METHOD OF COMBINED DEVICE TO GENERATE PRESSURE OSCILLATION IN FLUID FLOW
СПОСОБ И КОМБИНИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ДАВЛЕНИЯ В ПОТОКЕ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а также может быть использовано в химической промышленности при получении эмульсий.
Известен способ генерирования колебаний давления в потоке жидкости, реализованный в устройстве (см. заявка №481327 от 25.08.1975 г.), заключающийся в том, что устанавливают соосно кольцевое питающее сопло и цилиндрическое тело с торцем в камере с выходным каналом, подают кольцевую струю жидкости из сопла на острые боковые кромки цилиндрического тела, возбуждают колебания давления с частотой кромочного тона и формируют волновое поле вокруг цилиндрического тела.
Этот способ генерирования колебаний давления в потоке жидкости основан на деформации струи при соударении ее с твердым препятствием и разрушении ее внутренней структуры. При натекании струи на торец препятствия цилиндрической формы вдоль боковых стенок цилиндрического тела образуется выраженная застойная область с кольцевым обратным вихрем и формируется течение по принципу свистка, в котором основная высокоскоростная струя соприкасается с поверхностью застойной области и на границе раздела возникают интенсивные сдвиговые напряжения, вызывающие пульсации давления.
Недостатком такого способа генерирования колебаний давления является небольшая амплитуда колебаний вследствие невысокой эффективности преобразования кинетической энергии струи в энергию колебательного движения среды.
Известен способ генерирования колебаний давления в потоке жидкости, ближайший по технической сущности и принятый в качестве прототипа, реализованный в устройстве (см. заявка №284466 от 01.01.1970), заключающийся в том, что: устанавливают соосно кольцевое входное сопло и втулку-резонатор с днищем в камеру с выходным каналом, подают кольцевую струю жидкости из сопла на острые боковые кромки втулки-резонатора, возбуждают колебания давления с частотой кромочного тона, усиливают колебания в резонирующем столбе жидкости внутри втулки и формируют волновое поле вокруг втулки.
Этот способ базируется на двух основных механизмах - генерировании колебаний давления в потоке при его натекании на острую кромку боковой стенки втулки (кромочного тона) и значительном усилении возникающих колебаний с помощью резонатора - столба жидкости, заключенного во втулке (с помощью резонанса). При этом обязательным условием отклика, или же усиления колебаний системой, является согласование режимных параметров струи, натекающей на кромку, и соотношения геометрических размеров самой втулки. Для достижения резонанса колебательной системы необходимо соответствие частоты кромочного тона и собственной частоты колебаний резонатора - столба жидкости, заполняющего втулку.
Кольцевое сопло и втулку с днищем устанавливают соосно с некоторым интервалом в камере, имеющей выходной канал. Жидкость подают с избыточным давлением в сопло и формируют на выходе из сопла кольцевую струю, которую направляют на острую кольцевую кромку боковой стенки втулки. При натекании струи на острую кромку генерируются гармонические колебания давления, характеризующиеся частотой кромочного тона, которые распространяясь во втулке, образуют падающую волну и, отражаясь от ее дна, формируют отраженную волну. При согласовании фазы падающей и отраженной волн в столбе жидкости устанавливается стоячая волна, и амплитуда колебаний, излучаемых резонатором, многократно увеличивается.
Недостатком такого способа генерирования колебаний давления является монотонность частоты генерируемых колебаний.
Известен струйный резонатор Гельмгольца, ближайший по технической сущности и взятый за прототип, (см. Experimental Study of a Jet-Driven Helmholtz Oscillator, J. Fluids Eng., September 1979, Volume 101, Issue 3, p.383, doi: 10.1115/1.3448983), представляющий собой полое тело вращения, включающее: обечайку, закрепленную между двумя днищами; входное сопло, установленное в одном днище; и соосный с соплом выходной канал с острыми кромками, организованный в противоположном днище.
Струйный резонатор Гельмгольца представляет собой два плоских параллельных днища, между которыми зажата обечайка. Обычно обечайку выполняют цилиндрической формы, но бывают обечайки квадратного сечения. При этом в одном плоском днище организовано круглое входное сопло, которое может выступать внутрь камеры, а в противоположном плоском днище организован круглый выходной канал с острыми кромками. Выходной канал представляет собой втулку с острыми краями, установленную в днище генератора. Втулка также может выступать внутрь камеры. Сопло и выходной канал выполняются соосными по отношению друг к другу и располагаются на оси цилиндрической обечайки.
Недостатком генератора, взятого за прототип, является круглая заполненная форма выходного канала, что не позволяет генерировать колебания давления на нескольких частотах.
Технический результат достигается за счет того, что в способе генерирования акустических колебаний в потоке жидкости, заключающемся в том, что устанавливают соосно кольцевое питающее сопло и втулку-резонатор с днищем в камеру с выходным каналом, подают кольцевую струю жидкости из сопла на острые боковые кромки втулки-резонатора, возбуждают колебания давления с частотой кромочного тона, усиливают колебания в резонирующем столбе жидкости внутри втулки и формируют волновое поле вокруг втулки, в камере выходной канал организуют кольцевого сечения, в котором втулка-резонатор образует внутреннюю стенку, а внешнюю цилиндрическую стенку канала выполняют также с острой входной кромкой и подают кольцевую струю жидкости в выходной канал таким образом, чтобы кольцевая струя жидкости задевала при втекании в канал как внешнюю, так и внутреннюю острые кромки выходного канала, при этом генерируют на внешней кромке выходного канала дополнительные колебания со своей частотой кромочного тона и увеличивают их амплитуду в резонирующем объеме камеры.
В струйном резонаторе Гельмгольца, представляющем собой тело вращения и включающем: обечайку, закрепленную между двумя днищами; входное сопло, установленное в одном днище; и соосный с ним выходной канал с острыми кромками, организованный в противоположном днище, в устройстве размещен свисток Гальтона следующим образом: - входное сопло выполнено кольцевым и выходной канал также выполнен кольцевым за счет установки в центре канала втулки-резонатора с острыми кромками и днищем.
Предложенный способ генерирования колебаний давления состоит в следующем.
Работа струйного резонатора Гельмгольца включает два основных механизма - генерирование колебаний давления в потоке при натекании струи на острую кромку выходного канала (кромочного тона) и усиление амплитуды колебаний резонатором - столбом жидкости, заключенном в объеме камеры (резонанс).
При движении затопленной струи в камере резонатора Гельмгольца она увлекает своим движением окружающие слои неподвижной жидкости, что приводит к формированию на поверхности струи равномерно чередующихся кольцевых вихревых образований. Эти вихревые образования увлекаются струей и ударяются об острую кромку выходного канала, что вызывает локальные возмущения давления вблизи кромки и колебания давления в окружающем пространстве. Если частота всплесков давления на кромке совпадает с частотой собственных колебаний столба жидкости, заполняющей камеру резонатора, то их амплитуда значительно возрастает. При этом камера выступает в качестве объемного резонатора - усилителя акустических колебаний, а собственная частота резонатора является определяющим фактором при формировании частоты колебаний давления в потоке жидкости. Таким образом, частота колебаний давления в потоке жидкости будет соответствовать собственной частоте колебаний камеры струйного резонатора.
Свисток Гальтона представляет собой колебательную систему, включающую кольцевое сопло и втулку с днищем, установленные соосно и с некоторым интервалом (см. Л.Бергман. Ультразвук и его применение в технике, с.27, ил, М., 1957).
Те же самые механизмы определяют работу свистка Гальтона - генерирование колебаний давления при натекании струи на острую кромку втулки и увеличение амплитуды колебаний объемным резонатором - столбом жидкости, заполняющей втулку. При этом частота колебаний давления в потоке определяется собственной частотой колебаний резонатора вне зависимости от частоты кольцевых вихрей, окружающих струю жидкости.
Каждое из устройств, как струйный резонатор Гельмгольца, так и свисток Гальтона, генерирует колебания определенной частоты, струйный резонатор генерирует колебания с частотой, соответствующей частоте собственных колебаний столба жидкости, заключенного в объеме камере, а свисток Гальтона - с частотой, соответствующей собственной частоте своего объемного резонатора - втулки с днищем.
Предлагаемое устройство позволяет объединить обе колебательные системы в единую конструкцию, причем одно питающее кольцевое сопло работает на обе системы сразу за счет того, что кольцевая струя жидкости, вытекающая из сопла, своей наружной частью вызывает звучание камеры струйного резонатора Гельмгольца, а внутренней частью - камеры свистка Гальтона.
Круглая струя обладает большей устойчивостью и дальнобойностью, но в акустическом смысле это бесполезные достоинства, поскольку в камере резонатора Гельмгольца генерирующим колебания элементом является оболочка струи, натекающая на острую кромку выходного канала. В свистке Гальтона наоборот - генерирующим элементом является внутренняя поверхность струи при натекании струи на кромку втулки.
В комбинированном устройстве следует обеспечить синфазность обоих резонаторов. Для этого следует обеспечить подвижность одной из стенок резонатора Гельмгольца и днища втулки-резонатора. Этим будет обеспечена настройка и согласование собственной частоты камеры резонатора Гельмгольца и собственной частоты втулки-резонатора свистка Гальтона.
Предложенный способ позволяет формировать с помощью одного устройства два самостоятельных синфазных волновых поля в потоке жидкости.
На фиг.1 представлена схема устройства, в котором объединены струйный резонатор Гельмгольца и свисток Гальтона.
Комбинированный генератор колебаний давления состоит из двух самостоятельных резонаторов, имеющих общее питающее кольцевое сопло 1. Резонатор Гельмгольца состоит из корпуса 2, зажатого между двумя плоскими крышками 3 и 4, а в его выходном канале 5 установлена втулка 6 с острыми краями и днищем, являющаяся резонатором свистка Гальтона.
Работает устройство следующим образом. На выходе из кольцевого сопла 1 формируется кольцевая струя, которая направляется в кольцевое выходное отверстие 5. Струя ударяется своей внешней частью в острую наружную кромку выходного канала 5, вызывая звучание резонатора Гельмгольца, а своей внутренней частью - в острую кромку втулки 6, заставляя звучать резонатор свистка Гальтона. Каждый резонатор звучит на частоте собственных колебаний, а устройство одновременно звучит на двух основных частотах.
Возможно выполнение втулки-резонатора с отверстием в днище, поскольку при работе в режиме резонанса днище втулки существенно нагревается и небольшой проток жидкости позволит охладить этот элемент конструкции.
Возможно выполнение питающего сопла круглым, заполненного профиля. Тогда свисток Гальтона превращается в резонатор Гартмана, отличающийся лишь формой питающего сопла. Механизмы генерирования колебаний давления острой кромкой и увеличение амплитуды колебаний резонирующим столбом жидкости те же, что и в свистке Гальтона. Необходимо в этом случае лишь предусмотреть, чтобы струя попадала как на кромку втулки-резонатора, так и на внешнюю кромку кольцевого канала, вызывающую звучание резонирующей камеры в струйном резонаторе Гельмгольца.
В самом общем случае оба резонатора могут звучать каждый на своей собственной частоте, определяемой частотой собственных колебаний этих камер. Но более интересным представляется такой режим работы устройства в целом, когда собственные частоты обоих резонаторов подобраны таким образом, чтобы и фазы излучаемых волновых полей совпадали. Интерференция волн, совпадающих по частоте и фазе, приведет к значительному увеличению амплитуды колебаний. Для этого можно выполнить резонатор Гельмгольца с подвижным днищем типа поршня на штоке или же перемещать целиком втулку в осевом направлении внутри камеры, а камеру-резонатор у генератора Гартмана или свистка Гальтона выполнить с подвижным днищем.