Макет вихревых структур течения в вихревой камере
Приведены результаты экспериментальных исследований структуры течения в вихревой камере. С помощью различных методов визуализации получены фотографии и фильмы течения в ней. На основании анализа картин визуализации и полученных результатов количественных измерений обнаружены специфические когерентны...
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут гідромеханіки НАН України
2008
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4658 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Макет вихревых структур течения в вихревой камере / В.В. Бабенко, В.Н. Турик // Прикладна гідромеханіка. — 2008. — Т. 10, № 3. — С. 3-19. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859728607440535552 |
|---|---|
| author | Бабенко, В.В. Турик, В.Н. |
| author_facet | Бабенко, В.В. Турик, В.Н. |
| citation_txt | Макет вихревых структур течения в вихревой камере / В.В. Бабенко, В.Н. Турик // Прикладна гідромеханіка. — 2008. — Т. 10, № 3. — С. 3-19. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Приведены результаты экспериментальных исследований структуры течения в вихревой камере. С помощью различных методов визуализации получены фотографии и фильмы течения в ней. На основании анализа картин визуализации и полученных результатов количественных измерений обнаружены специфические когерентные вихревые структуры. Построен макет взаимодействия когерентных вихревых структур в вихревой камере.
Наведенi результати експериментальних дослiдiв структури течiї в вихровiй камерi. За допомогою рiзних методiв вiзуалiзацiї одержано фотографiї та фiльми течiї у нiй. На основi аналiзу картин вiзуалiзацiї та здобутих результатiв кiлькiсних замiрiв виявлено специфiчнi когерентнi вихровi структури. Побудовано макет взаємодiї когерентних вихрових структур у вихровiй камерi.
Results of experimental researches of flow structure in the vortical chamber are resulted. Photos and films of flow in the vortical chamber are received by means of various methods of visualization. On the basis of the analysis of pictures of visualization and the received results of quantitative measurements specific coherent vortical structures are found out. The breadboard model of interaction of coherent vortical structures in the vortical chamber is constructed.
|
| first_indexed | 2025-12-01T11:47:03Z |
| format | Article |
| fulltext |
НАУКОВI СТАТТI ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
УДК 533.6.697
МАКЕТ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР ТЕЧЕНИЯ В ВИХРЕВОЙ
КАМЕРЕ
В. В. Б А Б ЕН К О∗ В. Н. ТУ РИ К∗∗
∗ Институт гидромеханики НАН Украины, Киев,
∗∗ Национальный технический университет Украины “КПИ”
Получено 05.02.2008
Приведены результаты экспериментальных исследований структуры течения в вихревой камере. С помощью раз-
личных методов визуализации получены фотографии и фильмы течения в ней. На основании анализа картин визу-
ализации и полученных результатов количественных измерений обнаружены специфические когерентные вихревые
структуры. Построен макет взаимодействия когерентных вихревых структур в вихревой камере.
Наведенi результати експериментальних дослiдiв структури течiї в вихровiй камерi. За допомогою рiзних методiв
вiзуалiзацiї одержано фотографiї та фiльми течiї у нiй. На основi аналiзу картин вiзуалiзацiї та здобутих результатiв
кiлькiсних замiрiв виявлено специфiчнi когерентнi вихровi структури. Побудовано макет взаємодiї когерентних
вихрових структур у вихровiй камерi.
Results of experimental researches of flow structure in the vortical chamber are resulted. Photos and films of flow in the
vortical chamber are received by means of various methods of visualization. On the basis of the analysis of pictures of
visualization and the received results of quantitative measurements specific coherent vortical structures are found out.
The breadboard model of interaction of coherent vortical structures in the vortical chamber is constructed.
ВВЕДЕНИЕ
Вихревые камеры находят широкое применение
в энергетических и технологических машинах и
аппаратах для организации их рабочих процес-
сов и интенсификации переноса массы, импуль-
са и теплоты [1 – 4]. При использовании для ме-
стной закрутки потока завихрителей тангенциаль-
ного и тангенциально-щелевого типов, вдоль про-
точной части имеет место нестабилизированное за-
крученное течение достаточно сложной структу-
ры [1, 3 –5]. В пристеночной и приосевой областях
могут существовать течения с продольными гра-
диентами статического давления различных зна-
ков. Наряду с радиальными градиентами давле-
ния это значительно усложняет структуру пото-
ков и представляет проблему при расчетах вну-
тренних закрученных течений [6].
При образовании зон возвратного течения,
используемых, в частности, в камерах сгорания
для предотвращения отрыва пламени, возникают
условия интенсификации турбулентного переме-
шивания. Вместе с тем, радиальное перемещение
турбулентных молей, вызванное пульсацией ско-
рости и связанное с совершением работы против
центробежных сил, может приводить к торможе-
нию процессов переноса в радиальном направле-
нии и способствовать устойчивой стратификации
по плотности и температуре. Это явление исполь-
зуется для улучшения характеристик газовых за-
вес в высокотемпературных установках и в пла-
зменной технологии с целью защиты поверхности
каналов от воздействия высоких температур. Те-
оретический анализ и экспериментальные данные
работ [1, 7, 8] также свидетельствуют о возможно-
сти стабилизирующего и даже блокирующего вли-
яния закрутки потока на турбулентный перенос в
вихревой камере.
Определяющую роль в формировании областей
с активным и консервативным характером воздей-
ствия центробежных массовых сил на структуру
потока имеют законы радиального изменения осе-
вой и трансверсальной составляющих скоростей
[4, 9]. Для проточных частей вихревой камеры эти
законы изучены намного полнее, чем для тупи-
ковых областей. Отмечается также фактор вли-
яния так называемого “торцевого эффекта” [9,10],
в частности, для вихревых камер с завихрителя-
ми в виде одиночных сопел [11, 12] и поясов впу-
скных окон прямоугольного сечения, равномерно
распределенных по окружности [13]. Физические
закономерности взаимодействия указанных фак-
торов практически не изучены. Кроме того, не ис-
следованы особенности вихревых структур в ви-
хревых камерах. Все это затрудняет дальнейшее
совершенствование вихревых камер как важней-
ших элементов теплообменных аппаратов, хими-
ческих реакторов, смесителей, циклонных камер
и других энергетических и технологических уста-
новок.
Цель настоящей работы – систематическое изло-
жение и анализ результатов экспериментальных
c© В. В. Бабенко, В. Н. Турик, 2008 3
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
исследований различных видов вихревых когерен-
тных структур, формирующихся в вихревой ка-
мере при наличии завихрителя в виде единично-
го сопла прямоугольной формы. На основании по-
лученных результатов построен макет взаимодей-
ствия когерентных вихревых структур вихревой
камеры.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА
ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Экспериментальные исследования проводились
в аэродинамическом стенде вихревой камеры, кон-
струкция которой подробно приведена в [11, 14].
Цилиндрическая часть вихревой камеры выпол-
нена в виде прозрачного полированного цилин-
дра из органического стекла с толщиной стенки
0.02 м, внутренним диаметром d0=0.102 м и дли-
ной l0=0.635 м. По торцам цилиндр имел флан-
цы, одним из которых соединялся с остальными
элементами аэродинамической установки. Была
возможность устанавливать как два фиксирован-
ных значения длины глухого торцевого участка,
так и любую длину торцевого участка, в том чи-
сле и осуществлять колебания торцевой стенки в
продольном направлении. Завихрители представ-
ляли собой сменные вставки с поясами из ше-
сти равномерно распределенных по периметру ци-
линдра впускных окон, имеющих различную пло-
щадь. Кроме того, на цилиндре устанавливалась
вставка с одиночным окном с размерами входного
сечения 0.041× 0.025 м.
Конструкция вставки позволяла плавно изме-
нять углы α входа пристеночной струи в цилин-
дрическую часть в любом направлении на любой
угол. Этот угол определяет поворот струи отно-
сительно продольной оси симметрии цилиндра.
Были изготовлены четыре сменных входных окна
с различными углами тангенциальности γ, позво-
ляющими изменять угол входа струи относитель-
но внутренней поверхности цилиндра. В одном
случае пристеночная струя направлялась относи-
тельно поверхности цилиндра практически по ка-
сательной. В другом крайнем случае пристено-
чная струя направлялась практически вдоль вер-
тикальной оси симметрии цилиндра. Площадь по-
перечного сечения сопла, отнесенная к поперечно-
му внутреннему сечению цилиндра, была S=0.123.
Относительная глубина тупиковой зоны состав-
ляла в серии опытов по определению окружных
(трансверсальных) скоростей L/d0 = 1.52÷ 4.04.
Фиксированному значению короткого торца со-
ответствовала величина 1.52, а длинного торца
– 4.04. В серии опытов по определению осевых
(продольных) скоростей соответствующие значе-
ния изменялись в диапазоне L/d0 = 1.82÷ 4.04.
В экспериментах проводились измерения осре-
дненных по времени осевых w и трансверсальных
u составляющих скорости в тупиковой области ви-
хревой камеры. Осевые компоненты скорости w
направлены вдоль продольной оси симметрии ци-
линдра (ось z системы координат), а трансвер-
сальные u – вдоль образующей внутренней по-
верхности цилиндра (ось x системы координат).
Ось y направлена вертикально вниз вдоль вер-
тикальной оси симметрии цилиндра. Начало ко-
ординат расположено в центре сопла на внутрен-
ней поверхности цилиндра. Максимальная средне-
расходная скорость в проточной (активной) ча-
сти камеры составила w=4.6 м/с. Это соответ-
ствует объемному расходу через вихревую каме-
ру Qmax=0.0376 м3/c, средней скорости потока в
сопле us = 37.44 м/с и числу Рейнольдса Res =
8.1 · 104. Примем для сопла значения umax=38 м/с
и Res = 8.23 · 104.
Методика выполнения экспериментальных ис-
следований заключалась в том, что первона-
чально проводилась визуализация потока тре-
мя методами. Обнаруженные структуры потока
фотографировались, фиксировались скоростной
киносъемкой и видеокамерой. Наиболее хара-
ктерные места тщательно исследовались термо-
анемометрической аппаратурой, с помощью лазер-
ного луча, Т–образного экранированного насадка
скорости и мобильного датчика направления ме-
стных течений. Полученная картина потока в ви-
хревой камере дополнялась результатами измере-
ний микротрубкой Пито, в основном, во внутрен-
них областях вихревой камеры. Эксперименталь-
ная установка и методика проведения исследова-
ний приведены в [12,15].
Анализ полученных результатов позволил выде-
лить следующие основные области течения в ви-
хревой камере:
– течение во внутренней области вихревой каме-
ры;
– течение в районе сопла;
– течение в периферической области вихревой
камеры;
– течение в районе торца;
– течение в активной области.
Рассмотрим в отдельности особенности течения
в указанных частях вихревой камеры и взаимодей-
ствие вихревых структур во всех частях вихревой
камеры.
4 В. В. Бабенко, В. Н. Турик
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
Рис. 1. Распределение осевой скорости вдоль тупиковой области вихревой камеры:
1 – вихревые системы “усы”; 2 – область течения по направлению к торцу; 3 – периферическая область
течения по направлению к активной области; 4 – квазитвердотельное течение; Res = 8.1 · 10
4, L/d0 = 4.4
2. ТЕЧЕНИЕ ВО ВНУТРЕННЕЙ ОБЛАСТИ
ВИХРЕВОЙ КАМЕРЫ
Течение во внутренней области вихревой каме-
ры подробно исследовано c помощью Т–образного
экранированного насадка скорости, трубки Пито
и термо–анемометрической аппаратуры, а также
специально изготовленного датчика направления
потока [11, 12]. Остановимся кратко на основных
результатах исследований, приведенных на рис. 1.
Белым цветом обозначено направление течения
при z/d > 0 (течение к торцу), а серым – направле-
ние при z/d < 0 (течение в сторону активной обла-
сти). Черный цвет соответствует более высокой
скорости. Цифрами обозначены изолинии равных
скоростей в каждой области течения. Цифры со-
ответствуют местной скорости потока, отнесенной
к средне–расходной скорости в активной области
вихревой камеры. Наибольшая скорость и энергия
зафиксированы в области вихрей, так называемых
“усов” 1. Вихри имеют спиралевидную форму. При
распространении этих вихрей от сопла к торцу их
скорость и энергия уменьшаются.
По диаграммам и графикам окружных u и осе-
вых w скоростей, отнесенных к среднерасходной
скорости в активной зоне камеры, для спира-
леобразного крупномасштабного вихревого жгута
“усы” в сторону глухого торца имеем:
– при полярном угле ϕ = 3π (полтора оборота
пристеночной струи после выхода из сопла – “обо-
ротная” струя плюс пол-оборота) w/Umid = 3.5;
– при ϕ = 4π – w/Umid = 2.5;
– при ϕ = 5π – w/Umid = 1.5.
Измерения проводились при r0 = 0, 88rmax, где
Umid – среднерасходная скорость в проточной ча-
сти вихревой камеры; r0 – радиус внутренней по-
верхности цилиндра; rmax – расстояние, при ко-
тором окружная скорость максимальна и осевые
скорости также близки к максимальным. Макси-
мальная окружная скорость в “усе” на этом же ра-
диусе практически не зависит от продольной ко-
ординаты и при любых значениях угла составляет
u/Umid = 2.4.
Таким образом, для полярных углов ϕ = 3π,
ϕ = 4π и ϕ = 5π по диаграммам скоростей в
пятнах “уса” в вертикальной плоскости, по мере
приближения к торцу осредненные по времени и
поперечным сечениям пятен значения максималь-
ной результирующей (фазовой) скорости винто-
образного движения вихревого жгута “усы” соо-
тветственно составляют v = 19.5; 15.94 и 13 м/с.
Наименее энергонесущими областями потока яв-
ляются две области. Одна из них имеет форму
меандрирующей кольцевой трубки 2, поток в ко-
торой направлен к торцу. В результате вращения
пристеночной струи, входящей в сопло, в осевой
области цилиндра возникает разряжение. В ито-
ге в место пониженного давления в районе сопла
устремляется поток воздуха как со стороны торца,
так и со стороны активной области.
Движение со стороны торца в активную область
В. В. Бабенко, В. Н. Турик 5
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
Рис. 2. Визуализация вихревых структур в вихревой
камере с помощью пудры (скоростная киносъемка): 1
– вихревая камера; 2 – цилиндр для подачи пудры; 3
– крупные расходящиеся вихревые образования “усы”;
4 – мелкие вихревые структуры; 5 – вихревые
структуры, поглощаемые “усами”
вызывается также вентилятором, который выса-
сывает воздух из вихревой камеры. Для компен-
сации потока, движущегося со стороны торца, в
соответствии с условием неразрывности и вслед-
ствие возникшего разряжения происходит движе-
ние высокоскоростных вихрей в виде “усов”, а так-
же низкоскоростного течения 2 в сторону торца. В
активной области за соплом измерения показали
обратные токи по направлению от активной обла-
сти в сторону сопла, вызванные также разряжени-
ем в области сопла.
Вторая область низкоскоростного течения 3 на-
правлена от торца в сторону активной области. Та-
кое движение вызвано, с одной стороны, как ука-
зывалось, разряжением в районе сопла и, с другой
стороны, относительным перемещением жидкости
3 при ее обтекании перемещающимися с большой
скоростью “усами”. След “усов” при визуализации
позволяет утверждать, что “усы” представляют со-
бой крупную пару вращающихся по направлению
к стенке вихрей. Вращение этих вихрей вызывает
относительное перемещение жидкости 3 от торца
в сторону сопла.
3. ТЕЧЕНИЕ В РАЙОНЕ СОПЛА
На рис. 2 приведена фотография из фильма,
полученного с помощью скоростной кинокамеры.
Здесь торец расположен справа, а активная зо-
на слева. Над соплом виден цилиндр 2, из кото-
рого поступает пудра в вихревую камеру 1. Пря-
мыми стрелками показано направление входяще-
го и выходящего воздуха. При просмотре филь-
ма видно, как при виде спереди от сопла фор-
мируются устойчивые крупные вихревые струк-
туры 3 (“усы”), расходящиеся в стороны от сопла
по винтовой линии. Направление вращения “усов”
показано криволинейными стрелками. Серый цвет
на этих стрелках соответствует движению возду-
ха в задней части внутренней поверхности цилин-
дра, а белый цвет стрелки соответствует направ-
лению потока по внутренней поверхности цилин-
дра в передней его части. Под соплом образуется
зона в виде криволинейного конуса, заполненная
мелкими вихревыми структурами 4, движущими-
ся вдоль окружности внутренней поверхности ци-
линдра. “Усы” 3 постоянно поглощают другие бо-
лее мелкие по отношению к ним вихревые струк-
туры 5, которые поступают сверху вниз по пери-
ферии внутренней стенки цилиндра вихревой ка-
меры. С помощью скоростной кинокамеры хорошо
виден процесс формирования вихревых структур,
которые поглощаются “усами”. Результаты визуа-
лизации показали, что скорость движения “усов”
сразу за соплом после их формирования состав-
ляет 32.6 м/с. Кроме того, видно вращение пары
вихрей в “усах” навстречу друг другу.
Подобная картина зафиксирована в фильмах,
полученных с помощью видеокамеры и того же
метода визуализации. На рис. 3 приведена фото-
графия вихревой камеры с длинным торцом. Так-
же зафиксированы крупные вихревые структуры
“усы”, движущиеся по винтовой линии вдоль вну-
тренней поверхности цилиндра вихревой камеры
как в сторону торца, так и в активную зону (слева
на рисунке).
Параметрические уравнения винтовой линии
имеют следующий вид:
x = r◦ cosϕ, y = sin ϕ, z = cϕ, (1)
где c = w/u, ϕ – полярный угол, отсчитываемый
от оси x (угол между осью x и радиусом r◦ в пло-
скости xoy основания цилиндра). Ось z совпадает
с осью цилиндра. Приведенные уравнения – это
уравнения правого винта. Уравнения левого винта
– те же и отличаются только знаком перед коэф-
фициентом c. Длина одного витка винтовой линии
запишется в виде
s = 2π
√
r2
◦
+ c2. (2)
При umax = 38 м/с в сопле (Remax = 8.23 · 104)
можно получить уравнение прямой для коэффи-
циента c:
c = −0.1326ϕ + 2.708, (3)
где φ – в радианах.
Шаг винтовой линии по рис. 3 составил:
Zv = (0.21÷ 0.23) Zv/d◦ = (2.1÷ 2.2). (4)
6 В. В. Бабенко, В. Н. Турик
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
Рис. 3. Визуализация вихревых структур в вихревой камере при помощи пудры:
1– корпус вихревой камеры; 2 – цилиндр для подачи пудры; 3 – крупные расходящиеся вихревые образования
“усы”; 4 – мелкие вихревые структуры; 5 – вихревые структуры, поглощаемые “усами ”. L/d◦ = 4.4,
Res = 7.8 · 10
4, α = ◦
◦, γ = 67
◦
Вихревая система “усы” состоит из двух вихрей,
вращающихся навстречу друг другу. Как показа-
ли результаты визуализации, зафиксированные с
помощью скоростной кино- и видеокамеры, оба ви-
хря вращаются навстречу друг другу также по
вытянутым винтовым линиям. В поперечном се-
чении каждый вихрь вихревой пары “усы” имеет
квазисимметричную форму с негладкой наружной
поверхностью, обусловленной взаимодействием с
набегающими на “усы” вихревыми системами 5
(рис. 3). Осредненная длина волны в плоскости
поперечного сечения этой вихревой пары “усы” со-
ставляет λ = (1.2÷ 1.4) · 10−2 м.
Угол криволинейного конуса под соплом, запол-
ненный мелкими вихрями 4, составляет примерно
55◦. Криволинейный конус под соплом неравно-
мерный. В зависимости от длины торцевой зоны
угол конусной области различный. Так, при коро-
тком торце угол конусности в сторону торца со-
ставляет порядка 30◦, а в сторону активной зоны
– порядка 25◦. При длинном торце, напротив, в
сторону торца угол конусной зоны примерно 25◦,
а в сторону активной зоны возрастает примерно
дo 45◦.
Более мелкие вихревые структуры 5, “подпи-
тывающие” “усы”, также движутся по винтовой
линии в тех же направлениях, но шаг их винто-
вой линии существенно меньше. Поэтому при вра-
щении вдоль образующей цилиндра эти вихревые
структуры пересекаются с “усами”, которые погло-
щают их. При коротком торце такое поглощение
происходит вплоть до торца, а при длинном торце
поглощение заканчивается до торца. В этом слу-
чае к торцу приближаются в основном укрупнив-
шиеся вихревые структуры “усы”.
Наиболее четко удалось зафиксировать разви-
тие указанных вихревых структур при примене-
нии сажевого метода визуализации (рис. 4). На
верхней фотографии входящая в сопло 2 при-
стеночная струя направлена под углом γ = 67◦ к
внутренней поверхности вихревой камеры 1; угол
θ = 90◦. Рядом с фотографией справа показано по-
перечное сечение вихревой камеры. В связи с тем,
что поток входит в вихревую камеру не по каса-
тельной, за соплом на внутренней поверхности ви-
хревой камеры образуется зона отрыва 5. Так же,
как и на рис. 3, зафиксированы крупные вихре-
вые структуры 3 – “усы”. После θ = 90◦ под соплом
на внутренней поверхности цилиндра вихревой ка-
меры зафиксированы мелкие вихревые структу-
ры 4 типа вихрей Гертлера-Людвига. Кинемати-
ческие характеристики этих вихрей подробно ис-
следованы в [14, 15]. Справа на верхней фотогра-
фии от сопла зафиксированы вихревые структу-
ры 6, движущиеся по винтовой линии. Они, как и
на предыдущих фотографиях, поглощаются “уса-
ми”. Эти вихревые структуры начинают формиро-
ваться уже в нижней части фотографии в районе
криволинейного конуса. Видно, как вихри 4 укру-
пняются – появляются черные полоски с большим
шагом. Эти укрупненные структуры хорошо ви-
дны на концах фотографии справа и слева. Так
В. В. Бабенко, В. Н. Турик 7
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
Рис. 4. Визуализация вихревых структур в вихревой камере c помощью сажевого метода:
1 – вихревая камера; 2 – сопло; 3 – крупные расходящиеся вихревые образования “усы”; 4 – мелкие вихревые
структуры типа вихрей Гертлера–Людвига; 5 – застойная вихревая область; 6 – вихревые структуры,
поглощаемые “усами”; 7 – границы первичной криволинейной пристеночной струи. Сечение вихревой камеры
по оси сопла
как цилиндр вихревой камеры выполнен из про-
зрачного органического стекла, то в этих частях
фотографии зафиксированы вихревые структуры
на противоположной стороне внутренней поверх-
ности цилиндра – при θ > 270◦. Видно также, что
темные полоски по винтовой линии переходят на
переднюю часть цилиндра в виде вихрей 6.
На средней фотографии запечатлена визуализа-
ция при θ > 180◦ – с обратной стороны цилиндра
по сравнению с верхней фотографией. Видно, как
укрупняются вихри типа Гертлера–Людвига после
θ = 270◦. При этом в области под соплом укру-
пнение указанных вихрей происходит медленнее,
а конус расширения области вихрей небольшой.
“Первичная пристеночная криволинейная струя”,
формирующаяся на внутренней поверхности ци-
8 В. В. Бабенко, В. Н. Турик
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
Рис. 5. Визуализация вихревых структур
в периферической области вихревой камеры:
1 – торнадоподобные вихри; 2 – ось взаимного
расположения вихрей 1; 3 – ось симметрии цилиндра
линдра после сопла, расширяется незначительно
вплоть до θ = 300◦. Затем эта струя при при-
ближении к соплу начитает расширяться вслед-
ствие натекания на входящую из сопла “первич-
ную” струю.
Справа и слева по отношению к этой области
пристеночной струи зафиксировано существенное
расширение струи и формирование больших раз-
меров вихревых структур. Природа этих вихрей
иная, по сравнению с вихрями типа Гертлера–
Людвига. Справа на средней фотографии штри-
ховойой линией показаны контуры “усов”, кото-
рые просматриваются на противоположной стен-
ке цилиндра через его прозрачные стенки. Спло-
шные линии фиксируют винтовой след “усов” с
обратной стороны цилиндра вихревой камеры при
180◦ < θ < 270◦. На нижней фотографии линиями
7 условно обозначены границы “первичной присте-
ночной криволинейной струи”. В сопле 2 видны ви-
хри 5 в отрывной области на стенке цилиндра за
соплом.
При исследовании Гертлеровской устойчивости
[14] зафиксированы пары вихрей. В одной паре
скорости вращения вихрей направлены от стенки.
Область между ними называется пиком. При этом
жидкость между вихрями выносится в наружную
область пограничного слоя. Расположенная сосе-
дняя пара, включая один из рассмотренных про-
дольных вихрей, имеет вращение, направленное к
стенке. Область между этими вихрями называе-
тся впадиной. В этом случае воздух между вихря-
ми направлен к обтекаемой стенке. На фотографи-
ях визуализации с помощью пудры видны светлые
полоски – области впадин между вращающимися
соседними вихрями, в которых поток заторможен
и направлен к стенке. Поэтому пудра в этих местах
прилипает к стенке. Движение вихрей динамиче-
ское – светлые полоски постоянно меняют форму
Рис. 6. Схема течения внутри вихревой камеры:
1 – цилиндр вихревой камеры; 2 – сопло; 3 –
квази-твердотельное течение; 4 – контуры
“первичной” пристеночной струи; 5 – контуры
“вторичной” пристеночной струи; 6 – отрывная
область – зона торнадоподобных вихрей; 7 – области
течения к торцу
и положение.
На рис. 5 приведена фотография визуализации
сажевым методом вихревых структур на внутрен-
ней поверхности вихревой камеры. Течение во вхо-
дящей струе сопла направлено навстречу наблю-
дателю, т.е. ось цилиндра на фотографии соответ-
ствует примерно θ = 90◦ (см. рис. 4). За соплом
видны два торнадоподобных вихря по отношению
к внутренней поверхности цилиндра. Оси взаим-
ного расположения этих вихрей смещены по отно-
шению к образующей цилиндра. Положение этих
вихрей нестационарное относительно друг друга.
4. ТЕЧЕНИЕ В ПЕРИФЕРИЧЕСКОЙ
ОБЛАСТИ ВИХРЕВОЙ КАМЕРЫ
Структура потока внутри вихревой камеры
в районе сопла приведена на рис. 6. Средняя
часть потока 3 в вихревой камере 1 – это
квази-цилиндрическое квази-твердотельное вра-
щение потока по направлению от торца к активной
части вихревой камеры (навстречу наблюдателю).
Диаметр такого течения в районе сопла составляет
примерно 0.6 внутреннего диаметра цилиндра. В
сопле формируется пристеночная струя 2, попере-
чное сечение которой сразу за срезом сопла умень-
шается и прижимается к внутренней поверхности
В. В. Бабенко, В. Н. Турик 9
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
цилиндра под действием двух факторов: центро-
бежной силы и “вторичной” пристеночной струи
5. В соответствии с законами неразрывности и со-
хранения массы “первичная” пристеночная струя
существенно уменьшает толщину и одновременно
увеличивает ширину так, что площадь ее попереч-
ного сечения постоянна с учетом потерь на трение.
Толщина “первичной” пристеночной струи состав-
ляет примерно половину ширины b сопла. Сделав
один оборот, “первичная” пристеночная струя на-
текает на выходящий из сопла поток. При этом
она прижимает выходящий поток к внутренней
стенке цилиндра, а сама обтекает этот поток по
ширине, как условно показано на нижней части
рис. 6. Область пристеночной струи, которая обте-
кает выходящий из сопла поток, условно назовем
“вторичной” пристеночной струей.
На рис. 7 приведена схема формирования вихре-
вых структур в периферической области вихре-
вой камеры. Как видно из рис. 6, в зависимости
от угла γ длина стенок сопла изменяется. Напри-
мер, при γ = 67◦ длина стенки справа составля-
ет примерно 21 мм, а слева – 36 мм. Несмотря
на округления, в угловых местах сопла имеются
предпосылки для формирования пар угловых ви-
хрей. При этом скорость вдоль стенок сопла суще-
ственно возрастает от нулевого значения на нару-
жной границе сопла до максимального значения
на внутренней границе сопла. На рис. 7 показаны
пары вихрей 3, 4 в угловых областях сопла. В соо-
тветствии с указанной картиной нестационарного
течения в сопле вихревые пары будут возникать
не в начале сопла, а примерно в середине толщи-
ны сопла. Значения скорости, геометрических раз-
меров и завихренности вихревых пар 3 и 4 будут
существенно отличаться, а их диаметр вдоль со-
пла будет изменяться в связи с ускорением пото-
ка по толщине сопла. Согласно рис. 6 завихрен-
ность пары вихрей 3, сформированных в угловых
областях сопла на стороне сопла, примыкающей
к внутренней поверхности цилиндра, будeт суще-
ственно больше, чем у вихрей 4, которые будут
вытекать из сопла и развиваться во внутренней
области “первичной” пристеночной струи. Первые
из указанных вихревых пар 3 будут источником
зарождения вихрей 5 (“усы”).
В отрывной области за соплом на внутренней
поверхности цилиндра 1 формируются торнадопо-
добные вихри 6. В пристеночной области “перви-
чной” пристеночной струи зафиксированы систе-
мы вихрей 7 типа Гертлера–Людвига, которые уве-
личиваются по мере продвижения пристеночной
струи вдоль внутренней поверхности цилиндра.
Измерения показали (рис. 6), что между течени-
ями пристеночной струи 4 и квазитвердотельного
ядра 3 внутри торцевого участка вихревой камеры
существует низкоскоростное течение 7 (см. также
рис. 1). Tаким образом, cогласно рис. 6, наблюда-
ется сильное вращение слоя пристеночной струи,
которая движется между внутренней поверхно-
стью цилиндра и низкоскоростного слоя жидко-
сти 7. При проведении многочисленных экспери-
ментов Тейлоровского течения известны несколь-
ко типичных вариантов:
– вращается наружный цилиндр, а внутренний
остается неподвижным;
– вращается внутренний цилиндр, а наружный
остается неподвижным;
– вращается наружный цилиндр, а внутренний
вращается в ту или иную сторону со значительно
меньшей скоростью;
– во время проведения экспериментов внутрен-
ний цилиндр приводится в периодическое движе-
ние относительно продольной оси цилиндра.
Таким образом, при анализе обнаруженных ти-
пов течения в вихревой камере становится оче-
видным, что имеются необходимые предпосылки
к существованию Тейлоровского типа течения во
вращающейся пристеночной струе. На рис. 7 по-
казаны пары Тэйлоровских вихрей 10, возникаю-
щих в “первичной” 8 и “вторичной” 9 пристено-
чных струях. Так как толщина “вторичной” при-
стеночной струи 9 больше толщины “первичной”
пристеночной струи, то размеры Тэйлоровских ви-
хрей также отличаются в области этих струй. Тэй-
лоровские вихри поглощают менее энергоемкие
системы вихрей типа Гертлера–Людвига. И уже
после одного оборота пристеночной струи визуали-
зация зафиксировала следы в области впадин от
пар Тэйлоровских вихрей. На видеофильмах хо-
рошо видно, как эти системы Тэйлоровских ви-
хрей при достижении вихрей типа “усы” погло-
щаются последними, энергия которых существен-
но больше, а размеры соизмеримы. Таким обра-
зом, взаимодействие вихрей происходит в соответ-
ствии с законами взаимодействия вихревых возму-
щений [16, 17].
5. ТЕЧЕНИЕ В РАЙОНЕ ТОРЦА
Чрезвычайно важны закономерности течения
непосредственно вблизи торца, где поток вихрей
“усы” и низкоскоростное течение 2 (см. рис. 1) пре-
образуется в квази-твердотельное течение, движу-
щееся в сторону активной области. На рис. 8 при-
ведены результаты визуализации потока вблизи
торца, полученные c помощью пудры. К цилиндру
10 В. В. Бабенко, В. Н. Турик
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
Рис. 7. Схема формирования вихревых структур в периферической области вихревой камеры:
1 – цилиндр вихревой камеры; 2 – сопло; 3, 4 – пары вихрей в угловых местах сопла; 5 – крупные вихревые
системы “усы”; 6 – торнадоподобные вихри в отрывной зоне за соплом; 7 – система вихрей типа
Гертлера–Людвига; 8 – “первичная” пристеночная струя; 9 – “вторичная” пристеночная струя; 10 – система
вихрей типа Тейлоровских
Рис. 8. Визуализация структуры потока
в районе торца вихревой камеры:
1 – цилиндр вихревой камеры; 2 – торцевая
прозрачная пластина; 3 – конусообразное спиральное
течение вблизи торца; 4 – квази–твердотельное
течение
вихревой камеры с торца 1 примыкает прозрачная
пластина 2, выполненная из органического стекла.
Это позволило наблюдать характер течения вбли-
зи торца, на внутренней поверхности цилиндра и
на самом торце. Вихревые системы, двигающиеся
к торцу вдоль внутренней поверхности цилиндра,
при соприкосновении с торцом делают неполный
оборот в угловой области сопряжения цилиндра с
торцом. Затем это угловое течение преобразуется
в конусообразное спиральное течение 3, которое
отдаляется от торца и направляется в активную
область. По мере удаления от торца диаметр по-
верхности конусообразного течения уменьшается,
а скорость течения по спиральной конусообразной
поверхности возрастает.
На расстоянии, равном примерно радиусу ци-
линдра, скорость вращения возрастает настолько,
что пудра диффундирует. Поэтому на рис. 8 ви-
дно темное округлое пятно, которое представляет
собой начало развития квази-твердотельного тече-
ния 4 вблизи продольной оси цилиндра. Криволи-
нейные стрелки на рис. 8 показывают направление
вращения соответствующих вихревых структур, а
светлые линии – оси координат цилиндра. Спра-
В. В. Бабенко, В. Н. Турик 11
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
ва на рис. 8 видна застойная область, в которой
накапливается пудра. В соответствии с приведен-
ными в разделе 3 сведениями об особенности тече-
ния пары вихрей можно считать, что белые следы
пудры на рис. 8 отражают течение пары вихрей,
вращающихся навстречу друг друга. На рис. 8 за-
фиксированы две пары спиралеобразных вихрей.
Наблюдаются также нечеткие следы более мел-
ких пар вихрей. Указанные вихри являются сле-
дами “усов”, вращающихся вдоль торца. Две пары
спиралеобразных вихрей соединяются на некото-
ром удалении от торца в одну пару вихрей, кото-
рая резко уменьшает радиус спирали и формирует
квазитвердотельное движение. Боле размытая по-
верхность пудры на торце представляет собой след
от течения 2 (рис. 1). Период смены картины визу-
ализации на торце – 0.16 ÷ 0.24 с. Скорость враще-
ние вдоль торца такая же, как и в вихревой паре
“усы”, измеренной вблизи торца. Диаметр спирале-
видного торнадоподобного вихря уменьшается в 4
раза по сравнению с размером вихря на торце и
составляет
dv/d◦ = 0.22÷ 0.24. (5)
Теоретически подобная картина течения решена
Бёдевадтом [18] вблизи плоского диска. Получе-
но точное решение уравнения Навье-Стокса, когда
на большом расстоянии от стенки вращается жид-
кость с постоянной угловой скоростью ω вокруг
оси, перпендикулярной к плоскости диска. Для
частиц жидкости, находящихся на большом рас-
стоянии от стенки, центробежная сила и радиаль-
ный градиент давления взаимно уравновешиваю-
тся. Для частиц же жидкости, находящихся вбли-
зи стенки, окружная скорость вследствие тормо-
жения понижена, поэтому здесь центробежная си-
ла значительно уменьшена. При этом направлен-
ный внутрь радиальный градиент давления оста-
ется таким же, как и на большом расстоянии от
стенки. В результате вблизи стенки возникает на-
правленное внутрь радиальное течение, которое, в
свою очередь, вызывает, вследствие условия нера-
зрывности, восходящее течение в осевом направ-
лении.
На рис. 9 приведена схема течения, принятая
в расчете Бёдевадта. Величины u, v, w – состав-
ляющие скорости соответственно в радиальном,
окружном и осевом направлениях. Вблизи диска
окружная скорость вследствие трения заторможе-
на. В результате возникает вторичное течение, на-
правленное радиально внутрь диска.
Учитывая рассмотренные выше картины визу-
ализации течения в вихревой камере, становится
Рис. 9. Вращательное движение жидкости
над неподвижным основанием [18]
очевидным, что структуры потока в вихревой ка-
мере и в теоретической задаче Бёдевадта суще-
ственно отличаются. В вихревой камере квази-
твердотельное течение вдоль продольной оси ци-
линдра от торца возникает вследствие существую-
щего разряжения в районе сопла и за счет притока
к торцу вихревых пар “усы”, а также низкоскоро-
стного течения 2 (см. рис. 1). При этом поток вну-
три вихревой камеры имеет взаимно противополо-
жное течение. Вращение вблизи торца осуществ-
ляется за счет вращающихся по винтовой линии
вихревых систем “усы”, а их движение приводит
к меандрированию всех подвложенных цилиндри-
ческих структур течения внутри вихревой камеры
(рис. 1).
Анализ видеофильмов, на которых были зафи-
ксированы особенности вихревых структур, пока-
зал, что на торце центр формирования торнадопо-
добного течения находится примерно на половине
радиуса, расположенного почти посредине третье-
го квадранта – между θ = 180◦ и θ = 270◦.
Для торнадоподобного спиралевидного вихрево-
го течения, формирующегося вблизи торца в се-
редине вихревой камеры и преобразующегося в
дальнейшем в квазитвердотельное течение, мож-
но применить вторую кинематическую теорему
Гельмгольца о вихрях. Эта теорема, одинаково
справедливая для движения невязкой и вязкой
жидкостей, утверждает, что интенсивность вихре-
вой трубки одинакова по еe длине.
12 В. В. Бабенко, В. Н. Турик
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
Для вихревой трубки конечных размеров и осре-
днeнных значений модулей завихренности Ω1 и Ω2
в ее поперечных сечениях σ1 и σ2 имеем:
Ω1 · σ1 = Ω2 · σ2. (6)
Основание конической вихревой воронки распо-
ложено на поверхности глухого торца камеры.
Протяжённость воронки приблизительно равняе-
тся среднему диаметру ее основания, размер и
расположение которого на торце зависят от гео-
метрических параметров впускного сопла, отно-
сительной глубины тупиковой части камеры и, в
меньшей мере, от расходного режима работы ка-
меры. Конический спиралевидный характер цен-
трального торнадоподобного вихря, по–видимому,
обусловлен поджимающим влиянием на него ви-
хревой структуры “усы”, движущейся во встре-
чном направлении к торцу и обладающей значи-
тельно большей кинетической энергией вращения.
Результаты визуализации и инструменталь-
ных измерений позволили обнаружить увеличение
окружной скорости вращения газа на коническом
спиралевидном участке вихревой трубки при уда-
лении от торца. Это согласуется со второй теоре-
мой Гельмгольца о вихрях: при уменьшении пло-
щади поперечного сечения вихревой трубки увели-
чивается угловая скорость вращения частиц. Ква-
зитвердотельный закон вращения спиралевидного
вихря приводит к соответствующему росту окру-
жной скорости на видимой поверхности раздела
рассматриваемой торнадоподобной вихревой труб-
ки.
Согласно теореме Стокса, интенсивность вихре-
вой трубки равна циркуляции скорости по любо-
му охватывающему ее замкнутому контуру. Цир-
куляция скорости оценивает момент количества
движения вращающегося вихревого образования,
приведенный к единице массы жидкости. В про-
стейшем случае цилиндрической вихревой трубки
радиуса r циркуляция скорости по её контуру рав-
на Γ = 2πvr и приближённо принята постоянной
по абсолютной величине. Здесь скорость v направ-
лена по касательной к окружности. Отсюда сле-
дует, что уменьшение радиуса вихревой трубки в
результате поджатия её на коническом приторце-
вом участке должно сопровождаться ростом окру-
жной скорости вращения.
Вращение вихревой системы “усы” вдоль вну-
тренней поверхности цилиндра так же, как и вра-
щение пристеночной струи в районе сопла, при-
водит к разряжению в периферической области
цилиндра. Это разряжение существенно меньше,
чем в районе сопла, так как количество движения
“усов” меньше, чем у пристеночной струи. В ре-
зультате этого разряжения на некотором удалении
от торца спиралевидное торнадоподобное течение
увеличивает диаметр и уменьшает окружную и
осевую скорости твердотельного течения.
При длинном торцевом участке вихревой каме-
ры (рис. 3) при приближении к торцу все квази-
тэйлоровские системы вихрей поглощены вихре-
выми системами “усы”. К торцу поток переноси-
тся в основном “усами”. В этом случае (см. рис. 1)
на внутренней поверхности цилиндра существуют
области низкоскоростного течения 3, направлен-
ного в сторону активной области (от торца). При
этом на поверхности цилиндра визуализация по-
зволила зафиксировать в пограничном слое этих
областей системы продольных вихрей, подобных 7
этапу переходного пограничного слоя на плоской
пластине [16]. Были зафиксированы также возму-
щения, подобные Λ–образным вихрям на 4 этапе
в переходном пограничном слое плоской пласти-
ны. На рис. 10 приведены фотографии таких ви-
хревых структур. Стрелкой показано направление
низкоскоростного течения вблизи внутренней по-
верхности цилиндра.
6. ТЕЧЕНИЕ В АКТИВНОЙ ОБЛАСТИ
На рис. 11 приведена фотография визуализации
течения в вихревой камере, полученная из соо-
тветствующего видеофильма, при наличии коро-
ткого торца. Сравнение с визуализацией обтека-
ния вихревой камеры с длинным торцом (рис. 3)
показало отличие картины течения в области тор-
ца. Кроме того, короткий торец позволяет обнару-
жить особенности течения в активной области.
За соплом в сторону активной области фор-
мируется 2 ÷ 3 “уса”, которые поглощают квази-
тэйлоровские вихри на очень коротком расстоянии
от сопла. Шаг винтовой линии “усов”, движущи-
хся в активную область, в 2 ÷ 3 раза меньше, чем
шаг винтовой линии “усов”, движущихся в сторону
торца.
Шаг винтовой линии по рис. 11 составил:
Zv = (0.08÷ 0.1) Zv/d◦ = (0.8 ÷ 0.95). (7)
Через z/d◦ = 1.5 шаг резко возрастает до зна-
чений Zv/d◦ = (1.75÷ 1.88). В дальнейшем, в на-
правлении в активную область на расстоянии
(2 ÷ 3)d◦ система “усов” сливается в один “ус”.
При этом шаг винтовой линии такого “уса” ста-
новится примерно равным (несколько больше) ша-
В. В. Бабенко, В. Н. Турик 13
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
Рис. 10. Продольные и Λ–образные вихревые структуры на поверхности цилиндра вблизи торца вихревой
камеры
Рис. 11. Визуализация вихревых структур в вихревой камере с коротким торцом:
1 – корпус вихревой камеры; 2 – цилиндр для подачи пудры; 3 – крупные расходящиеся вихревые образования
(“усы”); 4 – мелкие вихревые структуры; 5 – квази–тэйлоровские вихревые структуры, поглощаемые “усами”
гу “уса”, движущегося в сторону длинного торца
(рис. 3).
Формирование 2 ÷ 3 “усов” вблизи сопла в сто-
рону активной области связано с особенностью
движения жидкости в квазитвердотельном ядре.
Структура вихревых течений в сторону активной
области несколько отличается от развития тече-
ния в сторону торца. При вращении входящей в
сопло пристеночной струи в районе сопла в цен-
тральной части цилиндра вихревой камеры во-
14 В. В. Бабенко, В. Н. Турик
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
Рис. 12. Макает вихревых структур вихревой камеры:
1 – торцевая часть; 2 – цилиндр; 3 – сопло; 4 – активная область; 5 – квази–тэйлоровские вихри; 6 – вихри
типа Герлера–Людвига; 7 – вихри в угловых местах сопла; 8 – квази–твердотельное течение вдоль
продольной оси цилиндра; 9 – вихревые пары “усы”
Рис. 13. Форма квазитвердотельного цилиндра по оси вихревой камеры:
1 – квазитвердотельное течение вдоль продольной оси цилиндра; 2 – места расположения вихревой пары
“усы”; 3 – квази–тэйлоровские вихри
зникает разрeжение. При движении жидкости в
активную область в результате разряжения в при-
стеночной области цилиндра возникают обратные
токи жидкости, которые формируют слой 2 (см.
рис. 1). При этом квазитвердотельное течение по
оси цилиндра за соплом в сторону активной обла-
сти увеличивается в диаметре, а шаг винтовой ли-
нии “усов” резко уменьшается. Квазитвердотель-
ное течение после прохождения оси симметрии со-
пла имеет пульсационный характер. По мере за-
тухания этих колебаний диаметра квазитвердо-
тельного течения формируется вихревая структу-
ра “усы” такого же типа, что и в случае длинной
торцевой области. В зависимости от длины актив-
ной области вихревая структура “усы” постепенно
диссипирует и сливается с твердотельным течени-
ем, имеющем слабо-винтовое движение.
В. В. Бабенко, В. Н. Турик 15
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
Рис. 14. Макет вихревых структур в районе сопла:
1 – цилиндр вихревой камеры; 2 – квазитвердотельное течение вдоль продольной оси цилиндра; 3 –
квази–тэйлоровские вихри во “во вторичной” пристеночной струе; 4 – пары вихрей в угловых местах сопла; 5
– элемент входящего в сопло потока; 6 – сопло; 7 – торнадоподобные вихри в отрывной зоне за соплом
Рис. 15. Вихревые структуры в периферической области при θ = 90
◦:
1 – цилиндр вихревой камеры; 2 – сопло; 3 – вихри типа Гертлера–Людвига; 4 – квази–тэйлоровские вихри во
“вторичной” пристеночной струе; 5 – вихревой пары “усы”; 6 – системы продольных вихрей на внутренней
поверхности цилиндра вблизи торца вихревой камеры; 7 – “первичная” пристеночная струя; 8 – “вторичная”
пристеночная струя
7. МАКЕТ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР
ВИХРЕВОЙ КАМЕРЫ
На основании приведенных выше результатов
исследования картин визуализации и количествен-
ных измерений был разработан и изготовлен тре-
хмерный макет развития вихревых структур тече-
ния в вихревой камере. На рис. 12 приведена
общая схема взаимодействующих вихревых стру-
ктур. Рассмотрим вихревые структуры в соответ-
ствии с вышеприведенными разделами. Основные
виды вихревых структур течения во внутренней
области вихревой камеры приведены на рис. 1.
Рассмотрены четыре типа вихревых структур: 1 –
вихревые системы “усы”; 2 – область течения по
16 В. В. Бабенко, В. Н. Турик
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
Рис. 16. Вихревые структуры на торце при виде
изнутри:
1 – цилиндр вихревой камеры; 2 – торец; 3 –
вихревые пары “усы”, приближающиеся к торцу; 4 –
вихревые системы, вращающиеся на стенке торца; 5 –
вихревые системы, закручивающиеся в
квазитвердотельное течение по спирали
направлению к торцу; 3 – периферическая область
течения по направлению к активной области; 4 –
квазитвердотельное течение.
Обозначенные на рис. 12 квазитэйлоровские ви-
хри 5 сформированы во “вторичной” пристено-
чной струе. Вихри 5 взаимодействуют с вихрями
типа Гертлера–Людвига 6 и вихрями 7, возника-
ющими в угловых местах сопла. За внутренней
кромкой сопла 3 на внутренней поверхности ци-
линдра 2 возникает местный отрыв “первичной”
пристеночной струи в районе сопряжения сопла
3 с цилиндром 2. В области присоединения зоны
отрыва к поверхности цилиндра в результате вза-
имодействия вихрей 5, 6 и 7 возникают крупные
вихревые пары 9 – “усы”. Эти вихревые пары дви-
жутся вдоль внутренней поверхности цилиндра по
винтовой линии к торцу и в активную область. По
мере продвижения вихревые пары “усы” поглоща-
ют квази–тэйлоровские вихри, энергия которых и
шаг винтовой линии существенно меньше, чем у
“усов”.
На рис. 13 представлена форма квазитвердо-
тельного течения 1 от торца в активную область.
Крупными стрелками показано вращение течения
1 по винтовой линии слева направо. Точками 2 по-
казано место расположения вихревой пары “усы”
в пристеночной области внутренней поверхности
цилиндра. Светлая стрелка показывает направле-
ние движения “усов” справа налево. Существуют
все необходимые предпосылки для формирования
на поверхности квазитвердотельного течения сис-
темы квази-тэйлоровских вихрей 3.
Согласно результатам измерений, приведенных
на рис. 1, между квазитвердотельным течением
и “усами” существуют два квази–цилиндрических
течения: 2 (движение от сопла к торцу вследствие
разряжения в районе сопла) и 3 (движение от тор-
ца в активную область).
Рассмотрим типы вихревых структур в районе
сопла. На рис. 14 приведен макет области тече-
ния в районе сопла. Соответствующая схема пред-
ставлена на рис. 7. Система квази–тэйлоровских
вихрей 3 зафиксирована в процессе визуализации
вблизи внутренней поверхности цилиндра во “вто-
ричной” пристеночной струе. Пара торнадоподо-
бных вихрей 8 образовалась в отрывной области
“первичной” пристеночной струи за стыком сопла
с внутренней поверхностью цилиндра. Ось, услов-
но соединяющая эту пару вихрей 8, меандрирует.
Течение в периферической области вихревой ка-
меры приведено на рис. 15 (квазитвердотельное
течение по оси цилиндра не показано). Поток вхо-
дит в сопло навстречу наблюдателю (θ = 90◦). Со-
ответствующие пояснения формирования вихре-
вых структур приведены выше. На рис. 11 показа-
ны продольные и Λ–образные вихревые структуры
на поверхности цилиндра вблизи торца вихревой
камеры. На рис. 15 – продольные вихревые струк-
туры 6, зафиксированные на видеофильме. Форма
указанных вихревых структур зависит от местно-
го числа Рейнольдса, зависящего, в частности, от
скорости в сопле и длины торцевого участка. Те-
чение в области указанных продольных вихревых
структур направлено от торца в сторону активной
области (показано белой стрелкой) в соответствии
с рис. 1. Криволинейная стрелка обозначает на-
правление движение “усов”.
Течение в районе торца приведено на рис. 16.
В соответствии с видеофильмом и измерениями,
приведенными, в частности, на рис. 1, к торцу под-
ходят два типа течения: вихревая система “усы”
1 и квази–цилиндрический закрученный поток 2.
При этом скорость, а, следовательно, и количество
движения в вихрях 1 в три раза больше, чем в те-
чении 2. В районе торца оба типа течения соеди-
няются и вращаются на торце так, как показано
на рис. 8, 9. Вследствие вращения вблизи торца в
районе продольной оси цилиндра вихревой каме-
ры возникает разряжение, как в вихревых систе-
мах торнадо. Видеофильм позволил увидеть, что
вращающийся на торце 2 вихревой камеры поток
4 (рис. 16) втягивается в вихревую трубку 5 и по
воронкообразной поверхности устремляется в сто-
рону активной области в виде вращающегося ква-
В. В. Бабенко, В. Н. Турик 17
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
Рис. 17. Взаимодействие вихревых структур в районе торца:
1 – цилиндр вихревой камеры; 2 – вихревой пары “усы”; 3 – вихревые системы, закручивающиеся в
торнадоподобный вихрь; 4 – вихревые системы, вращающиеся на торце; 5 – торец; 6 – квази-твердотельное
течение; 7 – квази-тэйлоровские вихри
зитвердотельного течения.
На рис. 17 приведено взаимодействие вихрей в
районе торца вихревой камеры. Темной линией по-
казана продольная ось симметрии торнадоподо-
бного вихря в районе торца. Вихревые пары “усы”
2 по винтовой линии направляется к торцу 5, на
котором вращаются совместно с торцевыми вихря-
ми 4. Ускоряясь и смещаясь к центру, торцевое те-
чение 4 ввинчивается в воронку и вращается в тор-
надоподобном вихре 3, который формирует квази-
твердотельное течение 6 на некотором удалении от
торца, примерно равном радиусу торца.
Как указывалось ранее, продольная ось ворон-
ки торнадоподобного вихря 3 смещена относитель-
но продольной оси цилиндра и располагается при-
мерно на половине радиуса торца. Это расстояние
зависит от параметров сопла. Затем диаметр во-
ронки увеличивается, и течение трансформируе-
тся в квази-твердотельное, угловая скорость кото-
рого уменьшается по мере продвижения к соплу.
ВЫВОДЫ
Разработана методика проведения тонких физи-
ческих экспериментальных исследований на спе-
циально сконструированной и изготовленной эк-
спериментальной установке вихревой камеры. Ме-
тодика включает различные методы визуализа-
ции и фиксирования полученных результатов с
помощью скоростной кино- и видеокамеры. Обна-
руженные характерные места вихревых структур
в дальнейшем исследовались с помощью совре-
менной измерительной аппаратуры, позволившей
выполнить количественные измерения разлчных
параметров течений.
Впервые обнаружены и детально измерены ха-
рактерные типы вихревых структур в различных
участках вихревой камеры. К ним относятся ви-
хревые системы "усы", расходящиеся вихри типа
Гертлера-Людвига, пара вихрей типа торнадо за
соплом, различные виды квази-тэйлоровских ви-
хрей и спиралевидная система вихрей типа тор-
надо, основание которой расположено на торце,
а другой конец формирует квазитвердотельный
вихрь, движущийся от торца в сторону вихре-
вой камеры. Приведены характерные масштабы
и кинематические характеристики этих вихревых
структур.
Последовательно рассмотрено взаимодействие
характерных вихревых структур в основных обла-
стях течения в вихревой камере: во внутренней
области вихревой камеры; в районе сопла; в пе-
риферической области вихревой камеры; в районе
торца и в активной области.
На основании полученных результатов изготов-
лен трехмерный макет обнаруженных и исследо-
18 В. В. Бабенко, В. Н. Турик
ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2008. Том 10, N 3. С. 3 – 19
ванных вихревых структур и течений вихревой ка-
меры. Это дало возможность выполнить анализ
закономерностей формирования и взаимодействия
указанных типов вихревых структур.
Полученные результаты распределения геоме-
трических, кинематических и динамических пара-
метров течения в различных местах вихревой ка-
меры позволяют разработать программу исследо-
вания методов управления течения и эффективно-
сти вихревой камеры.
1. Кутателадзе С. С., Волчков Э. П., Терехов В. И.
Аэродинамика и тепломассообмен в ограниченных
вихревых потоках.– М.: Энергоатомиздат, 1987.–
283 с.
2. Волшаник В. В., Зуйков А. Л., Мордасов А.
П. Закрученные потоки в гидротехнических
сооружениях.– М.: Энергоатомиздат, 1990.– 280 с.
3. Халатов А. А., Шевчук И. В., Авраменко А.
А., Кобзарь С.Г., Железная Т. А. Термогазоди-
намика сложных потоков около криволинейных
поверхностей.– Киев: Институт теплофизики НАН
Украины, 1999.– 299 с.
4. Халатов А. А., Авраменко А. А., Шевчук И. В. Те-
плообмен и гидродинамика в полях центробежных
массовых сил.Т. 3: Закрученные потоки.– Ки-
ев: Институт теплофизики НАН Украины, 2000.–
474 с.
5. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные
потоки.– М.: Мир, 1987.– 588 с.
6. Сухович Е. П. Турбулентное смешение ограничен-
ных закрученных струй // Известия АН Латв.
ССР. Сер. Физ. и техн. Наук.– 1982.– № 1.– С. ,.
72–80
7. Левин В. Б. О стабилизирующем влиянии вра-
щения потока на турбулентность//Теплофизика
высоких температур.– 1964, 2, № 6.– C. 892–900.
8. Петриченко М. Р. Блокирующее действие враща-
тельного движения газа на теплопередачу в ка-
мере сжатия (сгорания) // Двигателестроение.–
1990.– № 4.– С. 57–58.
9. Гольдштик М. А. Вихревые потоки.– Новоси-
бирск: Наука, Сиб. Отделение, 1981.– 366 с.
10. Уормли Аналитическая модель несжимаемого по-
тока в коротких вихревых камерах // Тру-
ды Амер. Общ-ства инженеров-механиков: Теор.
Основы инж. расчетов.– 1969.– 91.– С. ,. № 2, 145–
159
11. Турик В. Н., Макаренко Р. А. Обобщение характе-
ристик тангенциальных течений в тупиковой ча-
сти вихревой камеры // Вестник Нац. Техн. Ун-
та Украины КПИ: Машиностроение.– 2000.– 1.–
С. № 38, 38–44.
12. Макаренко Р. А., Турик В. Н. Кинематика тече-
ния в тупиковой части вихревой камеры // При-
кладная гидромеханика.– 2001.– 3(75).– С. № 1,
46–51.
13. Турик В. Н., Макаренко Р. А. Аэродинамика ви-
хревой камеры с равномерным тангенциальным
подводом воздуха // Збiрник праць кiровоград-
ського держ. техн. унiверситету.– 2000.– № 7.–
С. 38–43.
14. Бабенко В. В., Воскобiйник А. В., Воскобiйник
В. А., Турик В. М. Вихори Гьортлера над увi-
гнутою поверхнею вхiдної частини вихрової каме-
ри // Прикладна гiдромеханiка.– 2003.– № 2(28).–
С. 105–110.
15. Бабенко В. В., Воскобойник В. А., Воскобойник
А. В., Турик В. Н. Поле пульсаций скорости в
пристеночной струе вихревой камеры // Вибрации
в технике и технологиях.– 2007.– 9(81).– С. № 2-3,
25–36.
16. Козлов Л. Ф., Цыганюк А. И., Бабенко В. В.
и др. Формирование турбулентности в сдвиговых
течениях.– Киев: Наукова думка, 1985.– 283 с.
17. Babenko V. V., Turick V. N. Cogerent vortical
structures control in flat and curvilinear parietal
flows The World Congress "Aviation in the XXI-st
Century", September 14-16 2003Kiev Ukraine
18. Bodewadt U. T. Die Drehstromung uber festen
Grund // Z. Angew. Math. Mech.– 1940.– 20.–
P. 241–253.
В. В. Бабенко, В. Н. Турик 19
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-4658 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-9087 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T11:47:03Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут гідромеханіки НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бабенко, В.В. Турик, В.Н. 2009-12-17T15:49:54Z 2009-12-17T15:49:54Z 2008 Макет вихревых структур течения в вихревой камере / В.В. Бабенко, В.Н. Турик // Прикладна гідромеханіка. — 2008. — Т. 10, № 3. — С. 3-19. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1561-9087 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4658 533.6.697 Приведены результаты экспериментальных исследований структуры течения в вихревой камере. С помощью различных методов визуализации получены фотографии и фильмы течения в ней. На основании анализа картин визуализации и полученных результатов количественных измерений обнаружены специфические когерентные вихревые структуры. Построен макет взаимодействия когерентных вихревых структур в вихревой камере. Наведенi результати експериментальних дослiдiв структури течiї в вихровiй камерi. За допомогою рiзних методiв вiзуалiзацiї одержано фотографiї та фiльми течiї у нiй. На основi аналiзу картин вiзуалiзацiї та здобутих результатiв кiлькiсних замiрiв виявлено специфiчнi когерентнi вихровi структури. Побудовано макет взаємодiї когерентних вихрових структур у вихровiй камерi. Results of experimental researches of flow structure in the vortical chamber are resulted. Photos and films of flow in the vortical chamber are received by means of various methods of visualization. On the basis of the analysis of pictures of visualization and the received results of quantitative measurements specific coherent vortical structures are found out. The breadboard model of interaction of coherent vortical structures in the vortical chamber is constructed. ru Інститут гідромеханіки НАН України Макет вихревых структур течения в вихревой камере Breadboard model of vortical structures at flow in the vortical chamber Article published earlier |
| spellingShingle | Макет вихревых структур течения в вихревой камере Бабенко, В.В. Турик, В.Н. |
| title | Макет вихревых структур течения в вихревой камере |
| title_alt | Breadboard model of vortical structures at flow in the vortical chamber |
| title_full | Макет вихревых структур течения в вихревой камере |
| title_fullStr | Макет вихревых структур течения в вихревой камере |
| title_full_unstemmed | Макет вихревых структур течения в вихревой камере |
| title_short | Макет вихревых структур течения в вихревой камере |
| title_sort | макет вихревых структур течения в вихревой камере |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4658 |
| work_keys_str_mv | AT babenkovv maketvihrevyhstrukturtečeniâvvihrevoikamere AT turikvn maketvihrevyhstrukturtečeniâvvihrevoikamere AT babenkovv breadboardmodelofvorticalstructuresatflowinthevorticalchamber AT turikvn breadboardmodelofvorticalstructuresatflowinthevorticalchamber |