ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2010, том 48, № 6, с. 965-972
УДК 532.529
МОДЕЛИРОВАНИЕ СВОБОДНЫХ ТЕПЛОВЫХ ВИХРЕЙ: ГЕНЕРАЦИЯ,
УСТОЙЧИВОСТЬ, УПРАВЛЕНИЕ
© 2010 г. А. Ю. Вараксин, М. Э. Ромаш, В. Н. Копейцев, М. А. Горбачев
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва Поступила в редакцию 06.05.2010 г.
Поставлена и решена задача физического (лабораторного) моделирования свободных концентрированных вихрей без использования механических закручивающих устройств. Рассмотрены вопросы генерации и устойчивости свободных тепловых вихрей, а также методы управления их характеристиками.
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.
Существует много разновидностей вихревого движения атмосферного воздуха, различающихся размерами, характерными скоростями и временами жизни. Отметим лишь те из них, которые приводят к катастрофическим последствиям: смерчи (торнадо), вихревые бури и ураганы [1].
Примерами технических устройств, в которых используются вихревые потоки, являются циклонные сепараторы, вихревые трубы [2], центробежные форсунки, вихревые топочные камеры и горелки [2], различные турбулизаторы. Использование вихревых эффектов открывает широкие возможности для интенсификации ряда процессов (смешение, горение) и управления их устойчивостью.
Генерация сложных вихревых структур зачастую происходит вдоль поверхности различных объектов авиационной и ракетно-космической техники, а также в их аэродинамических следах [3]. Управление обтеканием тел с использованием вихревых ячеек является одним из перспективных и актуальных направлений современной гидрогазодинамики [4].
Ограниченные стенками вихревые течения формируют посредством тангенциального соплового подвода среды; использования механических закручивающих устройств (направляющих закручивающих лопаток, винтов, шнеков, внутреннего спирального оребрения и т.п.); интенсивного вращения корпусных элементов каналов (вращающихся труб) [2, 5—8]. Получаемые указанными способами вихревые потоки удобны для детального экспериментального описания, однако их характеристики могут значительно отли-
чаться от параметров реальных свободных вихревых структур.
Изучение свободных (не ограниченных стенками) концентрированных (завихренность локализована в пространстве) вихрей осложнено вследствие целого ряда причин: спонтанности образования, пространственно-временной нестабильности, практической невозможности управления характеристиками и т.д. Отмеченные выше трудности стали причиной того, что к настоящему времени отсутствуют экспериментальные работы, в которых получены результаты по устойчивости и динамике свободных концентрированных вихрей, приемлемые для верификации математических моделей ([9—13] и др.).
Целью настоящей работы является демонстрация принципиальной возможности физического моделирования в лабораторных условиях свободных концентрированных воздушных вихрей, генерируемых над нагреваемой снизу подстилающей поверхностью, а также изучение вопросов их устойчивости и управления.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
Используемая в работе установка, параметры тепловых режимов, а также последовательность проведения экспериментов подробно описаны в [14]. Установка позволяет осуществлять контролируемый нагрев газовой горелкой (максимальная тепловая мощность — 3.5 кВт) подстилающей поверхности алюминиевого листа (диаметр — 1100, толщина — 1.5 мм). Нагрев листа снизу приводит к генерации нестационарных вихревых структур вследствие создания над ним неустойчивой стратификации воздуха [15].
Эксперименты проводились при шести различных тепловых режимах, характеризующихся своими временами нагрева (т ь), временами охлаждения (т с) и величиной максимальной темпера-
Tc, K
Рис. 1. Зависимости температуры в центре подстилающей поверхности (г = 0) от времени: 1 — режим № 3; 2 — режим № 6.
Та, К
Рис. 2. Зависимости температуры воздуха (у = 50 мм) от времени при г = 0: 1 — режим № 3; 2 — режим № 6.
Рис. 3. Фотография (негатив) модельного лабораторного вихря (видимая высота вихря — 1.5 м): 1 — вихрь; 2 — след вихря; 3 — край подстилающей поверхности.
туры в центре подстилающей поверхности (Tc max). Приводимые в данной работе результаты были получены при работе в режиме № 3 и режиме № 6 [14].
Измерения температуры алюминиевого листа (подстилающей поверхности) осуществлялись инфракрасным термометром (модель AZ8868, Тайвань). Измерения температуры воздуха над подстилающей поверхностью проводились с использованием хромель-алюмелевых термопар.
На рис. 1 показаны зависимости температуры в центре подстилающей поверхности от времени Tc = Tc(т) для двух указанных режимов (№ 3 и № 6). Из приведенных данных видно, что эти режимы характеризуются одинаковым временем нагрева (тh = 180 с) и следующими значениями максимальных температур: Tc max = 500 К (режим № 3) и Tc max = 610 К (режим № 6).
На рис. 2 приведены зависимости температуры воздуха Ta = Ta(т) на расстоянии y = 50 мм над центром подстилающей поверхности для режимов № 3 и № 6. Можно сделать вывод, что температура воздуха значительно ниже температуры поверхности листа. Максимальное значение температуры воздуха равно Ta = 316 К (режим № 3) и Ta = 334 K (режим № 6).
Видеосъемка генерируемых вихрей проводилась с использованием цифровой видеокамеры (модель Sanyo VCC-6572P, Япония), соединенной с персональным компьютером. Фотосъемка вихревых структур осуществлялась также фотокамерой (модель Casio Exilim EX-S500, Китай).
Для визуализации образуемых вихревых структур применялись частицы-трассеры (частицы магнезии микрометровых размеров, химическая формула - 4MgCO2Mg(OH)24H2O), которые наносились тонким слоем на подстилающую поверхность перед проведением экспериментов. Вторым способом осуществления визуализации генерируемых вихрей являлось использование дыма, получаемого при кипении предварительно наносимой на подстилающую поверхность специальной жидкости (VDLSL5, фирма Velleman, Бельгия).
Использование частиц магнезии и частиц дыма, а также лазерного ножа позволяло осуществлять визуализацию генерируемых над подстилающей поверхностью вихревых структур, а видеосъемка - изучать их динамику.
ГЕНЕРАЦИЯ ВИХРЕЙ
Момент зарождения (генерации) вихря определялся по началу уноса частиц магнезии с подстилающей поверхности [16].
Покадровый анализ (см. рис. 3) видеозаписей на различных тепловых режимах позволяет получать информацию о следующих параметрах процесса генерации вихрей и характеристиках по-
следних: 1) значения температур, при которых происходит генерация вихрей; 2) область подстилающей поверхности, где происходит образование вихрей; 3) направление вращения вихревой структуры; 4) количество наблюдаемых вихрей за один эксперимент; 5) траектория перемещения основания вихревой структуры; 6) длина траектории основания вихря; 7) скорость перемещения основания вихря; 8) время жизни (существования) вихревой структуры; 9) видимая высота вихрей; 10) видимый диаметр вихрей.
Многократное повторение экспериментов на различных режимах позволило сделать следующие выводы. Устойчивая генерация вихрей наблюдалась на всех режимах за исключением режима № 1. Вихревые структуры начинали образовываться в режиме нагрева подстилающей поверхности при достижении температуры в ее центре Тс = 470 К. Самые крупные вихри генерировались при температурах в центре поверхности Тс > 570 К. Образование вихревых структур происходило преимущественным образом в кольцевой области (150 мм < г < < 250 мм), в области высоких градиентов температуры подстилающей поверхности и воздуха. Направление вращения всех наблюдаемых вихрей было против часовой стрелки (если смотреть на подстилающую поверхность сверху). Количество наблюдаемых вихревых структур — до десяти за один эксперимент. Большинство вихревых структур двигалось по спиральным траекториям (траектории первого типа) в пределах кольцевой области (150 мм < г < 250 мм), где происходила их генерация. Некоторые вихри перемещались практически по кратчайшим, почти прямолинейным траекториям (траектории второго типа) из обла-
сти генерации к краю подстилающей поверхности, где они распадались. Максимальная длина траектории основания вихревых структур составляла 70—150 см при скорости перемещения 5—20 см/с. Таким образом, предельное время жизни наблюдаемых вихрей составляло около 30 с. Наибольшая высота генерируемых вихревых структур достигала 1.5—2.0 м, а их максимальный диаметр — 0.1-0.2 м.
Детальный анализ видеозаписей позволил сделать важные выводы, касающиеся структуры и динамики вихревого образования, а именно: 1) наличие полого (свободного от частиц) ядра, в котором, по-видимому, осуществляется нисходящее движение холодного воздуха; 2) восходящее левовинтовое движение частиц в периферийной области; 3) периодичность жизненного цикла вихря (зачастую он бывает близок к распаду, но затем унос частиц возобновляется); 4) некоторое отклонение ядра вихря от вертикальной оси.
Типичная наблюдаемая в эксперименте вихревая структура с целью детализации основных ее частей (внутренняя полость вихря, область восходящего потока, каскад вихря) приведена на рис. 4а. На рис. 4б показана для сравнения фотография реального торнадо в США.
УСТОЙЧИВОСТЬ ВИХРЕЙ
Принципиальным вопросом изучения динамики свободных концентрированных вихрей является проблема исследования их устойчивости. Отказ в данной работе от механических закручивающих устройств и вращения подстилающей поверхности при генерации нестационарных вихревых структур позволил впервые наблюдать эф-
(а)
¡''Вилка'' (дает представление о диаметре внутренней полости вихря)
Левовинтовое восходящее движение частиц
Каскад вихря (крупные частицы, отброшенные Ч центробежными силами)
Рис. 4. Фотографии вихревых структур: (а) — кадр с зафиксированным свободным вихрем (негатив); (б) — два торнадо на севере округа Lincoln, штат Washington (фотограф — Dawn Nelson, источник: www.wrh.noaa.gov/otx/photo_gallery/Jun6_Creston_tor
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.