автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.01, диссертация на тему:Исследование вихревой трубы с дополнительным потоком

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МАКАРОВ ВЛАДИМИР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

На правах рукописи

РГБ од

2 7 Я/13 ЙЯ7

ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВОЙ ТРУБЫ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПОТОКОМ

Специальность - 05.07.01 "Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов"

Авторе 4 е pat

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОМСК - 19 96

Работа выполнена на кафедре "Двигатели летательных аппаратов" Окского государственного технического университета при частичной поддержке грантом Министерства общего к профессионального образования по Фундаменталькьш исследованиям в области кашшостроения.

НаучныГ; руководитель - В.И.Кузнецов, д. т.н.. профессор, академик

АТ РФ м МАХ, заведующий кафедрой "Двигателе летательных аппаратов" ОыГТУ

Официальные оппоненты - Г.И.Бумагин.•д.т.н.. профессор, академик

МАК. заведующий кафедрой криогенной техник!! ОмГТУ

В. И. Катав. д.т.и., начальник лаборатории АО "Скбкриогехника"

Ведшая организация - Омское моторостроительное предприятие им.

Баранова (г.Омск)

644Q21, г. Омск-21, ул. Б. Хмельницкого, 283

Заэдта состоится " /"< ' " < с< - _ 1?9_£г.

з S'y часов на заседании диссертационного совета К 063.23.04 в Омской государственном техническом университете по адресу: 644050, г.0мск-50, проспект ttopa. 11.

С диссертацией мсако ознакомиться в библиотеке Окского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заваренные гербовой печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан " f

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.т.н.. доцент

-/ 199_¿ г.

А.Л.Ахтулов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЕОТЫ

Актуальность работа. Работа посвящена исследовании вихрезпй трубы с дополнительным потоком.

Научно-технический прогресс и снижение энергоемкости производства тесно связаны с дальнейшим совершенствованием систем кондиционирования и термостатировакия. Наряду с другими холодильники машинами а ведущих отраслях машиностроения получили распространение вихревые холодиль-но-нагревательнне устройства. Вихревые холодилько-кагревательнке устройства значительно'превосходят другие типы систем по таким показателям. как 'надежность и'ресурс, уступая по степени термодинамического совершенства.

ВихревоР эффект используют в холодильной технике, машиностроении, авиации, ракетной технике, нефтехимической и горнодобывающей промышленности, сельской хозяйстве, медицине.

Повышение термодинамической эффективности вихревого эффекта приведет к росту его экономичности и уменьшению затрат во всех областях деятельности, где он применяется.

Одним из путей повышения эффективности вихревых труб считается ввод дополнительного потока. Однако достоверных сведений о процессах происходящих в вихревой трубе с дополнительным потоком нет. Не проводилось теоретических и экспериментальных исследований по определению траектории движения дополнительного потока. Гипотетически принималось, что весь дополнительный поток движется от дросселя к диафрагае и выходит через нее. - . ' .

3 связи с вышеизложенным для улучшения характеристик вихревой трубы с дополнительным потоком необходимы работа яо экспериментальному исследованию процесса движения дополнительного потока и теоретическому исследованию процесса энергообмена-медду основным и дополнительным по-токаг! газа в вихревой трубе данной конструкции.

Таким образом, работы по исследованию процессов, происходящих в вихревых трубах необходимые для повышения термодинамической эффективности вихревого эффекта актуальны и имеют большое значение.

Цель и основные задачи работы. Экспериментальное исследование вихревой трубы с дополнительным потоком с целья определения траектории движения дополнительного потока с помощью визуализации и теоретическое исследование процесса энергообмена между основным и дополнительным потока ми газа в вихревой трубе. Для этого необходимо разработать .метод визуализации газозого потока, создать экспериментальную установку,

3 •

спланировать методику проведения лабораторного эксперимента и осуществить экспериментальное исследование вихревой трубы с дополнительным потоком по определению траектории дарения дополнительного потока; теоретически изучить процесс энергообиена меаду основным и дополнительным потока»! газа в вихревой трубе; составить и решить математическую модель оптимальных параметров и геометрических размеров вихревой трубы с дополнительным потоком.

Научная новизна. В результате исследований разработан метод визуализации газового потока, при помощи которого определена траектория движения дополнительного потока газа в вихревой трубе с дополнительным потоком и уточнены процессы происходящие в вихревой трубе данной конструкции; проведено теоретическое исследование процесса энергообиена «езду основным и дополнительным потоками газа; создана математическая модель и составлена методика расчета оптимальных геометрических размеров н параметров вихревой трубы с дополнительным потоком

Практическая ценность работы. На основании теоретических к экспериментальных исследований уточнены процессы происходящие в вихревой трубе с дополнительным потоком. Составленная методика расчета вихревой трубы данной конструкции позволяет определять оптимальные геометрические размеры и параметр« газа на выходе из устрсйстза.

Реализация результатов работа. Результаты проведенных исследований. в частности рекомендации по -проектированию систем охлаждения на основе вихревой трубы с дополнительным го.окон, попользованы при создании холодильно-подогреващей установки для проверки работы термопатрона ГТД в различны*, климатических условиях в АО "Омское моторостроительное конструкторское бюро" (г.Омск). Условный годовой экономический эффект от внедрения результатов работы составил 45 млн. руб.

Полученные результаты могуг Сыть рекомендованы к использованию на предприятиях машиностроения, занимавшихся разработкой. 'со зданием и производством холодильной техники, систем кондиционирования и термос-татирования , а также в учебном процессе при изучении отдельных разделов дисциплин"Аэрогазодинамика". "Холодильные машины и установки".

Результаты практического использования работы и их реализация в промышленности подтверждены соответствующими документами.

Достоверность результатов работа ' обусловлена применением современных методов планирования и проведения эксперимента, статистических методов•обработки экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-техничеспй

4

конференции'"Динамика систем, механизмов и машин" (г.Омск. 1995): ка Ш Международном форуме по тепломассообмену (г.Минск, 1396); на международной конференции "Математические модели и численные методы механики сплошных сред" (г.Новосибирск, 1996); на Мевдународной научно-технической конференции "Современные проблемы машиноведения" (г.Гомель, 1996); на семинарах и заседаниях кафедр Омского государственного технического университета.

Публикации. По результатам исследований опубликованы 9 печатных работ, получено положительное решение о выдаче свидетельства на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения. четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий оС>ем составляет 196 с.. в том числе основного текста 141 е.. 52 рис. и 1 табл. на 41 е.. список'литературы (103 наименования) на 12 е.. приложение-на 2 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, посвященной исследованию вихревой трубы с дополнительным потоком, сформулирована практическая значимость исследования.

В первой главе приводится анализ применения вихревых труб в летательных аппаратах (ЛА): в системах кондиционирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и кабины ЛА; в технологических процессах при изготовлении и испытаниях систем и узлов ЛА: для- охлаждения лопаток турбин газотурбинного двигателя (ГТД) ЛА и других теплонапряженных узлов и элементов.

Развитие науки и техники, применение реактивных двигателей вызвали резкий рост скорости и дальности полета ЛА. Вместе с тем полеты на сверхзвуковых скоростях поставили необходимость преодоления ряда проблем. При полете ЛА на сверхзвуковых скоростях значительно возрастает температура внутри их отсеков, поднимающаяся как за -счет аэродинамического нагрева, так и тепла, выделяемого аппаратурой, двигателем, гидросистемой и экипажем.

Охлаждающие и вентилирующие устройства непосредственно устанавливает на борту ЛА, а также применяют в технологическом процессе при изготовлении и испытании систем и узлов ЛА. В качестве, таких устройств с успехом применяются или могут применяться вихревые трубы.

Важнейшие требования, предъявляемые к системам и агрегатам ЛА, -

5 г

высокая надежность при минимальной массе и достаточная эффективность. Для создания охлаждающих устройств РЭЛ используют разнообразные технологические средства. Вихревые трубы хорошо удовлетворяют требованиям, предъявляемым к бортовым агрегатам: малая масса, высокая надежность, ремонтопригодность, большой ресурс.

При работе вихревой трубы в качестве охлаждающего устройства на борту ЛА для ее питания можно использовать различные варианты схем в зависимости от источника питания сжатым воздухом: воздух от компрессора двигателя; скоростной напор набегающего потека; воздух, сбрасываемый из гермокабины; сжатый воздух из бортового баллона.

Неотъемлемой составной частью процесса создания и доводки ЛА являются различного рода климатические испытания. Такого рода испытания проходят двигатели ЛА и их отдельные узлы. Эти испытания проводятся на специальных стендах и установках в потоках охлажденного воздуха.

Практика показывает, что в условиях часто меняющихся объектов ' исследования, характерных для экспериментально-исследовательских п испытательных центров, наиболее просто проблема получения потоков охлажденного воздуха решается посредством вихревых труб. Причем предельная простота конструкции, компактность вихревых труб (и как следствие этого возможность расположить источник холода в непосредственной близости от объекта испытаний). безынерционность вследствие особенностей процесса и отсутствия присоединенных масс в виде воздуховодов холодного потока, позволяет свести к минимуму непроизводительные затраты энергии и потери холода.

Для увеличения термического к.п.д. газотурбинного двигателя повышают максимальные значения давления и .температуры рабочего тела в цикле. За счет создания и использования новых более жаростойких материалов удалось значительно поднять температуру газа перед турбиной. Однако учитывая, что процесс роста температуры газа перед турбиной непрерывен, надо совершенствовать системы охлаждения.

В связи с этим рассматривается возможность разработки эффективного способа охлаждения лопатки турбины двигателя ЛА со встроенными в перо малоразмерными вихревыми трубами. Для повышения эффективности системы охлаждения предлагается использование вихревой трубы с дополнительным потоком.

Проведенный анализ показал, что вихревые трубы нашли практическое применение в ЛА, а также используются при изготовлении и испытании узлов и систем ЛА. ' Для повышения эффективности систем кондиционирования ЛА предлагается использование вихревых труб с дополнительным потоком.

6

так как считается , что ввод дополнительного потока существенно увеличивает к.п.д. вихревой трубы. Однако достоверных сведений о процессах происходящих в вихревой трубе с дополнительным потоком нет.

В связи с вышеизложенным актуальными являются исследования вихревой трубы с дополнительным потоком, а именно экспериментальное исследование вихревой трубы с дополнительным потоком с целью определения траектории движения дополнительного потока с помощью визуализации и теоретическое исследование процесса энергообмена между основным и дополнительным потоками газа в вихревой трубе.

Во второй глазе проведен обзор работ, посвященных вихревым трубам с дополнительным потоком.

Существуют два варианта подачи дополнительного потока в камеру энергетического разделения вихревой трубы. По первому варианту дополнительный поток подается от постороннего источника. По второму - используется энергия нагретого потока, который отбирается из вихревой трубы, и после преобразований подаэтся в нее в качестве дополнительного штока..

Впервые, ввод дополнительного потока в вихревую трубу использовал в 1965г. А.И.Гуляев, для того чтобы получить экспериментальные доказательства процессов турбулентного переноса тепла в вихревом эффекте и проверить возможность непосредственного теплообмена между сверхзвуковым и дозвуковым потоками.

В 1969 г. А.П.Меркулов и И. А. Пиралишвищ предложили вводить в камеру разделения вихревой трубы дополнительный поток сжатого воздуха 'от постороннего источника, для повышения ее эффективности. Авторы рассматривали этот метод с позиций гипотезы взаимодействия вихрей.

В 1973 г. ' Ш.А.Пиралишвилй и В.Г.Михайлов, создали коническую вих-, ревую трубу с дополнительны!! потоком, на нагретом конце которой был установлен щелевой диффузор. Авторы провели экспериментальные исследования влияния конструктивных элементов вихревой трубы, а также площади сопла, радиуса диафрагмы и трубки подвода дополнительного потока на ее характеристики. .

В 1971 г. А. Л. Суслов .и А." В. Мурашшн для повышения эффективности вяхрернх воздухоохладителей предложили рациональное использование эн'-ргш! ¡огретого потока. Нагретый поток отбирался из основной вихревой труби и после преобразований подавался в нее в качестве дополнительного потока. Работы в этом направлении были начаты в МВТУ им. Н.Э. Баумана в конце 60-х годов. Было создано пять типов воздухоохладителей. различающихся схемой циркуляции и степенью использования энер-

7 •

гии потока.

Проведенный обзор показал, что существующие рекомендации оптимальных соотношения для вихревых труб с вводом дополнительного потока, основываются только на базе экспериментальных данных и справедливы в узком диапазоне работы вихревых труб. Нет доказательства., что дополнительный поток движется именно в том направлении, которое принято за истинное. Дальнейшее совершенствование конструкции вихревых труб с введем дополнительного потока и повышение их эффективности требует экспериментального исследования траектории движения дополнительного потока, теоретического исследования процесса энергообмена между основным и дополнительным потоками в вихревой трубе, к выявления Факторов, .оказывающих существенное Елиянке на вихревой эффект.

В третьей глазе представлены результаты теоретического исследования вихревой трубы с дополнительным истоком: 1) выяснена физическая суцностъ процесса энергетического обмена газа в вихревой трубе с дополнительным - потоком; 2) изучен процесс формирования течения газа в сопловом сечении: о) определено влияние сил вязкости на параметры потоков газа е вихревой трубе с дополнительным потоком; 4) записана основная система уравнений для расчета величины энергообмена между периферийным и осеЕЫМ потоками газа в вихревой трубе с дополкительиш потоком; 5) -получено обоснование расчета теплообмена в вихревой трубе с дополнительным потоком; 6) создана математическая модель расчета параметров газа на выходе из вихревой трубы с дополнительны!/, потоком и расчета ее геометрических размеров; 7) решена математическая модель и составлена методика расчета оптимальных параметров вихревой трубы с дополнительным потоком.

Большинство работ по выяснению Физической сущности вихревого эффекта и процессов, происходящих б вихревых трубах основано на гипотезе преобразования свободного вихря, возникающего во входном сечения вихревой трубы (потенциального течения), е вынужденный вихрь (с законом вращения твердого тела).

Отличительной чертой вихревой трубк с дополнительным потоком является то. что в ней не'происходит преобразования свободного вихря в вынужденный, то есть осевой поток не образуется из часта периферийного потока. Б вихревой трубе данной конструкции весь периферийный поток выходит в атмосферу, а роль осевого потока играет подаваемый извне дополнительный поток.

Как показали исследования для того, чтобы дополнительный поток вошел в вихревую трубу для совершения энергообмена с ^периферийным (ос-

8

новным) потоком, он должен иметь такое же давление и такую же окружную скорость, какие бы имел осевой поток в момент его образования, в случае работы вихревой трубы в обычной противоточном режиме. В противном случае энергообмен с основным потоком не произойдет так как дополнительный поток выйдет через дроссель. Необходимым условием является так же обеспечение сплошости основного (периферийного) потока, что осуществляется введением газа через многосопловой ввод с рассчитанным, оптимальным количеством сопел.

Закрутку Дополнительного потока осуществляют либо с помощью тангенциального сопла, либо о помощью направляющих лопаток.

В работе рассматривается вихревая труба с дополнительным потоком при условии оптимального ввода дополнительного потока (рис.1), при котором весь дополнительный поток газа выходит через диафрагму и участвует в процессе энергообмена с основным 'потоком. Во всех остальных случаях дополнительный поток будет выходить через дроссель, а вихревая труба, будет работать в режиме противотока, который подробно рассмотрен в других работах.

Математическая модель расчета параметров вихревой трубы с дополнительным потоком составлена для случая оптимального ввода дополнительного потока.

В вихревой трубе, работающей в режиме трубы с дополнительным потоком основной поток движется от входного сопла к дросселю по периферии. На этом пути к нему подводится энергия со стороны осевого (дополнительного) потока, отводится тепло 0,|ар к'осевым слоям за счет разности . термодинамических температур и.падает-полное давление основного потока из-за трения о стенки вихревой трубы. Основной поток выходит в атмосферу через дроссель с параметрами Р03, Т03, G3 = Gj = Goc„. До-« полнительный поток входит в трубу с параметрами Родоп - Роз (условие оптимального ввода дополнительного потока). Т0доп = Т01 (при вводе потоков одинаковой температуры), Gion. Двизкение дополнительного потока от дросселя к диафрагме сопровождается обменом работой и теплом с основным потоком. Из диафрагмы газ выходит с параметрами Р05, Т05, G5 =

Из условия оптимального ввода дополнительного потока окружная скорость на входе дополнительного потока должна равняться окружной скорости основного потока на выходе V3ip =. Удоп.

Температурная эффективность (температурный к.п.д.) вихревой трубы с дополнительным потоком выше температурной эффективности противоточ-ной вихревой трубы, т.к. полная температура газа в момент начала энер-

9 ■

Рис.1. Схема вихревой трубы с.дополнительным потоком: 1 - Входное тангенциальное соплс, 2 - камера энергетического разделения (КЭР), 3 - дроссель, 4 - диафрагма;

1-1 - вход основного потока в вихревую трубу, 2-2 - среднее сечение основного потока газа, 3 - 3 - выход подогретого потока газа иг дросселя, 4 - 4 - среднее сечение дополнительного потока газа, 5 - 5 - выход охлажденного потока газа из диафрагмы, доп - доп - вход дополнительного потока в вихревую трубу

гетического обмена будет равна полной температуре газа на входе в вихревую трубу ТОЛОП = Toi- (Для противоточной трубы эта температура выше температуры газа на входе в вихревую трубу Т0г > Т01).

С учетом вышеизложенного уравнения энергии в тепловой форме можно записать в виде:

Qi-з ~ Ь,_3 = 103 - 10, (1)

0доп-5 ~ Цоп-5 = *05 ~ ^о'доп Í2)

а в механической форме уравнения энергии можно представить в виде: -Lj-s-Ljp,., - ЮЧк-П-Рс/роГ [(Р03/Р01)<К"1)/к -11 О)

-Цол-5 ■ К/(к-1)-Р0ло„/р0доп- [(Р05/родоп)<к",>/к -11 (4)

где Родоп = Роз. Тодоп - Т0|.

К уравнениям (1)-(4) добавляются уравнения состояния:

Pj » Р, / (R-Tt). . 1=1.2.....5. доп. (5)

и уравнения расхода:

Gj = Pi'Fi 'Vj. 1=1.2.....5. дж (6)

В адиабатической вихревой трубе обмен энергией происходит только между осевыми и периферийными слоями газа, поэтому соотношения, определяющие этот энергообмен, имеют вид

Ll-з ="ít'bAon-5.' Ql-3 йДОП-5'" io3~íoi (1о5"^0доп)-'

где ¡i = Gs/Gt. (7)

. Таким образом, получена система уравнений (1)~(7) восемнадцатого порядка с сорока шестью неизвестными: Q,.3. Lj_3, 103, йдоп_5, Ьдоп.5, ios. Lipi-з. Роз. Pos- Ji. Pi. T,. P,. F,. V,.

Для замыкания системы уравнений выводятся дополнительные соотношения.

На основании данной математической модели составлена( методика расчета оптимальных параметров вихревой трубы с дополнительным потоком.

В четвертой главе приводятся рёзультаты экспериментального исследования вихревой трубы с дополнительны?-} лото ком. Для этого разработан метод визуализации газового потока, создана экспериментальная установка. спланирована методика проведения лабораторного эксперимента и осуществлено экспериментальное исследование вихревой трубы с дополнительным потоком по определению траектории движения дополнительного потока с помощью визуализации.

Для определения траектории - движения дополнительного потока газа был разработан метод визуализации, сущность которого состоит в том, что для определения траектории вихревого движения газа, камеру энергетического разделения газа вихревой трубы'выполняют из прозрачного ма-

11

териала, а о траектории движения газа судят по траектории движения пропуск?эмой через вихревую трубу дисперсной смеси мелких твердых частиц, в качестве которой берут смесь горящих частиц пиротехнического состава (бенгальс;;ого огня), а движение этих горящих частиц фиксируют с помощью непосредственного наблюдения, фотосъемки или скоростной киносъемки с дальнейшим изучением траектории их дзижения при замедленном воспроизведении кинопленки.

Использование данного метода позволяет определить траекторию движения дополнительного потока газа в вихревой трубе.

Для проведения исследований была создана экспериментальная установка (рис.2) состоящая из компрессорной станции НВ-10Э, вихревой трубы с дополнительным потоком, приспособления для ввода в дополнительный поток горящих частиц (горючая смесь типа "бенгальский огонь") с целью визуализации, соединительных трубопроводов.

Исследования проводились на двух вихревых трубах с прозрачны® камерами энергетического разделения.

Первая вихревая труба с конической вихревой зоной (угол конусности в = 340'), диаметром йт=32 ми, длиной 1Т=25С мм. с двумя сменными диафрагмами диаметрами сЗ равными 16 мм и 28 мм, со сменными соплами, высота и ширина которых соответственно равнялась ¡1, -25 мм, Ь,=11 мм и ^=9 мм, Ь,=11 мм, со сменными трубками ввода дополнительного потока диаметром адоп=16 мм различной длины 1доп равными 10 юл, 30 мм и 50мм. Дополнительный поток подавался либо без закрутки, либо с предварительной закруткой. Для закрутки дополнительного потока использовались сменные сопла Ьдоп=3 мм, Ьдоп=15 мм и Ьд<,п=6 мм> Ьдоп=11 км. .

Вторая вихревая труба с цилиндрической вихревой зоной диаметром ат=41 мм. длиной 1Х=386 мм, с диаметром диафрагмы а=23 мм. имела чета-ре сменных сопловых ввода с различным количеством сопел Нс равном 1,2.3 и 4 сиплам, размеры каждого сопла Ь, =8 мм. =16 мм. Дополнительный поток вводился через сменные трубки диаметром с1Л0П=23 мм различной глины 1д0„ равными 10 мм, 30 мм, 50 мм, 116 мм, 136-мм. 156 мм. 242 мм. Дополнительный поток подавался либо без закрутки, либо с закруткой. Для закрутки дополнительного потока использовалось сопло Ьдвп=5.5-мм. Ьд0п=11.5 мм. Для раскрутки дополнительного потока использовалась крестовина.

Вихревая труба была препарирована датчиками температуры и давления. Температура воздуха в вихревой трубе замерялась хромель-Копелевыми термопарами с выводом показаний на электронный цифровой вольтамперметр ВК2-20. Давление в потоке измерялось одноканальными датчиками

12

Рис. 2 . Схема экспериментальной установки:

I - компрессор. 2 - Фильтр. 3- влагоотделитель, 4- предохранительный клапан, 5 - регулировочный вентиль, 6- сопловой ввод. 7 - прозрачная труба. 8- трубка дополнительного потока, 9-горючая смесь типа "бенгальский огонь", Ю-дроссель,

II - тангенциальное сопло дополнительного потока. 12 - диафрагма

полного и статического давлений, измерительная часть которых состояла из трубки с внутренним диаметром 0,8 мм. В качестве измерительных приборов были использованы образцовые манометры типа МО класса точности 0,4 с пределами измерения (0 - 6) кгс/см2.

Сопловые колодки основного и дополнительного потоков- .соединялись подводящими трубопроводами с компрессором и сжатый воздух при открытии вентилей поступал в вихревую трубу. При этом устанавливались определенные давления на входах основного и дополнительного потоков в вихревую трубу.

Изменение количества сопел осуществлялось установкой, соответствующего сменного соплового ввода. Изменение длины трубки ввода дополнительного потока "проводилось заменой указанной трубки на трубку другой длины В зависимости от того, какой опыт производился в вихревую трубу подавался либо вращающийся, либо осевой дополнительный поток.

Дпя определения траектории движения газа в дополнительный поток подавались горящие частицы (горючая смесь типа "бенгальский огонь"). •

Во время эксперимента фиксировались температуры торможения на входах основного и дополнительного потоков Т01, Т0лоп и на выходе из диафрагмы Т05. Замерялись полное и статическое давления на входе основного потока Р01, и полное давление на входе дополнительного потока Р0доп- в течение опыта отмечалось атмосферное давление Ра. Запись исследуемых параметров производилась на установившемся режиме работы установки (время выдержки составляло 5 мин).

Полученные результаты по определений траектории движения газа ;в вихревой трубе с дополнительным потоком представлены на рис.3.- 4.

Показано, что при любых условиях отличных от условий оптимального ввода дополнительного потока в вихревую трубу, дополнительный поток может выйти через диафрагму, только в одном случае - при полностью закрытом дросселе. В" этой случае через диафрагму выходят как дополнительный. так и основной потоки. При полностью открытом дросселе основной и дополнительный потоки выходят через дроссель, • причем происходит подсос газа снаружи через диафрагму (резким вакуум-насоса). При частично открытом дросселе дополнительный поток выходит через дроссель, часть основного потока идет через диа'-рагку. ? часть через дроссель. Введение различие« о видч дополнительна^; гготссо» ("есього и гзнгекп. • ильного) выявило.что осевой поток заходит в вихревую трубу па бсльвее расстояние, чем тангенциальный.

Результаты эксперимента показали, что полученный эффект охлаждения лц не уступает, а в некоторых случаях и превосходит результаты

14

Рис. 3. Схема движения газа в вихревой трубе с дополнительным осевым потоком при различных положениях дросселя:

1) дроссель, закрыт:

2) дроссель частично открыт:

3) дроссель открыт.

л

-Е

7П А

п

тт

л

ф

Рис.4. Схема дзижения газа в вихревой трубе с дополнительным закрученным потоком при различных положениях дросселя:

1) дроссель закрыт;

2) дросселе частично открыт:

3) дроссель открыт.

других исследователей, при сравнимых начальных параметрах. Но при этом вихревая труба с дополнительным потоком работала в обычном противоточ-ном режиме, так как визуализация вихревой трубы показала, что дополнительный поток переходит на больший радиус и через дроссель горячего конца истекает в атмосферу. Дополнительный поток при этом играет роль газового дросселя.

Увеличение длины' ввода дополнительного потока, сокращает путь на • котором происходит энергообмен в противоточной вихревой трубе, а связи с чем уменьшается эффект охлаждения М,.

При изменении количества сопел Ц., меняется величина получаемого эффекта охлаждения ДЦ. что доказывает существование определенного оптимального количества сопел для конкретной вихревой трубы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОЫ

В результате проведенных исследований:

1) показана целесообразность и необходимость работ по изучению процессов, происходящих в вихревой трубе с дополнительным потоком;

2) разработан метод визуализации газового потока, создана экспериментальная установка и спланирована методика проведения лабораторного эксперимента по изучению траектории движения дополнительного потом в вихревой трубе с помощью визуализации:

3) осуществлено экспериментальное исследование вихревой трубы с дополнительным потоком: по определению траектории движения дополнительного потока, результаты которого показывают, что дополнительный поток, при любых условиях.отличных от условий оптимального ввода выходит через дроссель и играет роль воздушного дросселя:

4) теоретически изучен процесс энергообмена иеаду основным и дополнительным потоками газа в вихревой трубе;

5) составлена и решена математическая модель оптимальных параметров и геометрических размеров вихревой трубы с дополнительным потоком.

Проведенные исследования предполагают дальнейшее продолжение работ в данном направлении с целы) увеличения эффективности вихревой трубы с дополнительным потоком и создания на ее основе устройств с улучшенными технико-экономическими показателями.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Кузнецов В.И.. Макаров В.В.. Яковлев А.Б. Териогазодинамичес-кие процессы в противоточной вихревой трубе с дополнительным потоком

16

// Динамика систем, механизмов и машин: Тез. докл. междунар. науч. -техн. конф. - Омск, 19Э5. - Кн. 2. - С. 99-100.

2. Кузнецов Б.П.. Макаров В.В., Яковлев А.Б. Исследование термогазодинамических процессов течения газа с закруткой части потока в выхлопном канале энергетических установок // Динамика систем, механизмов и машин: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. - Омск. 1995. -Кн. 1. - С. 124.

3. Кузнецов В.И., Макаров В.В., Яковлев А.Б. Тепломассообмен в противоточной вихревой трубе с дополнительным потоком // Тр. Ш Минского меэдунар. форума по тепломассообмену. - Минск, 1996. - Г. X. ч. 1.

- С. 72-74.

4. Кузнецов В.И., Макаров В.В., Яковлев А.Б. Влияние закрутки части потока на тепломассообмен и расход газа в выхлопном канале энергетических установок // Тр. Ш Минского междунар. форума по тепломассообмену. -Минск, 1996. - Т. X. 4.1. -С. 67-71.

5. Кузнецов В. К.. Макаров В. В.. Яковлев A.B. Математическая модель расчета параметров на выходе из вихревой трубы с дополнительным потоком // Математические модели и численные методы механики сплошных сред: Тез. докл. междунар. конф. - Новосибирск, 1996. - С. 64-65.

6. Кузнецов В.И., Макаров В.В.. Яковлев A.B. Математическая модель течения газа с закруткой части потока в выхлопном канале энергетических установок // Математические модели и численные методы механики сплошных сред: Тез. докл. междунар. конф. - Новосибирск, 1996. - С. 362-363.

7. Кузнецов В.И.. Макаров Б.Ч., Яковлев A.B. Исследования противоточной' вихревой трубы с дополнительным потоком // Современные проблемы машиноведения: Матер, междунар. науч.-техн. конф. - Гомель. 1996.

- С. 170-171.

8. Кузнецов В.К.. Макаров В.В.." Яковлев А.Б. Устройства, использующие в своей работе вихревые движения газового потока, Деп. в ВИНИТИ 1996. II" 3233-В96. <7 С.

9. Кузнецов В.И.. Макаров В.В., Яковлев А.Б. Вихревые трубы с дополнительным потоком (обзор). ДеП. в ВИНИТИ 1996. М° 3547-В96. 37 с.

10. Положительное решение от 22.10.98 по заявке на полезную модель Н° 96115825/20(021978) от 3t.07.96 "Выхлопное устройство турбо-вального двигателя", МКИ F 02 К 3/12 / В.Й.Кузнецов. А.Б.Яковлев, В. В. Макаров. В. Г. Костогрыз,-