ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2012, том 50, № 4, с. 533-537
= ТЕПЛОМАССООБМЕН И ФИЗИЧЕСКАЯ ГАЗОДИНАМИКА
УДК 532.529
МЕТОД ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СВОБОДНЫЕ НЕСТАЦИОНАРНЫЕ
ВОЗДУШНЫЕ ВИХРИ
© 2012 г. А. Ю. Вараксин, М. Э. Ромаш, В. Н. Копейцев, М. А. Горбачев
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва Поступила в редакцию 10.10.2011 г.
Приведены результаты изучения воздействия препятствий в виде вертикальных сеток на динамику нестационарных воздушных вихрей, генерируемых в лабораторных условиях над нагреваемой подстилающей поверхностью. Проведено обобщение полученных данных по влиянию сеточных заграждений разной геометрии на модельные свободные вихри различной интенсивности.
ВВЕДЕНИЕ
Вихревое движение является одной из самых распространенных форм движения воздуха. Вихревые течения повсеместно можно наблюдать в природе; они находят свое применение во многих технических устройствах.
Каждый год атмосферные вихри различных масштабов (ураганы, торнадо) приводят к гибели людей и наносят огромный материальный ущерб. К настоящему времени эффективные методы борьбы со стихией отсутствуют. Вследствие этого экспериментальное изучение вопросов генерации, устойчивости и управления характеристиками свободных нестационарных воздушных вихрей, близких по своей структуре к атмосферным вихревым образованиям, является актуальной задачей.
Ограниченные стенками стационарные вихревые течения формируют посредством использования вентиляторов, механических закручивающих устройств (направляющих закручивающих лопаток, винтов, шнеков, внутреннего спирального оребрения и т.п.), а также путем тангенциального соплового подвода среды и интенсивного вращения корпусных элементов установок.
В работе [1] была предпринята попытка отказаться от использования вентилятора для организации восходящего потока воздуха при генерации вихрей. В этой работе генерация модельных вихревых структур основывалась на конвективном механизме — использовалась однородно обогреваемая алюминиевая пластина в сочетании с 20-ю окнами, выполненными из плексигласа и установленными под некоторым углом с целью придания закрутки формирующемуся восходящему воздушному потоку.
Генератор торнадоподобных вихрей, не ограниченных стенками, создан авторами [2—4]. Для получения вихревой структуры в нем используется вентилятор и направляющие лопатки. Генератор позволяет создавать достаточно крупные
структуры диаметром до 1.12 м и высотой от 1.2 до 2.4 м. Максимальное значение тангенциальной скорости достигает 14.5 м/с, а параметр закрутки — 1.14. Визуализация вихревой структуры осуществляется посредством использования сухого льда. Помимо отсутствия ограничивающих боковых стенок генератор обладает еще одной отличительной особенностью. Генератор крепится на направляющих, что позволяет осуществлять его перемещение и, следовательно, движение создаваемой вихревой структуры с линейной скоростью до 0.8 м/с. Такое механическое перемещение вихря сделало возможным изучение его воздействия на модели зданий, которые располагались на пути.
Настоящая работа является продолжением экспериментальных исследований авторов [5— 10], в которых генерация свободных нестационарных воздушных вихрей осуществлялась путем создания неустойчивой стратификации воздуха вследствие нагрева подстилающей поверхности. В работах [5, 6] были исследованы тепловые режимы нагрева (охлаждения) подстилающей поверхности, при которых происходит образование вихрей, а также проведены оценки их интегральных параметров (геометрические размеры, время жизни, скорость перемещения и др.) с использованием видеосъемки. В [7] получены пространственно-временные поля температур воздуха и определен диапазон чисел Рэлея, при которых наблюдается образование свободных вихрей различной интенсивности. В работах [8—10] показана эффективность различных способов визуализации свободных нестационарных вихрей, изучены вопросы формирования и развития воронки вихрей, а также произведена оценка важных для моделирования воздушных смерчей безразмерных критериев (параметр закрутки, число Россби).
В [11, 12] авторами предложен метод воздействия на воздушные смерчи, заключающийся в расположении на пути их распространения препятствий в виде вертикальных или горизонталь-
ных сеток. Начата апробация метода в лабораторных условиях.
Цель данной работы — физическое моделирование влияния вертикальных сеток разной геометрии на модельные вихревые структуры различной интенсивности.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Созданная авторами простая экспериментальная установка позволила исследовать условия генерации нестационарных не ограниченных стенками вихревых структур, параметры их движения, а также предложить метод управления их характеристиками и провести его апробацию в лабораторных условиях.
Схема экспериментальной установки, принцип ее работы, параметры тепловых режимов и последовательность проведения экспериментов подробно описаны в [5]. Экспериментальная установка позволяет осуществлять контролируемый нагрев газовой горелкой (максимальная тепловая мощность — 3.5 кВт) подстилающей поверхности алюминиевого листа (диаметр — 1100 мм, толщина — 1.5 мм). Нагрев листа снизу приводит к генерации нестационарных вихревых структур вследствие создания над ним неустойчивой стратификации воздуха.
Эксперименты проводились на различных тепловых режимах, характеризующихся своими временами нагрева (т h), временами охлаждения (т c) и величиной максимальной температуры в центре подстилающей поверхности (Tcmax). Подавляющее большинство данных по взаимодействию модельных вихрей с сеточными препятствиями были получены на режиме № 6 [5], для которого т h = 180 с, т c = 1200 с, Tc max = 610 К, и режиме № 3 [5], для которого т h = 180 с, т c = 1200 с, Tc max = 500 К. Генерация наиболее крупных и дол-гоживущих вихрей, характеризующихся большой интенсивностью, наблюдалась при работе на режиме № 6. Другие тепловые режимы использовались для генерации модельных вихрей меньшей интенсивности.
Для визуализации вихревых структур использовались частицы-трассеры (частицы магнезии микрометровых размеров), которые наносились тонким слоем на подстилающую поверхность перед проведением экспериментов. Видеосъемка и фотосъемка проводились с использованием цифровой видеокамеры (модель Sanyo VCC-6572P, Япония) и фотокамеры (модель Casio Exilim EX-S500, Китай).
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВИХРЕЙ С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ СЕТКАМИ
Видео- и фотосъемка позволили осуществить визуализацию (с использованием частиц-трассеров) возникающих над подстилающей поверхностью свободных нестационарных концентрированных вихревых структур, а также апробировать предлагаемый метод воздействия на их динамику.
В [11, 12] приведены некоторые результаты по взаимодействию модельных воздушных вихрей с одиночными вертикальными сетками различной геометрии, устанавливаемыми на пути их следования. Выявлены шесть основных вариантов поведения вихрей при их взаимодействии с сетками:
1) распад вихря вблизи сетки без ее пересечения;
2) замедление вихря (вплоть до полной остановки) при приближении к сетке и последующий распад; 3) движение вихря вдоль сетки (без ее пересечения) и последующий распад; 4) распад вихря при пересечении сетки; 5) распад вихря на сетке с его повторным зарождением после сетки; 6) пересечение вихрем сетки, сопровождающееся изменением направления движения и его характеристик (ослабление). Сделан вывод, что использование сеточных заграждений решает (в той или иной степени) задачу управления характеристиками свободного вихря, приводя к изменению пути его распространения (варианты 2, 3 и 6), ослаблению (вариант 6) и распаду (варианты 1— 5), правда, с некоторой вероятностью повторного зарождения (вариант 5).
Статистическая обработка полученных в ходе экспериментов видеозаписей позволила определить вероятность реализации различных вариантов взаимодействия вихря с препятствием в виде одиночной сетки [11, 12]. Отметим, что в экспериментах использовалось лишь несколько сеток, отличающихся своей геометрией (высота, диаметр проволоки, размер ячейки). Эксперименты отчетливо показали, что уменьшение высоты сетки и диаметра проволоки, а также увеличение размера ячейки сетки приводили к росту вероятности пересечения сетки вихрем (варианты 5 и 6) и вероятности последующего зарождения после сетки (вариант 5).
В настоящей работе отчасти продублированы эксперименты [11, 12] по влиянию одиночных вертикальных сеток, а также получены новые данные по взаимодействию вихрей с двумя вертикальными сетками, установленными параллельно друг другу.
Проведенные в настоящей работе измерения полей скоростей позволили сделать оценку энергии модельных вихрей (она приведена ниже) и выйти на качественно новый уровень анализа сложного процесса взаимодействия вихревых структур с сеточными препятствиями.
метод воздействия на свободные нестационарные воздушные вихри
В качестве препятствий использовались вертикальные металлические сетки длиной 600 мм, которые располагались по прямой линии на расстоянии 300 мм от центра подстилающей поверхности.
При изучении влияния вертикальных сеток на динамику свободных вихрей к статистической обработке принимались только те вихри, которые удовлетворяли следующим требованиям: 1) их генерация осуществлялась в той половине листа, где была установлена сетка; 2) движение основания вихря осуществлялось в направлении сетки, 3) время жизни вихря и его видимая высота составляли не менее 3 с и 0.3 м соответственно.
Ниже рассмотрим типичный пример изучения поведения взаимодействия вихря с двумя вертикальными сетками. В данном случае в качестве препятствия использовались две вертикальные металлические сетки (длина каждой 600 мм), которые располагались параллельно друг другу (расстояние между сетками 100 мм). Ближайшая к центру подстилающей поверхности сетка находилась на расстоянии 300 мм от него.
Выборочные кадры видеосъемки взаимодействия вихря с двумя вертикальными сетками приведены на рис. 1. Каждый из кадров соответствует определенному моменту времени, отсчитываемому от зарождения вихревой структуры (начала уноса частиц с подстилающей по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.