СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОСТИ В ТЕЧЕНИЯХ С ВРАЩЕНИЕМ
METHOD OF ELIMINATING TURBULENCE IN ROTATION FLOW

Область техники
Изобретение относится к способам уменьшения интенсивности турбулентности в течениях с вращением вплоть до полного ее устранения, и может использоваться в технологиях обработки жидких металлов и расплавов, например, при центробежном литье металлов и сплавов, а также выращивании монокристаллов из жидких расплавов и растворов.
Такая необходимость возникает, например, при выращивании кристаллов по методу Чохральского с размещением затравливающего кристалла в тигле с переохлажденным расплавом и равномерным разнонаправленном вращении тигля с расплавом и затравливающего кристалла под действием приводов [1]. Турбулентность в таких случаях может приводить к замешиванию газа, посторонних примесей и/или их неравномерному распределению, что ухудшает качество готовой продукции. Таким образом, для применения метода Чохральского необходимы средства, снижающие турбулентность, в наилучшем варианте, приводящие к ее полному устранению. Так устранение турбулентности способствует скорости роста кристаллов.
Уровень техники
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ управления турбулентностью потока [2], обеспечивающий, в том числе, и снижение турбулентности. Согласно известному способу, управление турбулентностью потока, обтекающего поверхность, осуществляют воздействием на процесс преобразования энергии в потоке текучей среды за счет введения возмущений во внутреннюю часть граничного слоя путем механического воздействия на поток, за счет относительного движения поверхности в обтекающем потоке, звуковых сигналов, а также переменного магнитного поля, возмущения модулируют, а спектр возмущений содержит длины волн в диапазоне размеров завихрений мелкого и промежуточного масштабов.
Недостатками такого способа являются:
- не определена применимость для турбулентности потока, не обтекающего поверхность, а генерируемой вращающейся поверхностью;
- не определены возможности полного устранения турбулентности.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в устранении недостатков, присущих прототипу за счет создания способа, обеспечивающего возможность снижения турбулентности потока между двумя вращающимися телами вращения, вплоть до полного ее устранения.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого технического решения, заключается в полном устранении турбулентности потока и перевода его в режим ламинарного течения.
Поставленная задача решается тем, что для устранения турбулентности в течениях между двумя вращающимися коаксиально расположенными телами вращения, к внешнему телу вращения применяют механическое воздействие, обеспечивающее модуляцию угловой скорости вращения тела во времени по синусоидальной зависимости относительно среднего ненулевого значения с выполнением соотношения
m
r
m
r
f<0.1f, где f - частота модуляции, f - средняя частота вращения тела.
В качестве механического воздействия на тела вращения используют электропривод с модуляцией скорости вращения.
Технический результат достигается за счет преобразования энергии в потоке текучей среды и введением возмущений в поток путем механического воздействия стенки тела вращения.
Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием.
m
r.
Модуляция скорости вращения обеспечивает изменение структуры турбулентного течения. При этом кинетическая энергия течения в меридиональной плоскости изменяется во времени хаотически, тогда как кинетическая энергия азимутального движения (вокруг оси вращения), начиная с определенной амплитуды модуляции, может перейти к периодической зависимости от времени. Как возможность уменьшения турбулентных пульсаций, так и возможность полного устранения турбулентности определяются соотношением между частотой вращения и частотой модуляции. Указанное выше соотношение в виде f<0.1f обеспечивает возможность снижения интенсивности турбулентности и/или ее полного устранения с наименьшими амплитудами модуляции. Все указанные выше отличительные признаки заявляемого изобретения являются необходимыми для его реализации и способствуют устранению турбулентности под действием модуляции скорости вращения.
r
m
m
r
Переход от хаотического к периодическому характеру изменения кинетической энергии азимутального движения означает подавление турбулентных пульсаций в этом направлении. Происходит переход к квазидвумерной турбулентности с обратным каскадом передачи энергии турбулентности от меньших масштабов к большим. Возможность формирования такого обратного каскада определяется соотношением между величинами частот вращения f и модуляции f. Установлено, что при соотношении f<0.1f влияние модуляции наиболее эффективно, поскольку распространяется на все турбулентное течение. В этом случае, в зависимости от амплитуды модуляции, возможен переход как к квазидвумерной турбулентности с соответствующим уменьшением уровня турбулентности, так и формирование ламинарного течения с отсутствием турбулентных пульсаций.
Достижение технического результата основано на следующих эффектах.
Первый эффект - модуляция угловых скоростей вращения по синусоидальному закону при их средних ненулевых значениях для ограничивающих течение поверхностей выступает в качестве внешней вынуждающей силы по отношению к турбулентному течению. Эта внешняя сила вызывает синхронизацию между скоростью поверхности и вращательной (азимутальной) компонентой скорости турбулентного течения. С увеличением амплитуды модуляции синхронизация увеличивается, что приводит к подавлению пульсаций азимутальной компоненты скорости, а значит и к подавлению турбулентности в направлении вращения. Сам способ подавления турбулентности в направлении вращения не зависит от вида и свойств турбулентных течений, а также от вида тел вращения, между которыми формируется такое течение. При изменении вида и свойств турбулентных течений, как и при изменении вида тел вращения, между которыми происходит течение, изменяются только количественные характеристики модуляции (амплитуда и частота), необходимые для устранения турбулентности. Рассматриваемый эффект воздействия силы на течения известен и для плоских течений, где вращение отсутствует: так, воздействие силы в направлении потока приводит к снижению турбулентности [3].
Второй эффект - уровень синхронизации для всего турбулентного течения также зависит от частоты модуляции, поскольку декремент затухания колебаний, определяющий ослабление их амплитуды по мере пространственного удаления от источника, увеличивается с возрастанием частоты.
Осуществление изобретения
-6
2
10
1
20
2
1
2
Заявляемый способ реализован в модельном эксперименте. В качестве тел вращения использовали коаксиально расположенные сферы (радиусы внутренней и внешней сфер 0.075 м и 0.150 м соответственно). Между сферами размещено силиконовое масло с вязкостью 50*10 м/с. Сферы приводили во вращение электроприводом, включающим в себя два электродвигателя постоянного тока мощностью 400 Вт (по одному на каждую сферу) и систему управления вращением, обеспечивающую заданную (в том числе и периодически изменяющуюся) скорость вращения. При встречном вращении сфер с постоянными угловыми скоростями Ω=2πf для внутренней сферы и Ω=2πf для внешней сферы в сферическом зазоре формируется турбулентное течение в том случае, если величины частот вращения f и f соответствуют значениям, приведенным ниже в таблице.
i
i0
m
i
i0
r
1
2
Рассматривалось изменение свойств турбулентности в течении при модуляции скорости вращения одной из сфер. Угловая скорость одной из сфер оставалась постоянной и соответствующей приведенным выше величинам, а скорость другой изменялась по закону Ω(t)=Ω(1+Asin(2πft+ϕ)), где Ω(t) - мгновенное значение угловой скорости, Ω=2πf - средняя угловая скорость вращения, А - амплитуда, ϕ - фаза. Свойства турбулентности определялись по измерениям пульсаций скорости лазерным доплеровским анемометром в направлении вращения. Результаты таких измерений позволили определять интенсивность турбулентных пульсаций по расчету среднеквадратичных отклонений скорости течения от среднего значения (rms). Ниже, в таблице 1 приведены величины среднеквадратичных отклонений скорости, нормированные на аналогичную величину в отсутствие модуляции rms (А=0). Нормированные величины rms получены при различных значениях амплитуды модуляции А, при различных величинах частот вращения внутренней f и внешней f поверхностей соответственно, знак + обозначает ту угловую скорость, которая подвергается модуляции. До воздействия модуляции течение всегда было турбулентным. Модуляция скорости вращения внутренней сферы приводит к снижению турбулентности (вторая строка таблицы). Как видно из третьей строки таблицы, воздействие модуляции скорости вращения внешней сферы приводит к полному подавлению турбулентности и формированию ламинарного течения. Представленный в третьей строке пример не является единственным случаем, указано только минимальное значение амплитуды модуляции А, которое приводит к полному устранению турбулентности. Повышение величины А по сравнению с представленным в третьей строке значением в рассматриваемом случае модуляции скорости вращения внешней сферы также ведет к формированию ламинарного течения.
Использование предлагаемого изобретения позволяет уменьшать интенсивность турбулентности в течениях с вращением вплоть до полного устранения турбулентности.
Источники информации
1. Нашельский А.Я. Производство полупроводниковых материалов. М., Металлургия, 1989.
2. Левич Е. Способ управления турбулентностью потока // Патент РФ №2085764, 27.07.1997 (Прототип).
3. Не S., Не K., Seddighi М. Laminarisation of flow at low Reynolds number due to streamwise body force // J. Fluid Mech., 2016, vol. 809, pp. 31-71.