– Механические генераторы вихрей (в том числе бионические конструкции, имитирующие плавники или крылья, создающие вихревой шлейф).
Особенности динамического формирования:
– Источником кинетической энергии служит движение самого возбуждающего элемента (не обязательно поток среды);
– Могут использоваться как одиночные, так и многовитковые/многолопастные устройства (гребёнки, винтовые системы, логарифмические спирали);
– Закрученный поток появляется как реакция на механическое воздействие тела на среду;
– В условиях жидкости может сохраняться вихревой след после прекращения движения устройства – эффект остаточного движения.
Таким образом, оба способа формирования линейных закрученных течений построены на использовании закручивающего устройства, но различаются физической природой возбуждения потока: в первом случае энергия передаётся через среду форсированным движением, во втором – непосредственно от движущегося тела.
Примеры реализации закручивающих устройств будут рассмотрены в последующих пунктах. В зависимости от требований к создаваемому потоку (скорость, устойчивость, мерность, энергетика), подбирается соответствующая конструкция завихрителя, его расположение, геометрия и схема возбуждения.
В целом, выбор метода формирования линейного закрученного течения зависит от:
– Характера целевого применения (энергетика, сепарация, смешивание);
– Типа отражающей среды (газ, жидкость);
– Необходимой степени закрутки (интенсивность тангенциальной составляющей);
– Наличия или отсутствия внешнего источника давления или привода.
Таким образом, понимание различий между форсированным и динамическим возбуждением потока позволяет более целенаправленно проектировать вихревые системы и адаптировать их под нужные процессы.
3. Статические закручивающие устройства нового типа
Закручивающие устройства представляют собой специализированные элементы (статические или динамические), предназначенные для преобразования линейного (чаще ламинарного) потока среды в поток с закрученной (вихревой) структурой. Основная функция этих устройств – создание тангенциальной компоненты скорости в потоке, то есть момента закручивания, вследствие чего формируются спиральные, вихревые или тороидальные структуры движения.
Физическая сущность действия закручивающего устройства заключается в передаче дополнительного импульса частицам среды в направлении, отличном от их первоначального движения. Это приводит к отклонению траектории потока от прямолинейной, а в дальнейшем – к двум или более степеням свободы в его движении (осевая + тангенциальная; тангенциальная + радиальная и т.д.).
1. Основные функции закручивающих устройств:
– Возбуждение вихря в потоке;
– Преобразование ламинарного или турбулентного потока в упорядоченное спиральное течение;
– Повышение интенсивности тепло- и массообмена;
– Создание условий для формирования тороидальных и многомерных вихрей;
– Структурирование потока (вихревые ячейки, многожильные вихри);
– Управление траекторией, направлением и срывом потока;
– Подготовка потока к фазовому превращению, разделению, смешиванию или химической реакции.
Конструктивные исполнения классических закручивающих устройств рассматривать здесь не будем. Они широко представлены в современной технической литературе.
Последующие разделы содержат примеры реализации новых типов закручивающих устройств, их сравнительный анализ и экспериментальные характеристики.
3.1. Статическая система ленточных бес корпусных завихрителей
Предлагается система генерации закрученного (вихревого) потока на основе применения множества размещённых в пространстве ленточных завихрителей без корпусного ограничения. В отличие от классических устройств, где вихрь образуется за счёт прохождения воздуха через один компактный закручиватель, в данном случае основным рабочим элементом выступает целая система ленточных завихрителей, размещённых в виде так называемой спиральной гребёнки.