Способ подавления турбулентности в течениях с вращением Российский патент 2025 года по МПК F15D1/06 B22D13/12 B22D11/16 

Область техники

Изобретение относится к технологиям обработки жидких металлов и расплавов, а также к технологиям химической промышленности и может использоваться при выращивании кристаллов из жидких расплавов и растворов.

Уровень техники

Необходимость устранения турбулентности в течениях возникает, например, в технологиях химической промышленности – устранение турбулентности приводит к сокращению непроизводительных затрат энергии [1], а также в технологиях обработки жидких металлов, где уменьшение турбулентности повышает качество слитков [2].

Также подавление турбулентности необходимо при выращивании кристаллов по методу Чохральского с размещением затравливающего кристалла в тигле с переохлажденным расплавом и равномерным разнонаправленном вращении тигля с расплавом и затравливающего кристалла под действием приводов [3, 4]. Турбулентность в таких случаях может приводить к замешиванию газа, посторонних примесей и/или их неравномерному распределению, что ухудшает качество готовой продукции. Таким образом, для применения метода Чохральского необходимы средства, снижающие турбулентность, в наилучшем варианте, приводящие к ее полному устранению. Так, устранение турбулентности способствует скорости роста кристаллов.

Полное подавление турбулентности течений возможно в случае воздействия магнитного поля [5, 6], но недостатком такого способа является возможность его использования только для материалов с высокой электропроводностью.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ устранения турбулентности в течениях с вращением, принятый за прототип [7]. Согласно известному способу [7], для устранения турбулентности в течениях между двумя вращающимися коаксиально расположенными телами вращения к внешнему телу вращения применяют механическое воздействие, обеспечивающее модуляцию угловой скорости вращения тела во времени по синусоидальной зависимости относительно среднего ненулевого значения, что позволяет полностью устранить турбулентность с переходом к ламинарному течению.

Недостатком прототипа является возврат течения к турбулентному режиму сразу после снятия управляющего механического воздействия.

Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в устранении недостатка, характерного для прототипа, за счет создания более эффективного способа подавления турбулентности в течениях.

Краткое раскрытие сущности изобретения

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого технического решения, заключается в обеспечении подавления турбулентности течения и длительного, до 1700 секунд, сохранения достигнутого ламинарного состояния течения.

Заявленный технический результат достигается тем, что в способе подавления турбулентности в течениях между двумя коаксиально расположенными контейнерами, установленными с возможностью вращения в противоположных направлениях, согласно техническому решению, к постоянному во времени значению угловой скорости вращения внутреннего контейнера добавляют случайные во времени колебания длительностью не менее 1400 секунд со средним нулевым значением, в спектре которых амплитуды снижаются с увеличением частоты.

Заявляемый способ может быть реализован для сферических или цилиндрических контейнеров в том случае, когда зазор между сферическими или цилиндрическими контейнерами равен или близок по величине к радиусу внутреннего контейнера. В случае цилиндрических контейнеров для реализации способа их высота и зазор между контейнерами также должны быть близкими по размеру.

Осуществление изобретения

Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием. При указанных выше геометрических параметрах контейнеров, в случае их вращения в противоположных направлениях с постоянными во времени угловыми скоростями, в течении жидкости между контейнерами устанавливается турбулентный режим при значениях числа Рейнольдса Re₁, превышающих критическое значение Re_с Re₁ = (Ω₁ r₁²)/ν, где Ω₁ – средняя во времени угловая скорость вращения внутреннего контейнера, r₁ – радиус внутреннего контейнера, ν – кинематическая вязкость жидкости. Re_с зависит от скорости вращения внешнего контейнера, и Re_с увеличивается при возрастании Re₂ = (Ω₂ r₂²)/ν, где Ω₂ – постоянная во времени угловая скорость вращения внешнего контейнера, r₂ – радиус внешнего контейнера. В свою очередь, при числах Re₁ меньших, чем Re_с, течение между контейнерами, вращающимися с постоянными угловыми скоростями, является ламинарным и периодическим. Эта периодичность, как показано, например, в [8], вызвана взаимной синхронизацией азимутальных мод с волновыми числами m = 2, m = 3 и m = 4. При повышении числа Re₁ выше Re_с происходит разрушение синхронизации [8], и формируется турбулентное течение. Если в таком течении к постоянному во времени значению угловой скорости вращения внутреннего контейнера добавить случайные во времени колебания со средним нулевым значением, в спектре которых амплитуда снижается с увеличением частоты, с продолжительностью действия случайных колебаний не менее t = 1400 секунд, то после отключения этих колебаний турбулентность будет подавлена. Происходит возврат к ламинарному течению, которое может сохраняться от 250 до 1700 секунд, в зависимости от продолжительности действия случайных колебаний и их относительной амплитуды N, определяемой отношением среднеквадратичных отклонений угловой скорости вращения внутреннего контейнера к ее среднему значению. Таким образом, при Re₁ > Re_c в случае стационарных скоростей вращения контейнеров течение является турбулентным, тогда как заявляемый способ позволяет обеспечить при тех же самых числах Рейнольдса относительно длительное ламинарное состояние течения после отключения управляющего воздействия в виде случайных во времени колебаний угловой скорости вращения с нулевым средним значением. Все указанные выше отличительные признаки заявляемого изобретения являются необходимыми для его реализации и позволяют обеспечить подавление турбулентности в течениях с вращением за счет добавления случайных во времени колебаний угловой скорости вращения.

Достижение технического результата основано на следующих эффектах. Первый эффект заключается в том, что добавление шума в сигнал угловой скорости вращения увеличивает взаимодействие упоминаемых выше азимутальных мод с волновыми числами m = 2, m = 3 и m = 4. Согласно [8], эти азимутальные моды при турбулентном режиме течения в случае стационарного вращения отличаются по амплитуде, величине фазовой скорости и даже по направлению, и под влиянием добавления шума эти величины сближаются, что ведет к синхронизации азимутальных мод [8]. Вследствие этого при одной и той же средней скорости вращения контейнеров в течении между ними происходит переход от турбулентного режима течения к ламинарному режиму. Второй эффект основан на том, что случайные во времени колебания с нулевым средним значением, в спектре которых амплитуда снижается с увеличением частоты, при одной и той величине N оказывают более сильное воздействие на течение, чем «белый» шум – случайные колебания, в спектре которых амплитуды равны во всем частотном диапазоне [9]. Именно поэтому в случае использования рассматриваемого в данном способе вида шума становится возможным подавление турбулентности при меньших значениях N, чем в случае «белого» шума.

Пример реализации способа

Реализация заявляемого способа подавления турбулентности возможна с использованием хорошо известных к настоящему времени средств и методов: так, случайные во времени колебания скорости вращения рассматривались в [9, 10], метод формирования случайных колебаний, в спектре которых амплитуда уменьшается с увеличением частоты, рассматривался в [9].

Заявляемый метод реализован в модельном эксперименте. В качестве коаксиально расположенных контейнеров использовались две сферы с радиусом внутренней 0.075 м и радиусом внешней 0.150 м. Между сферами размещено силиконовое масло с вязкостью, величина которой зависит от температуры масла. Сферы приводятся в движение электроприводом с двумя электродвигателями (по одному на каждую сферу), мощность каждого двигателя 400 Вт. Система управления угловой скоростью вращения сфер позволяет обеспечивать ее постоянное значение, а также добавление к постоянной угловой скорости вращения случайных во времени флуктуаций с нулевым средним значением, амплитуды в спектре которых уменьшались с увеличением частоты. Амплитуда случайных флуктуаций N также задается системой управления. Использовались случайные флуктуации, спектр которых показан зеленым цветом на рис. 2 в [9]. Под влиянием этого шума направление Ω₁ не изменялось, поскольку максимальное отклонение мгновенных значений угловой скорости от средних значений в проведенных экспериментах не превышало 42%.

Средние значения угловых скоростей вращения сфер выбирались таким образом, чтобы обеспечить в каждом эксперименте формирование турбулентных течений при одних и тех же числах Рейнольдса Re₁ = 382 и Re₂ = 700. К угловой скорости вращения добавлялись случайные флуктуации скорости вращения продолжительностью не менее t = 1400 сек, с заданной амплитудой N, и далее при определенных величинах N после отключения подачи случайных флуктуаций происходило подавление турбулентности. Результаты приведены ниже в таблице:

Ω₁, 1/сек Ω₂, 1/сек ν, м²/сек t, сек N Продолжительность ламинарного участка, сек Состояниетечения после выключения шума 3.387 4.939 4.987 10^-5 1620 0.046 0 турбулентность 3.366 4.908 4.956 10^-5 1223 0.051 0 турбулентность 3.387 4.939 4.987 10^-5 1197 0.066 0 турбулентность 3.387 4.939 4.987 10^-5 1400 0.068 250 ламинарное течение 3.402 4.962 5.01 10^-5 2185 0.1077 1700 ламинарное течение

Показанные выше результаты подтверждают возможность достижения заявленного технического результата при использовании заявленной совокупности существенных признаков заявляемого способа. Использование предлагаемого изобретения позволяет подавлять турбулентность в течениях с вращением за счет добавления случайных во времени колебаний угловой скорости вращения.

Источники информации

1. Абиев Р.Ш. Химическая промышленность сегодня, №4, С.46-54, 2008.

2. Ильин А.А. и др. Устройство для распределения расплавленного металла при литье. Патент РФ № 2784403 от 08.07.2022.

3. Нашельский А.Я. Производство полупроводниковых материалов. М., Металлургия, 1989, 272 с.

4. Zi-X. Zhou, H-P. Ren, C. Grebogi, Nonlinear Dyn., 108, 2655, 2022.

5. Кулинский А.И. и др. Способ литья магния и магниевых сплавов. Патент РФ № 2135324 от 28.04.1998.

6. Leng X., Kolesnikov Y.B., Krasnov D., Li B., Phys. Fluids, v.30, №1, P.015107, 2018.

7. Жиленко Д.Ю., Кривоносова О.Э. Способ устранения турбулентности в течениях с вращением. Патент РФ № 2676834 от 11.01. 2019 (прототип).

8. Жиленко Д.Ю., Кривоносова О.Э., Письма в ЖТФ, т.39, №1, С.62-69, 2013.

9. Жиленко Д.Ю., Кривоносова О.Э., Письма в ЖТФ, т.49, №8, С.21-24, 2023.

10. Афонина Н.А., Афонин А.А., Орлов А.Б. Способ подавления автоколебаний при токарной обработке. Патент РФ № 2267381 от 10.01.2006.

Изобретение относится к областям обработки жидких металлов и расплавов. Способ подавления турбулентности в течении между двумя коаксиально расположенными контейнерами, установленными с возможностью вращения в противоположных направлениях, включает добавление к постоянному во времени значению угловой скорости вращения внутреннего контейнера случайных во времени колебаний со средним нулевым значением, в спектре которых амплитуды снижаются с увеличением частоты. Длительность действия случайных колебаний не менее 1400 с. Обеспечивается подавление турбулентности течения и длительного, до 1700 с, сохранения достигнутого ламинарного состояния течения. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

1. Способ подавления турбулентности в течении между двумя коаксиально расположенными контейнерами, установленными с возможностью вращения в противоположных направлениях, отличающийся тем, что к постоянному во времени значению угловой скорости вращения внутреннего контейнера добавляют случайные во времени колебания длительностью не менее 1400 секунд со средним нулевым значением, в спектре которых амплитуды снижаются с увеличением частоты.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контейнеры выполнены в виде тел вращения, при этом зазор между контейнерами примерно равен радиусу внутреннего контейнера.