Аэродинамика и процессы в вихрях Смульский, Иосиф Иосифович

Введение к работе

Актуальность темы. Диссертация посвещена исследованию аэродинамики и процессов в вихрях, образующихся в вихревых камерах и наблюдаемых в природе, а также их моделированию и разработке методов их расчета. Высокие центробежные ускорения, градиенты давления и скорости, низкие температуры и давления,, акустические и другие явления, возникающие в вихревых устройствах, находят разностороннее применение в различных процессах. Имеются широкие исследования течения несжимаемой жидкости в вихревых камерах, но нет общепризнанных методов его пасчета. Недостаточно исследованы течение сжимаемого газа и .^оцессы в вихревых камерах. Огсутствуют методы их расчета и критериальные переходы от лабораторной модели к промышленным масштабам. Все это препятствует расширению применения вихревых камер. В 60-ые годы вихревые камеры с равномерной закруткой были созданы для исследования атмосферных вихрей. Экспериментальные и теоретические результаты, накопленные к настоящему времени, раскрывают природу вихревого движения. С другой стороны, данные наблюдений атмосферных вихрей, метеорологические особенности их формирования, результаты радарных, авиационных и космических исследований представляют оОширную базу их свойств. Однако, эти два направления исследований развивались самостоятельно, не объединены и не позволяют представить цельную картину атмосферных вихрей.

Целью работы являлось теоретически и экспериментально исследовать аэродинамику и процессы в вихрях, вскрыть их механизмы, разработать физические модели и методы их расчета, установить связи между результатами исследований вихревых камер и свойствами атмосферных вихрей и представить их механизмы.

Научная новизна I. Выполнен цикл систематических экспериментальных и теоретических-исследований по аэродинамике и процессам в вихрях, выявлен ряд особенностей и впервые установлено:

Г) существование решений уравнений Навье-Стокса с

противотоком в центре вихря;

1. наличие оптимумов по тангенциальной скорости и разрежению в центре и связь их с параметрами вихревой камеры;

2. наличие предела тангенциальной скорости при определенных параметрах вихревой камеры;

4. понижение температуры в центре вихря за счет двух процессов: торможения потока и его адиабатического охлаждения при расширении в центральную область ;

5. преобладающее влияние поперечной силы на эффективность сепарации частиц;

6. наличие равновесия между центробежной и аэродинамической силами, действующими на частицу в слое, если силы рассчитаны по параметрам загруженной камеры;

7. образование циркуляции за счет ассиметрии стока;

8) наличие движущей 'силы стока за счет определенной
температурной стратификации и влажности атмосферы.

2. Разработаны ряд моделей и теорий аэродинамики и процессов в вихрях, в том числе:

1. одномерная теория несжимаемого течения в вихревых камерах;

2. одномерная теория сепарации;

3. стоковая теория смерча. Практическая ценность.

1. Разработаны методики и созданы компьютерные программы для расчета аэродинамики и процессов в вихревых камерах.

2. Получены критерии для масштабного перехода, для определения оптимальных режимов и различия режимов обтекания частиц.

3. Предложена концепция методов прогноза и предотвращения
смерчей.

Результаты работы реализованы в виде таблиц экспериментальных результатов и пакета прикладных программ для расчета:

1) несжимаемого течения в вихревой камере;

2) сжимаемого течения;

3. степени очистки циклона;

4. вращающегося слоя;

5. взвешенного слоя;

6) параметров воронки при истечении из резервуара,

которые опубликованы в монографии /31/. Результаты исследований использовались при разработке антициклонного газоочистителя,

технологического процесса по плазменной переработке шламов для Западно-Сибирского металлургического комбината (г.Новокузнецк), при разработке вихревых устройств в ВостФИЧМ (г.Новокузнецк) и др. организациями, при разработке справочного пособия /25/. Апробация работы и публикации. Основные положения и отдельные результаты работы доложены и обсуждены на четырех конференциях (1975 - 1977 г.г.). 1991 г. по теплофизике и физической гидродинамике в Институте Теплофизики СО РАН (г.Новосибирск), на конференции по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений в г. Таллине (1976 г.), на 3-ей Всесоюзной конференции по вихревому эффекту в г. Куйбышеве (1979 г.), на конференции по математическому моделираванию процессов в вихревых аппаратах в г. Одессе (1980 г.), на xv конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" в г. Одессе (1989 г.), на 3-ей Всесоюзной конференции "Аналитическая аппаратура и средства вычислительной техники для охраны окружающей среды в теплоэнергетике" в г. Батуми в 1990 г., на международной конференции по многофазным потокам в г. Цукуба (Япония) в 1991 г., на ряде региональных конференций: "Проблемы экологии Томской области" в 1992 г. в г. Томске, "Экологические проблемы освоения Ямала" в 1991 г. в г. Ухте, и др. Результаты работы обсуждались на семинарах Института теплофизики (1976 - 1992 г.г.), в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН (1985. 1992 г.), в Институте Гидродинамики СО РАН (1992 г.) (г.Новосибирск), в Институте механики многофазных сред СО РАН (г.Тюмень), в МГТУ (1992 г., г. Москва) и др. институтах.

Основные результаты диссертации изложены в 31 публикации. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 10 глав, выводов, списка литературы из 195 наименований, 15 приложений. Общий объем работы 440 стр., в том числе 109 иллюстраций и 17 таблиц.