрубок 22. Как показано на фиг. 3B и 4B, камеры 250 с отбойными перегородками могут быть образованы множеством щитков 260, которые установлены на внутренней стороне нижней стенки 20 таким образом, что щитки 260 отходят вверх от нижней стенки 20 и заходят во вторую камеру 16, образуя камеру 250 с отбойными перегородками. Из камеры 250 с отбойными перегородками жидкость вращения может поступать в систему 24 циркуляции через сливной патрубок 22. В одном из вариантов осуществления щитки 260 могут отсутствовать, или же они могут быть встроены в систему 28 трубопроводов для замедления потока вращающейся текучей среды.
На фиг. 5А представлено схематическое изображение вихревой воронки, образованной при вращении первого вращателя 17 и второго вращателя 18 устройства 10 с заданной скоростью. Сосуд 12 заполняется водой с тем, чтобы можно было без труда наблюдать за процессом образования вихревой воронки, т.е. вращающейся текучей средой является вода. На фиг. 5B представлено схематическое изображение вихревой воронки, образованной во вращающейся воде при неподвижном состоянии первого вращателя 17 и второго вращателя 18 устройства 10. Как показано на фиг. 5А вихревая воронка 40, образованная между первым вращателем 17 и вторым вращателем 18, когда два вращателя (17 и 18) вращаются с заданной скоростью, характеризуется гладкой стенкой без какой-либо «ряби» на ее поверхности. С другой стороны и как показано на фиг. 5B, когда первый и второй вращатели (17 и 18) находятся в неподвижном состоянии, образованная вихревая воронка 40 характеризуется неустойчивой поверхностью с явно заметной «рябью».
На фиг. 6 представлено схематическое изображение в поперечном разрезе примера осуществления системы 200 сжатия плазмы, в которой используется система 10 генерирования вихря. Система 200 содержит камеру 120 сжатия плазмы, которая характеризуется наличием наружной стенки, задающей внутреннее пространство 140 камеры 120 сжатия плазмы. Внутреннее пространство камеры 120 может быть частично заполнено вращающейся текучей средой, такой как, например, жидкость. Эта жидкость может представлять собой расплавленный металл, такой как свинец, литий или натрий, или сплав, сочетание или смесь таких металлов. Камера 120 содержит, по меньшей мере, одно отверстие, в которое может быть вставлен наконечник плазменного генератора 220 для впрыска плазмы в вихревую воронку 40 в камере 120. Это отверстие может располагаться на конце камеры 120, или в ее экваториальной зоне, или в любом ином подходящем месте без отступления от объема настоящего изобретения. Как было указано в настоящем документе выше, камера 120 может характеризоваться разными размерами и формами без отступления от объема настоящего изобретения. Например, камера 120 сжатия плазмы может иметь цилиндрическую, сферическую, овальную, коническую или любую иную подходящую форму или сочетание форм. Камера 120 может быть - по меньшей мере, частично - вакуумирована с помощью нагнетательной системы (не показана).
Множество генераторов 280 волн давления может быть выполнено с возможностью создания волны давления в среде, содержащейся в камере 120. Генераторы 280 волн давления могут создавать волну давления в текучей среде за счет ударения о наружную стенку камеры 120. Плазменный генератор 220 может представлять собой двухступенчатую коаксиальную плазменную пушку, предназначенную для генерирования и ускорения плазмы, которая затем впрыскивается в камеру 120 сжатия. Плазма может быть представлена в виде компактного тороида (КТ), такого как, например, сферомак, который представляет собой самоподдерживающуюся тороидальную плазму как с тороидальным, так и полоидальным магнитными полями. В других вариантах осуществления настоящего изобретения КТ может представлять собой плазменную конфигурацию с обратным полем (FRC), которая также характеризуется тороидальной магнитной топологией, но более вытянутой в осевом направлении с наружной поверхностью, напоминающей продолговатый эллипсоид, и которая характеризуется полоидальным магнитным полем с небольшой или нулевой тороидальной компонентой магнитного поля, или компактный тороид любой иной конфигурации, такой как токамак, стелларатор или плазменный шнур с обратным полем (RFP). Плазменный генератор 220 расположен на одной оси с отверстием, выполненным в наружной стенке камеры 120, и плотно вставлен в это отверстие, образуя герметичное соединение. В проиллюстрированном примере камера 120 характеризуется наличием двух отверстий на каждом своем конце, вследствие чего для этого случая предусмотрено два генератора 220 (по одному на каждое отверстие). Плазма, сгенерированная в каждом из генераторов 220, впрыскивается в вихревую воронку 40, образованную между первым вращателем 170 и вторым вращателем 180, с использованием системы генерирования вихря, описанной в настоящем документа выше. После этого две впрыснутые плазмы могут быть перемешаны в вихревой воронке 40.
На фиг. 6 дополнительно показан первый вращатель 170, выполненный в виде кольца, и второй вращатель 180, выполненный в виде полой трубки. Вращатели 170 и 180 могут дополнительно содержать подвижную крышку 210, выполненную с возможностью перекрытия соответствующих концов 170а и 180а в процессе формирования и стабилизации вихревой воронки 40. Концы 170b и 180b, соответственно, вращателей 170 и 180 могут открываться и сообщаться по текучей среде с плазменным генератором 220, благодаря чему плазма может впрыскиваться в вихревую воронку 40 через полые вращатели 170 и 180. Крышка 210 может переходить из первого положения, в котором крышка 210 перекрывает концы 170а и 180а (см. второй вращатель 180, показанный на фиг. 6, где крышка 210 перекрывает конец 180а), во второе положение, в котором концы 170а и 180а открыты (см. первый вращатель 170 с крышкой 210, заведенной в паз 240). Таким образом, крышка 210 может быть заведена в паз или прорезь 240 сразу после того, как между первым вращателем 170 и вторым вращателем 180 образуется устойчивая вихревая воронка 40, поддерживаемая цельным ободом 50 этих вращателей. Паз 240 может быть выполнен на внутренней стороне боковой стенки соответствующих вращателей 170 и 180 таким образом, чтобы в этот паз могла быть заведена крышка 210 при ее переводе во второе положение. Крышка 210 может перемещаться между своим первым и вторым положениями с помощью приводного механизма (не показан), который может представлять собой электрический или механический привод. Привод крышки 210 может управляться контроллером (не показан), который может запускать привод для приведения в движение крышки 210 с целью перекрытия или открытия концов 170а и 180а, соответственно, вращателей 170 и 180. Для создания устойчивой вихревой воронки с использованием системы 10 крышка 210 может находиться в своем первом положении, перекрывая концы 170а и 180а, соответственно, вращателей 170 и 180. Система может быть заполнена текучей средой в заданном объеме, который может быть рассчитан по предполагаемым размерам вихревой воронки и параметрам системы.
В одном из режимов работы нагнетательная система 24 может инициировать перекачку и циркуляцию вращающейся текучей среды, а также формирование вихревой воронки 40 за счет действия вращающегося потока вращающейся текучей среды. Предполагается, что наличие вращателя (вращающегося или неподвижного) над сливным патрубком 22 будет предотвращать втягивание вихревой воронки 40 в сливной патрубок 22. Сливной патрубок 22 может представлять собой кольцо круглого сечения, охватывающее отверстие камеры, в которое вставлен наконечник плазменного генератора 220 с образованием герметичного соединения; при этом центр кольца круглого сечения может располагаться на одной оси с вращателям 170 и 180. Вращатели 170 и 180 могут вращаться со скоростью, совпадающей со скоростью на границе раздела вращающейся текучей среды с вихревой воронкой (на границе раздела жидкость-газ или жидкость-вакуум), что, как предполагается, будет препятствовать распространению граничного слоя на стенках (лицевых поверхностях 170а и 180а) вращателей 170 и 180, что - в свою очередь - предположительно предотвратит образование высокочастотной «ряби» на поверхности вихревой воронки. После формирования устойчивой вихревой воронки 40 между вращателями 170 и 180 крышка 210 отводится в свое второе положение, открывая концы 170а и 180а вращателей 170 и 180, благодаря чему обеспечивается сообщение между вихревой воронкой 40 и плазменными генераторами 220, и плазма может поступать в вихревую воронку 40.
В одном из вариантов осуществления, проиллюстрированном на фиг. 6, перед насосом 26 может быть предусмотрена камера 270 (большого объема для получения свободной поверхности) с тем, чтобы поток текучей среды мог разбиваться и замедляться в камере 270 с целью устранения захваченных газовых пузырьков, которые могут находиться в потоке текучей среды, перед ее поступлением в насос 26.
Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что образованная вихревая воронка 40 может быть ориентирована вертикально (как это показано на фиг. 2-6) или горизонтально без отступления от объема настоящего изобретения. Например, вращатели 17 и 170, равно как и вращатели 18 и 180, могут быть установлены у боковой стенки камеры 12 или 120 так, что текучая среда может впрыскиваться в камеру через множество отверстий 13, выполненных в нижней части и/или верхней части камеры 12 или 120, и отводиться через сливное отверстие, выполненное в боковой стенке камеры 12 или 120. Вращающийся поток текучей среды в камере должен быть достаточно высоким с учетом силы земного тяготения для успешного формирования вихревой воронки, которая занимает все пространство и располагается горизонтально между установленными таким образом вращателями 17/170 и 18/180.
Примеры описанных систем генерирования вихря могут быть использованы в системах сжатия плазмы так, что плазма, введенная в вихревую воронку 40, может сжиматься сходящейся волной давления, сгенерированной генераторами 280 волн давления. Такая сходящаяся волна давления разрушает вихревую воронку 40, сжимая захваченную в ней плазму. Кроме того, такие системы могут быть использованы в исследовательских целях при изучении формирования, динамики и взаимодействия вихревых воронок; или же в различных системах сепарации частиц.
Хотя в настоящем документе представлены и описаны конкретные элементы, варианты осуществления и сферы применения настоящего изобретения, следует понимать, что объем раскрытого изобретения ими не ограничен, поскольку в изобретение могут быть включены различные модификации без отступления от его объема, в частности, с учетом вышеизложенных идей. Таким образом, например, в любом способе или процессе, описанном в настоящем документе, действия или операции, из которых состоит этот способ и/или процесс, могут выполняться в любой приемлемой последовательности, а не обязательно ограничиваться той последовательностью, которая указана в настоящем документе. В различных вариантах осуществления настоящего изобретения элементы и компоненты могут быть сконфигурированы или размещены по-разному; при этом они могут комбинироваться и/или отсутствовать. Различные признаки и процессы, описанные выше, могут быть использованы независимо друг от друга, или же они могут быть скомбинированы различными способами. Предполагается, что все возможные комбинации и подкомбинации входят в объем заявленного изобретения. Ссылка в тексте настоящего документа на «некоторые варианты осуществления настоящего изобретения», «один из вариантов осуществления настоящего изобретения» и т.п. означает, что конкретный признак, конструкция, стадия, процесс или характеристика, описанная в привязке к какому-либо варианту осуществления настоящего изобретения, включена, по меньшей мере, в один из вариантов осуществления настоящего изобретения. Таким образом, фразы «в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения», «в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения» или иные фразы подобного рода, встречающиеся по всему тексту настоящего документа, необязательно все относятся к одному и тому же варианту осуществления настоящего изобретения, а могут относиться к одному или нескольким одним и тем же или разным вариантам осуществления настоящего изобретения. Более того, новые способы и системы, описанные в настоящем документе, могут быть реализованы в самых разных иных формах; при этом в варианты осуществления настоящего изобретения, описанные в настоящем документе, могут быть внесены различные изменения, дополнения и эквиваленты, а также в них могут быть выполнены различные замены, изъятия и реконфигурации, без отступления от сущности изобретений, раскрытых в настоящем документе.
Различные аспекты и преимущества вариантов осуществления настоящего изобретения раскрыты в необходимых случаях. Следует понимать, что не все такие аспекты обязательно могут быть реализованы или не все такие преимущества обязательно могут быть достигнуты согласно какому-либо конкретному варианту осуществления настоящего изобретения. Следовательно, например, необходимо признать, что различные варианты осуществления заявленного изобретения могут быть реализованы таким образом, что может быть достигнуто или оптимизировано только одно преимущество или группа преимуществ, указанных в настоящем документе, без обязательной реализации прочих аспектов или достижения прочих преимуществ, которые могут быть указаны или предложены в настоящем документе.
Если специально не указано иное, то условные формулировки, используемые в настоящем документе, такие как, помимо прочего, «может», «мог бы», «мог», «можно» и т.п., во всех остальных случаях следует понимать в контексте настоящего документа как используемые, в общем, для того, чтобы донести информацию о том, что определенные варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя, а другие варианты не включают в себя определенные признаки, элементы и/или стадии. Следовательно, такие условные формулировки, в общем, не предусматривают, что определенные признаки, элементы и/или стадии так или иначе потребны для одного или нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения, или что один или несколько вариантов осуществления настоящего изобретения обязательно включают в себя логику для того, чтобы определить, с вводом данных оператором или операторскими подсказками или без такого ввода или подсказок, включены ли эти признаки, элементы и/или стадии в каждый конкретный вариант осуществления настоящего изобретения или должны ли они быть реализованы в каждом конкретном варианте осуществления настоящего изобретения. Ни один отдельный признак или группа признаков не является необходимым или незаменимым для какого-либо конкретного варианта осуществления настоящего изобретения. Термины «содержащий», «включающий в себя», «имеющий» и прочие термины подобного рода являются синонимами и используются включительно в неограничивающей форме, и не исключают дополнительные элементы, признаки, действия, операции и т.п. Кроме того, термин «или» используется в широком (а не в исключающем) смысле с тем, чтобы при использовании связывать между собой, например, перечень элементов; при этом термин «или» означает «один», «некоторые» или «все» элементы, содержащиеся в перечне.
Если специально не указано иное, то соединительные формулировки, такие как фраза «по меньшей мере, один из X, Y и Z», во всех остальных случаях в контексте настоящего документа следует понимать как используемые, в общем, для того, чтобы донести информацию о том, что какая-либо позиция, термин и т.п. может представлять собой или X, или Y, или Z. Следовательно, такие соединительные формулировки, в общем, не предусматривают, что определенные варианты осуществления настоящего изобретения требуют наличия в каждом из них, по меньшей мере, одного из X, по меньшей мере, одного из Y и, по меньшей мере, одного из Z.
Примеры расчетов, моделирования, результатов, графиков, численных значений и параметров вариантов осуществления заявленного изобретения, описанных в настоящем документе, носят исключительно иллюстративный характер и не претендуют на ограничение раскрытых вариантов осуществления изобретения. Прочие варианты осуществления настоящего изобретения могут быть выполнены с возможностью реализации и/или использования иным образом, отличным от иллюстративных примеров, описанных в настоящем документе, Более того, новые способы и устройства, описанные в настоящем документе, могут быть реализованы в самых разных формах; при этом в способы и системы, описанные в настоящем документе, могут быть внесены различные изменения, а также в них могут быть выполнены различные замены и изъятия, без отступления от сущности изобретений, раскрытых в настоящем документе.