КОМПАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАМИНАРНЫХ СТРУЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
COMPACT DEVICE FOR THE FORMATION OF LAMINAR JETS OF A FLOW MEDIUM

Изобретение может быть использовано применительно к медицине, биологии, точной механике, радиоэлектронике и другим областям техники для создания ламинарных затопленных струй, обеспечивающих в рабочей области текучую среду с заданными свойствами по чистоте и составу. Также устройство может быть использовано в фундаментальных исследованиях развития турбулентности в струях круглого поперечного сечения.
Такое часто встречающееся в природе и технике явление, как турбулентные струи, подробно изучается на протяжении нескольких десятилетий множеством авторов в контексте различных вариантов практических применений: перемешивание, горение, генерация звуковых возмущений. Однако в различных областях техники также существует потребность в формировании ламинарных затопленных струй текучей среды с заданными свойствами. Исследование течения ламинарных затопленных струй и процессов, сопровождающих развитие турбулентности в них, осложнено тем, что ламинарные струи при обычных условиях разрушаются в непосредственной близости от отверстия, из которого вытекают.
Длина ламинарного участка струи определяется характеристиками потока на выходе в открытое пространство: профилем скорости и интенсивностью турбулентности. Существует несколько способов создания потоков с низкой интенсивностью турбулентности в каналах.
Наиболее распространённый и часто применяющийся в фундаментальных исследованиях способ создания длинных ламинарных струй — использование длинной гладкой подготовительной трубы, в которой течение формируется. Пример: чтобы получить струю воздуха, текущую со средней скоростью 5 м/с, диаметром 20 мм и длиной ламинарного участка 200 мм=20 см потребуется подготовительная труба длиной 4 м.
На высокоточных производствах, в фармацевтике и иногда в медицине (при некоторых операциях) необходимо создание локальных чистых зон (т.е. зон, воздух в которых намного чище окружающего) или зон с другим составом (например, зон, где воздух насыщен каким-то другим газом). Часто для создания таких зон используют турбулентные струи очищенного воздуха (или нужного газа), диаметр которых значительно превышает площадь зоны, в которой необходимо обеспечить стерильность или определенный состав среды, т.к. турбулентная струя на своих краях разрушается, смешивается с окружающей средой. И только в центральной части турбулентной струи, у её оси, есть область, куда не попадает неподготовленный воздух в результате турбулентного перемешивания на краях. По сути, чистой зоной здесь является зона у оси струи, но не вся струя. В случае же использования ламинарной струи для создания локальной чистой зоны решается проблема смешивания на краях чистого газа в струе с воздухом окружающей среды, т.к. ламинарная струя в каждом своём сечении представляет собой поток чистого воздуха, не смешивающийся с окружающей средой.
Стандартный способ создания ламинарной струи с помощью длинной подготовительной трубки не представляется возможным использовать на каких-либо производствах, поскольку, чтобы создать струю диаметром, например, 10 см, которая осталась бы ламинарной на длине 1 м и средняя скорость которой была бы равна примерно 2 м/с, понадобится труба длиной около 40 метров (ось трубы должна быть прямолинейной). Поэтому актуальной проблемой остается разработка компактного устройства для формирования ламинарных струй текучей среды, в конструкции которого будут преодолены описанные выше недостатки стандартного способа и будет обеспечено соответствие требуемым эксплуатационным характеристикам.
Наиболее близким аналогом заявляемого решения является сопло для создания ламинарного потока, описанное в патенте США № 5213260, включающее впускной канал, цилиндрическое средство снижения турбулентности потока текучей среды и выпускной канал, соединенные между собой по потоку текучей среды.
К недостаткам описанного решения можно отнести недостаточную эффективность устройства ввиду геометрии его выходного канала, который обладает относительно низкой способностью уменьшения турбулентных пульсаций в потоке.
В основу изобретения поставлена задача разработать устройство для формирования ламинарных струй текучей среды, конструктивное исполнение которого обеспечит достижение технического результата, который заключается в уменьшении турбулентных пульсаций в потоке для создания ламинарных затопленных струй текучей среды, максимальная длина ламинарных участков которых может достигать от 5,5 до 7 диаметров струи, при этом заявленное устройство будет характеризоваться компактностью и простотой реализации. Под термином «ламинарная затопленная струя» или просто «ламинарная струя» имеется в виду струя, не смешивающаяся с окружающей средой, течение в ней остаётся слоистым. Турбулентная струя — противоположное понятие, движение частиц в ней хаотическое. Простым наглядным примером турбулентной струи служит струя дыма, выпускаемая курильщиком в воздух — она клубится, перемешивается с воздухом и разрушается в непосредственной близости от своего начала. При этом затопленная струя — это струя текучей среды, вытекающая в окружающее пространство, заполненное средой с таким же агрегатным состоянием. Т. е., если струя воды вытекает в аквариум, заполненный водой или любой другой жидкостью, то имеется затопленная струя воды. При этом говорить о полностью ламинарной струе в физически осязаемом смысле не совсем верно — любая струя на некотором расстоянии от отверстия, из которого вытекает, начнёт разрушаться (начнётся переход к турбулентности). Важным является, на каком расстоянии от отверстия это происходит. Поэтому, когда используется термин «ламинарная струя», следует понимать, что речь идет про ламинарный участок струи — участок до начала перехода к турбулентности.
Поставленная задача решается тем, что разработано устройство для формирования ламинарных струй текучей среды, включающее впускной канал, цилиндрическое средство снижения турбулентности потока текучей среды и выпускной канал, соединенные между собой по потоку текучей среды, при этом выпускной канал представляет собой диффузор, диаметр выходного сечения которого больше его длины по меньшей мере в два раза, а на выходе диффузора установлена по меньшей мере одна сетчатая перегородка. Специально подобранные геометрия диффузора и сопротивление сетчатой перегородки обеспечивают сохранение потока текучей среды внутри диффузора ламинарным. Указанная сетчатая перегородка тормозит поток и направляет его к стенкам канала. Также данная перегородка позволяет сделать отрыв потока локальным, ламинарным, чтобы он не приводил к росту уровня пульсаций в потоке, если отрыв все-таки происходит. Проходя через сетчатую перегородку, поток текучей среды выравнивается, а крупные пульсации исчезают. При такой реализации разработанное устройство для формирования ламинарных струй текучей среды позволяет создать несмешивающуюся с окружающей средой струю, длина которой составляет от 1,5 до 7 выходных диаметров диффузора при числах Рейнольдса от 1000 до 20000. При этом длина заявленного устройства составляет 1-3 диаметра струи, которую оно формирует. Для предотвращения отрыва потока от стенки диффузора при резком его расширении в выходном сечении и установлена сетчатая перегородка.
Предпочтительно отношение длины диффузора к диаметру его выходного сечения составляет 1:3.
Также предпочтительно диаметр выходного сечения диффузора больше диаметра его входного сечения по меньшей мере в два раза.
Предпочтительно отношение диаметров входного и выходного сечений диффузора составляет 1:3.
При указанных соотношениях размеров диффузора поток текучей среды на выходе из диффузора является осесимметричным, интенсивность турбулентных пульсаций остается одинаково малой — составляет менее 0,8 % — как и после прохождения цилиндрического средства снижения турбулентности потока текучей среды.
В одном из предпочтительных вариантов исполнения цилиндрическое средство снижения турбулентности потока текучей среды представляет собой патрубок, на входе в который установлена металлическая решетка, а за решеткой установлена втулка, на торцах которой закреплены металлические сетки. Основное назначение средства снижения турбулентности потока текучей среды — это снижение интенсивности пульсаций скорости поступающего в устройство потока текучей среды до такого уровня, при котором осуществляется ламинарное, слоистое течение. Благодаря приведенной конструкции средства снижения турбулентности, поток текучей среды выравнивается, проходя через разбивающую вихри металлическую решетку, установленную до втулки, и затем ламинаризируется, проходя через металлические сетки, установленные на втулке.
В одном из предпочтительных вариантов реализации заявляемого изобретения металлическая решетка представляет собой гексагональную решетку с круглыми отверстиями диаметром 0,6 мм и отношением площади отверстий к площади решетки 0,8. Использование решетки с указанным профилем позволяет при прохождении её потоком текучей среды сделать входящий поток равномерным и обеспечить низкую интенсивность пульсаций в потоке.
Вышеуказанные характеристики металлической решетки улучшают показатели ламинарности потока, проходящего сквозь нее.
Целесообразной является установка втулки в центральной части цилиндрического средства снижения турбулентности потока текучей среды. При относительно небольших размерах устройства данное расположение втулки является наиболее оптимальным для увеличения эффективности снижения интенсивности турбулентности потока.
Наиболее предпочтительно устанавливать втулку на расстоянии по меньшей мере 0,25·D (D — выходной диаметр диффузора) от металлической решетки.
Целесообразной является установка диффузора на расстоянии по меньшей мере 0,5·D от втулки, где D — выходной диаметр диффузора.
Предпочтительно длина втулки составляет по меньшей мере 0,417·D, где D — выходной диаметр диффузора.
Вышеуказанные расстояния, а также длина втулки, были определены опытным путем и позволяют достичь наиболее эффективного снижения интенсивности турбулентности потока.
Целесообразным является выполнение металлической сетки тканой.
Предпочтительно нити тканой металлической сетки выполнить из нержавеющей стали. Такая сетка обладает такими положительными характеристиками как небольшой вес, стойкость к перепадам температур, длительный срок эксплуатации без деформаций и разрушений, что положительно влияет на эксплуатационные и технические характеристики как отдельного элемента, так и устройства в целом.
В одном из предпочтительных вариантов реализации тканая металлическая сетка на втулке имеет следующие характеристики: выполнена из нержавеющей стали, размер ячеек 40 мкм, диаметр нити 30 мкм. Просветность такой сетки позволяет получить требуемый уровень снижения турбулентных пульсаций.
В предпочтительном варианте реализации заявляемого устройства сетчатая перегородка на выходе из диффузора представляет собой группу металлических тканых сеток.
Предпочтительно металлическая тканая сетка содержит латунную сетку и нержавеющую стальную сетку.
Также предпочтительно диаметр нити латунной сетки находится в диапазоне 0,046 – 0,054 мм, а диаметр нити нержавеющей стальной сетки — в диапазоне 0,026 – 0,034 мм.
Металлическая тканая сетка с вышеуказанными характеристиками будет являться наиболее предпочтительной для успешного создания помехи для отрыва потока от стенок диффузора и сохранять течение на выходе из него ламинарным, создавая при этом необходимый профиль скорости.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью следующих графических материалов.
Фиг. 1 — вид спереди устройства для формирования ламинарных струй текучей среды.
Фиг. 2 — общий вид втулки.
Фиг. 3 — безразмерный вид профиля скорости струи — зависимости скорости от радиальной координаты — в сечении струи, расположенном на расстоянии 5 мм от выхода из диффузора.
Фиг. 4 — форма профиля канала диффузора.
Фиг. 5 — результаты термоанемометрических измерений профилей скорости в потоке на расстоянии 5 мм от выхода из устройства для различных скоростных режимов.
Фиг. 6 — результаты термоанемометрических измерений пульсаций скорости в потоке на расстоянии 5 мм от выхода из устройства для различных скоростных режимов.
Фиг. 7 — зависимость длины ламинарного участка струи от числа Рейнольдса.
Фиг. 8 — результаты термоанемометрических измерений профилей скорости в потоке на расстояниях, соответствующих длинам ламинарных участков на данных скоростных режимах.
Фиг. 9 – результаты термоанемометрических измерений пульсаций скорости в потоке на расстояниях, соответствующих длинам ламинарных участков на данных скоростных режимах.
Фиг. 10 — лазерная визуализация ламинарной струи до перехода к турбулентности.
Фиг. 11 — лазерная визуализация ламинарной струи до перехода к турбулентности.
На фиг. 1 представлен вид спереди устройства для формирования ламинарных струй текучей среды, включающего впускной канал 1, цилиндрическое средство снижения турбулентности потока текучей среды, представляющее собой патрубок 2 с установленными в нём решеткой 3 и втулкой 4, диффузор 5 с сетчатой перегородкой 6 на выходе.
На фиг. 2 представлен общий вид втулки 4, на торцах которой закреплены металлические сетки 7.
max
На фиг. 3 показан безразмерный вид наиболее предпочтительного профиля скорости на выходе из устройства. U — скорость в данной точке. U — скорость на оси струи, r — координата, отсчитываемая вдоль радиуса струи от её центра, R — радиус струи (выходного сечения диффузора).
На фиг. 4 представлена геометрическая форма профиля канала диффузора. Эта форма, очерчиваемая гиперболой, и значение сопротивления сетчатой перегородки на выходе из диффузора подбираются варьированием для данного числа Рейнольдса струи так, чтобы внутри диффузора не происходил отрыв потока от стенки (либо, если отрыв все-таки происходит, чтобы он был локальным, ламинарным, не приводящим к росту уровня пульсаций в потоке) и безразмерный вид профиля скорости был близок к виду, показанному на фиг. 3.
av
av
На фиг. 5 представлены результаты термоанемометрических измерений профилей скорости на расстоянии 5 мм от выхода из устройства при различных скоростных режимах (различных числах Рейнольдса Re=(ρ∙D∙v)/μ, где ρ, μ — плотность и динамический коэффициент вязкости воздуха, D — диаметр струи (то же, что диаметр выходного сечения диффузора), v— средняя по сечению скорость струи).
av
av
На фиг. 6 приведены результаты термоанемометрических измерений профилей пульсаций скорости на расстоянии 5 мм от выхода из устройства для тех же скоростных режимов (различных чисел Рейнольдса Re=(ρ∙D∙v)/μ, где ρ, μ — плотность и динамический коэффициент вязкости воздуха, D — диаметр струи (то же, что диаметр выходного сечения диффузора), v— средняя по сечению скорость струи).
lam
На фиг. 7 представлена зависимость длины ламинарного участка струи от числа Рейнольдса для одного из вариантов реализации устройства. Длина ламинарного участка L отложена вдоль оси ординат в безразмерном виде — отнесена к диаметру струи D, равному для данного варианта реализации устройства 120 мм.
На фиг. 8 представлены результаты термоанемометрических измерений профилей скорости для семи рассмотренных на фиг. 5 и фиг. 6 скоростных режимов. Расстояние, на котором для каждого скоростного режима измерены профили скорости и пульсаций, соответствует длине ламинарного участка струи для данного режима (данного числа Рейнольдса).
На фиг. 9 представлены результаты термоанемометрических измерений пульсаций скорости для семи рассмотренных на фиг. 5 и 6 скоростных режимов. Расстояние, на котором для каждого скоростного режима измерены профили пульсаций скорости, соответствует длине ламинарного участка струи для данного режима (данного числа Рейнольдса).
lam
lam
На фиг. 10 представлена лазерная визуализация ламинарной струи до перехода к турбулентности. Длина ламинарного участка L составляет ~ 5,5 диаметров струи (т.е. L = 660 мм при варианте реализации устройства с выходным диаметром диффузора D=120 мм). Визуализация выполнена с помощью засеяния входного потока жидкими частицами водно-глицериновой смеси и подсветки струи в плоскости оси с помощью лазерного светового ножа. Число Рейнольдса струи на данной фотографии равно 7240.
На фиг. 11 представлена лазерная визуализация участка струи до перехода к турбулентности, когда длина ламинарного участка составляет 7 диаметров струи, т.е. 840 мм (вариант реализации устройства, при котором для данного режима — Re = 10100 — профиль канала диффузора таков, что не происходит локальный ламинарный отрыв внутри диффузора).
Для измерения поля скорости потока текучей среды использован термоанемометр DISA 56C01 CTA, сигнал с которого передавался на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и обрабатывался. Скорость и турбулентные пульсации измерены проволочными датчиками малого размера Dantec Dynamics 55P11, закрепленными на устройстве перемещения. Длина нити датчика составляла 1,25 мм, а толщина — 5 мкм. Для калибровки датчика измерена зависимость напряжения сигнала термоанемометра от скорости потока текучей среды в месте установки датчика. Поток текучей среды создан с помощью калибровочной установки 55D41/42 измерительного комплекса DISA. При этом скорость потока была определена с помощью наклонного спиртового дифференциального манометра G1634, измеряющего перепад давления между входом в сужающуюся часть сопла и измерительной областью. Чувствительность манометра — 0,0125 мм водяного столба. Для расчета скорости использованы формулы, приведенные в описании калибровочной установки. Так, для скоростей меньших 50 м/с
,
2
где U — скорость потока воздуха в м/с, g — ускорение свободного падения в м/с, — газовая постоянная воздуха = 286,7 Дж/(кг⋅K), T — температура воздуха в K, P — давление воздуха в Па, k — тангенс угла наклона трубки манометра, h — длина столба жидкости в мм.
Полученная зависимость с помощью метода наименьших квадратов с погрешностью в доли процента аппроксимирована аналитической функцией, после чего найдена обратная зависимость, связывающая напряжение сигнала термоанемометра со скоростью. Точность последующих измерений определялась точностью измерения скорости по показаниям дифференциального манометра при тарировке и при скорости на уровне 2 м/с составляла 3–4 %. Поскольку погрешность вызвана главным образом погрешностью тарировки датчика, она систематическая для каждой серии измерений. В результате погрешность измерения относительных пульсаций скорости на порядок меньше приведенных выше значений. Визуализация струи выполнена с помощью светоотражающих частиц, лазера KLM-532/h-5000 и видеокамеры.
Заявляемое изобретение реализуется следующим образом.
В качестве цилиндрического средства снижения турбулентности потока текучей среды используют патрубок 2, на входе в который устанавливают металлическую решетку 3, а за решеткой устанавливают втулку 4, на торцах которой закрепляют металлические сетки 7. Установку металлической решетки 3, втулки 4 и закрепление металлических сеток 7 производят любым удобным и технологически возможным способом. Металлические сетки 7, натянутые на втулку 4, выполняют из нержавеющей стали. Металлическая решетка 3 представляет собой гексагональную решетку с круглыми отверстиями. Далее к патрубку 2 присоединяют диффузор 5, расширяющийся на длине одного своего входного диаметра приблизительно в три раза. Диффузор 5 присоединяют к патрубку 2 любым удобным и технологически возможным способом. На выходе из диффузора 5 устанавливают сетчатую перегородку 6. Также возможен вариант реализации, при котором возможна установка нескольких сетчатых перегородок (на фиг. 1 не показан). Текучую среду, например, воздух, подают в устройство по впускному каналу 1. Устройство устанавливают на различных высокоточных производствах, например, медицинском или техническом, для организации газодинамических завес, создающих области с заданными свойствами по чистоте и составу внутри другой газовой среды.
Таким образом, заявляемое изобретение, благодаря своему конструктивному исполнению, уменьшает турбулентные пульсации в потоке и формирует начальный профиль скорости струи, что позволяет создать затопленные струи, максимальная длина ламинарных участков которых достигает от 5,5 до 7 диаметров струи, при этом заявленное изобретение характеризуется компактностью и простотой реализации.