СПОСОБ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ ПОТОКОВ Российский патент 1997 года по МПК F15D1/00 F15D1/14 

Изобретение относится к способам воздействия на поток текучей среды и может быть использовано в аэро- и гидродинамике, преимущественно в тепло- и массообменных аппаратах.

При проектировании и создании тепло- и массообменных аппаратов часто возникает проблема предотвращения или минимизации влияния продуктов взаимодействия, протекающего в определенной пространственной области, и, собственно, зоны взаимодействия на ограничивающую среду, в первую очередь, на стенки проектируемых аппаратов. Возникновение этой проблемы может быть связано, например, с высокой температурой плазмы, пламени и образующихся продуктов в плазмотронах или камерах сгорания, с высокой коррозионной активностью или высокой требуемой чистотой продуктов в химических реакторах.

Известен способ создания системы потоков [1] включающий формирование вне пространственной области двух коаксиальных потоков текучей среды: внутреннего цилиндрического и внешнего трубообразного, имеющих поступательное движение с разными скоростями, наложение на текучую среду внешнего возмущающего воздействия с образованием зоны взаимодействия вблизи общей оси потоков внутри пространственной области, формирование продуктов взаимодействия в виде потока и отвод этого потока из пространственной области в направлении движения коаксиальных потоков. За счет того что скорость внешнего потока текучей среды больше, чем периферийных слоев внутреннего, при их смешении вблизи пространственной области происходит гидродинамическое обжатие зоны взаимодействия и, таким образом, уменьшается влияние зоны и продуктов взаимодействия на ограничивающую среду. Этот способ применяется, например, для стабилизации плазменного образования на оси ВЧ-плазмотронов.

Недостатком способа является то, что продукты взаимодействия распространяются сквозь внешний поток текучей среды перпендикулярно к направлению его движения вследствие диффузии и турбулентного перемешивания с исходной текучей средой и, таким образом, оказывают влияние на ограничивающую среду, в частности на стенки плазмотрона.

Известен также способ создания системы потоков [2] включающий формирование вне пространственной области первичного потока текучей среды, имеющего поступательное движение, преобразование первичного потока на границе пространственной области при помощи пористых стенок камеры, которые и являются границами этой области, во вторичный поток, входящий в пространственную область со всех направлений, кроме направления истечения, наложение на текучую среду внешнего возмущающего воздействия с образованием зоны взаимодействия внутри пространственной области, формирование продуктов взаимодействия в виде потока и отвод этого потока из пространственной области в направлении истечения. Всесторонне поступление текучей среды отжимает гидродинамически зону взаимодействия от границ области и, таким образом, уменьшает влияние зоны взаимодействия и продуктов взаимодействия на ограничивающую среду. Способ используется, в частности, для стабилизации плазмы в ВЧ-плазмотронах.

К недостаткам известного способа относится, в первую очередь, сложность изготовления пористой камеры. Кроме того, стенки пористой камеры непосредственно приближены к зоне взаимодействия и поэтому в значительной мере подвержены влиянию этой зоны. Это приводит к дополнительным жестким ограничениям на материал пористой камеры, что в свою очередь усложняет изготовление. Стенки камеры оказывают значительное гидродинамическое сопротивление текучей среде, что существенно ограничивает область применения способа, особенно при использовании многокомпонентных текучих сред. Наличие материальных стенок у пространственной зоны сужает применимость данного способа из-за того, что при этом далеко не всякое возмущающее воздействие (например, звуковое или световое) может быть наложено на текучую среду.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи создания системы потоков, обеспечивающей минимальное влияние зоны взаимодействия и продуктов взаимодействия на ограничивающую среду, без использования преобразующих потоки устройств, расположенных вблизи зоны взаимодействия.

Решение поставленной задачи состоит в том, что вне пространственной области формируют первичный поток текучей среды, имеющий поступательное движение, преобразуют первичный поток на границе пространственной области во вторичный, входящий в эту область со всех направлений, кроме направления истечения, накладывают на текучую среду внешнее возмущающее воздействие с образованием зоны взаимодействия внутри пространственной области, формируют продукты взаимодействия в виде потока и отводят этот поток из пространственной области в направлении истечения, при этом согласно изобретению первичный поток формируют трубообразным с продольным поступательным движением в направлении, противоположном направлению истечения из пространственной области, а отвод продуктов взаимодействия осуществляют внутри трубообразного потока.

Поставленная задача решается также тем, что трубообразному потоку текучей среды сообщают вихревое движение.

Поставленная задача решается и тем, что число Маха потока продуктов взаимодействия внутри пространственной области не превышает 1.

Сущность изобретения заключается в следующем. Если для текучей среды, сформированной в виде имеющего поступательное движение трубообразного потока и поступающей в ограниченную область, организовать отвод в обратном направлении внутри трубообразного потока, то преобразование трубообразного потока в противоположно направленный струйный будет сопровождаться эффектом всестороннего поступления текучей среды в область, где происходит изменение направления течения на противоположное. Поэтому наложение возмущения, вызывающего взаимодействие, на текучую среду в области преобразования потока приведет к гидродинамическому обжатию зоны взаимодействия со всех сторон, кроме направления истечения продуктов взаимодействия. Это, в свою очередь, приведет к обеспечению минимального влияния зоны и продуктов взаимодействия на ограничивающую среду без применения сложных в изготовлении пористых камер и иных устройств, расположенных вблизи зоны взаимодействия. Поскольку при этом пространственная область не ограничена материальными стенками, которые могут быть препятствием текучей среде или налагаемому воздействию, существенно возрастает область применения способа.

Сообщение трубообразному потоку текучей среды вихревого движения повышает осевую симметрию всей системы потоков, повышает уровень скоростей в системе при неизменных расходных параметрах, позволяет сформировать первичный поток на более коротком участке и обеспечивает понижение статического давления на оси пространственной области. При отводе продуктов взаимодействия в виде сверхзвукового потока, т.е. имеющего число Маха больше 1, текучая среда из первичного потока практически не будет проникать в поток продуктов взаимодействия. Однако в случае большой разницы между физическими свойствами текучей среды и продуктов взаимодействия (например, жидкость газ), число Маха продуктов взаимодействия может превышать 1.

На фиг. 1 приведена схема, иллюстрирующая способ на примере газовой горелки для случая первичного трубообразного потока; на фиг. 2 схема, иллюстрирующая способ на примере СВЧ-плазмотрона для случая первичного трубообразного вихревого потока.

Пример 1. В случае первичного трубообразного потока (фиг. 1) первоначально формируют кольцевой трубообразный поток воздуха 1, который подают в камеру сгорания 2 газовой горелки. На границе 3 пространственной области 4 внутри камеры сгорания 2 кольцевой поток 1 преобразуют во вторичный поток 5, входящий в область 4 со всех сторон, кроме направления истечения 6. В эту же область в направлении истечения 6 подают поток 7 пропан-бутановой смеси, которую поджигают. Воздух вступает во взаимодействие с пропан-бутановой смесью в зоне взаимодействия в пламени 8. Продукты взаимодействия (сгорания) отводят в виде потока в направлении истечения 6. Скорость потока продуктов сгорания в пределах пространственной области не превышает скорость звука, т. е. число Маха потока не больше 1. Обжатие пламени течением воздуха препятствует сажеобразованию на стенках камеры сгорания 2 и предохраняет их от перегрева. Предложенный способ позволяет создать необходимую систему потоков, обеспечивающую минимальное влияние зоны взаимодействия и продуктов взаимодействия на ограничивающую среду без использования преобразующих течение устройств, расположенных вблизи зоны взаимодействия.

Пример 2. В случае первичного трубообразного вихревого потока (фиг. 2) первоначально в завихрителе 1 формируют трубообразный вихревой поток воздуха 2, имеющий поступательное движение внутрь кварцевого стакана 3 СВЧ-плазмотрона. На границе 4 пространственной области 5 внутри кварцевого стакана 3 первичный вихревой поток 2 преобразуется во вторичный сжимающийся вихревой поток 6, входящий в область 5 со всех сторон, кроме направления истечения 7. При подаче СВЧ-излучения на оси стакана 3 в области пониженного статического давления инициируют плазменное образование 8. Продукты взаимодействия (воздушную плазму) выводят в виде потока в направлении истечения 7. Поскольку при взаимодействии воздуха с СВЧ-излучением и плазмой не происходит изменения момента количества движения, то поток продуктов взаимодействия (плазмы) является также вихревым.

Отсутствие зон рециркуляции при таком способе создания системы потоков газа уменьшает конвективный теплоотвод от плазмы к стенкам плазмотрона и повышает температуру плазменной струи. Способ позволяет создать осесимметричную сложную систему потоков с пониженным давлением на оси, обеспечивающую минимальное влияние на ограничивающую среду без использования преобразующих течение устройств, расположенных вблизи зоны взаимодействия, причем первичный трубообразный поток формируется на более коротком участке, чем в случае его простого поступательного движения.

Из приведенных примеров видно, что предлагаемый способ позволяет создать систему потоков, обеспечивающую минимальное влияние зоны взаимодействия и продуктов взаимодействия на ограничивающую среду, без использования преобразующих потоки устройств, расположенных вблизи зоны взаимодействия.

Использование: в аэро- и гидродинамике, преимущественно в тепло- и массообменных аппаратах. Сущность изобретения: первичный поток текучей среды формируют трубообразным с продольным поступательным движением в направлении, противоположном направлению истечения из пространственной области, вне которой первичный поток сформирован, а отвод продуктов взаимодействия осуществляют внутри трубообразного потока. Трубообразный первичный поток текучей среды может иметь вихревое движение, а число Маха потока продуктов взаимодействия внутри пространственной области обычно не превышает 1. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ создания системы потоков, включающий формирование вне пространственной области первичного потока текучей среды, имеющего поступательное движение, преобразование первичного потока на границе пространственной области по вторичный, входящий в эту область со всех направлений, кроме направления истечения, наложение на текучую среду внешнего возмущающего воздействия с образованием зоны взаимодействия внутри пространственной области, формирование продуктов взаимодействия в виде потока и отвод этого потока из пространственной области в направлении истечения, отличающийся тем, что первичный поток формируют трубообразным с продольным поступательным движением в направлении, противоположном направлению истечения из пространственной области, а отвод продуктов взаимодействия осуществляют внутри трубообразного потока. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что трубообразному потоку текучей среды сообщают вихревое движение. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что число Маха потока продуктов взаимодействия внутри пространственной области не превышает 1.