The rationale for the operability of vibration and flow pulsation generators is considered in order to increase the intensification of plate vibration generation and flow pulsation by increasing the contact surface of the phases. The theoretical possibility of developing devices for generating vibration and flow pulsation has been confirmed, increasing the intensification of processes when mixing components, producing thin emulsions, suspensions, saturated solutions and homogeneous mixtures, as well as in power plants for heat and mass transfer between phases by increasing the contact surface of the phases, and in other industries
self-oscillation, vacuum, generator, gap, pulsation, resonator chamber, resonance, nozzle, ejection
Интенсификация генерирования вибраций и пульсаций потока применяется во множестве известных гидропневматических устройств, в пневматических излучателях, пульсаторах, ударных и других механизмах. Особое место генерирование вибрации и пульсации потока занимает при смешивании компонентов, получении тонких эмульсий, суспензий, насыщенных растворов и гомогенных смесей, в энергетических установках тепло-массообмена между фазами за счет увеличения поверхности контакта фаз, в добывающей, химической и других отраслях промышленности.
Анализ работ показал, что повышение эффективности генерирования вибрации и пульсации потока в широком диапазоне давления недостаточно изучено. Известные методы расчета и проектирования и их реализация не позволяет достигнуть в полной мере увеличения поверхности контакта фаз, что не позволяют максимально использовать энергию потока сжимаемых сред [1], связано с высокими гидравлическими потерями и сложностью конструкций генераторов вибрации и пульсации потоков. Физическое, теоретическое и экспериментальное объяснение формированию стоячих волн разрежения и сжатия, обусловленному волновой природой сверхзвукового потока при безотрывном течении сжимаемых сред, установил и исследовал Г. Н. Абрамович [2]. Однако представления о режимах волнового течения потока в зазоре [3, 4, 5, 6] представлено только общими зависимостями.
Образование пульсаций за счет деформации упругой пластины, закрепленной относительно корпуса подвижно в нескольких точках, наиболее удаленных от сопла, под воздействием разрежения в кольцевых зонах впервые рассмотрено в работе [7]. Течение потока газообразной среды с образованием кольцевых зон разрежения в зазоре между пластинами рассмотрено в [8, 9].
Генерирование вибрации и пульсации потока, впервые рассмотренное в работе [10], достигается созданием резонансных колебаний при деформации упругой пластины путем пропускания потока в резонаторную камеру через резонаторное отверстие и через сапуны. Колебания упругой пластины создаются вакуумом, передающимся в резонаторную камеру через резонаторное отверстие, расположенное в корпусе коаксиально относительно сопла в пределах кольцевой зоны вакуума, повышенное давление потока передается в резонаторную камеру из зазора между корпусом и пластиной через сапуны, равномерно расположенные по окружности коаксиально относительно сопла в пределах кольцевой зоны давления вне кольцевой зоны вакуума, при этом чередованием пониженного и повышенного давления в резонаторной камере создаются периодические колебания пластины, которые резонируют с колебаниями потока в резонаторной камере и образуют пульсацию потока на выходе из зазора за пределами резонаторного отверстия. Диаметр каждого сапуна не превышает ширины кольцевой зоны давления в зазоре между корпусом и пластиной, суммарная площадь сечения сапунов не превышает площади сечения резонаторного отверстия, а величина зазора не превышает величины поперечного сечения сопла и принимается в пределах 1/12÷1/16 диаметра сопла. Резонаторная камера сообщена с зазором резонаторным отверстием коаксиальным соплу в пределах кольцевой зоны разрежения, а коаксиально резонаторному отверстию расположена группа отверстий, при этом не менее трех отверстий группы равномерно расположены по окружности в пределах кольцевой зоны давления, расположенной вне кольцевых зон разрежения. Однако резонансные частоты колебания пластины и потока среды наблюдались при давлении потока на входе в сопло в пределах от 1,5 кг/см2 до 2 кг/см2. При большем диапазоне давления потока частота собственных колебаний пластины не всегда совпадала с частотой пульсации потока среды.
Устройство генерирования вибрации и пульсации потока, показанное на рисунке, содержит корпус 1 с пластиной 2 и соплом 3. В корпусе 1 содержится резонаторная камера 4 с резонаторным отверстием 5. Пластина 2 закреплена на корпусе 1 винтами 6 со втулками 7 в нескольких точках, наиболее удаленных от центра сопла 3 с кромкой 8. Величина зазора 9 задана высотой втулки 7. Резонаторная камера 4 соединена с зазором 9 посредством резонаторного отверстия 5 и сапунов 15. Резонаторные отверстия 5 и сапуны 15 коаксиальны соплу 3. При этом ширина b резонаторного отверстия 5 не превышает ширины b1 кольцевой зоны вакуума 13, а сапуны 15 расположены по окружности в пределах зоны давления 16 шириной b2. Не менее трех сапунов 15 диаметром d1, равномерно расположены коаксиально соплу 3 в пределах кольцевой зоны давления 16 в зазоре 9 между корпусом 1 и пластиной 2, при этом диаметры d1 сапунов 15 не превышают ширины b2 зоны давления 16. Суммарная площадь сечения сапунов 15 меньше площади сечения резонаторного отверстия 5, чтобы в резонаторной ка
мере не создавалось избыточное давление за счет подсоса воздуха из зоны 16. Величина зазора 9 принимается в пределах 1/12÷1/16 диаметра сопла 3.
Поток 10 под давлением проходя через сопло 3, срывается с кромки 8 сопла 3 и разворачивается в зазор 9. Согласно закону Бернулли, увеличение скорости расходящегося потока в зоне сужения 11 образует зону вакуума 12 в центре сопла 3, кольцевую зону вакуума 13 со стороны корпуса 1 и кольцевую зону вакуума 14 со стороны пластины 2. Таким образом, в зонах вакуума 12, 13 и 14 создается присасывающая сила, которая преодолевает силу давления потока 10, прогибает пластину 2 в сторону кромки 8 и уменьшает величину h зазора 9. В кольцевой зоне касания 16 поток 11 прижимается к корпусу 1. Образующаяся в кольцевой зоне 13, присасывающая сила создает вакуум в резонаторной камере 4, за счет этого вакуума часть потока за зоной 16 через сапуны 15 всасывается в резонаторную камеру 4, снижая в ней вакуум и повышая давление. В этот момент энергия волны давления объединяется со стоячей волной, образующейся в резонаторной камере 4, и через резонаторное отверстие 5 «догоняет» разгибающуюся под действием упругости материала пластину 2, воздействуя на нее дополнительным усилием давления струи из сопла 3, увеличивает величину h зазора 9. При увеличении зазора 9 поток 10 под давлением, проходя через сопло 3, вновь срывается с кромки 8 сопла 3, разворачивается в зазор 9, а увеличение скорости в зоне сужения 11 вновь образует зоны вакуума 12, 13, 14, в которых вновь создается присасывающая сила, уменьшая величину h зазора 9, деформирует пластину 2 в пределах упругости ее материала, в присутствии энергии волн давления 16 и вакуума 13. При этом в резонаторной камере 4 образуется звуковая волна, которая отражается от внутренних стенок резонаторной камеры 4, объединяется со стоячими волнами и выходит из резонаторной камеры 4 через резонаторное отверстие 5, создавая в зазоре 9 акустический резонанс, вызывающий резонансные колебания пластины 2 и пульсацию потока, как в самом зазоре 9, так и за пределами пластины 2.
Исследование проводилось с использованием латунной пластины 2 толщиной 2 мм и диаметром 80 мм, закрепленной на корпусе 1 с зазором h=0,3 ммв трех точках винтами 6. Сопло 3 для подачи сжатого воздуха в зазор 9 выполнено диаметром d=4 мм. Размеры кольцевой зоны вакуума 13 и кольцевой зоны давления 16 определены подачей в зазор 9 через сопло 3 давления сжатого воздуха 3,0 кг/см2 с подмешиванием в сжатый воздух абразивных частиц. При этом в зазоре 9 волнообразное течения потока сжатого воздуха с абразивными частицами в зоне 16, на поверхности корпуса 1, образовало кольцевой след коаксиально соплу 3. Замером кольцевого следа определена ширина зоны разрежения 13, которая составила b1=7 мм и ширина зоны давления 16, которая составила b2=3 мм. По кольцевому следу зоны разрежения 13 задана ширина b=3 мм резонаторного отверстия 5, по кольцевому следу зоны давления 16 задан радиус r=10,5 мм расположения шести отверстий диаметром d1=2 мм группы 15 коаксиально соплу 3. Радиус резонаторной камеры 4 принят R=15 мм, а ее высота H=6 мм. Вибрация пластины 1 наблюдалась при диапазоне давления сжатого воздуха в пределах 2÷3,5 кг/см2.
Рассмотрим формирование устойчивой структуры чередующихся зон разрежения и давления в радиальном зазоре начинается с подачи потока под давлением через сопло 3 в зазор 9, образованный корпусом 1 и упругой пластиной 2. Величина зазора составляет h=1/12…1/16 диаметра сопла d). Согласно экспериментальным и теоретическим данным по импактным осесимметричным струям, при натекании струи на плоскую преграду с малым относительным расстоянием (h/d < 0.2), реализуется особый режим течения, характеризуемый последовательным чередованием кольцевых зон отрыва и присоединения потока - эффект Коанда [11, 12]. В центральной зоне разрежения 12, за кромкой сопла 8, поток резко разворачивается в радиальном направлении. Линии тока в области поворота обладают большой кривизной. В соответствии с уравнением Бернулли, увеличение локальной скорости в зазоре ведет к падению статического давления, что создает устойчивую область вакуума в центре, непосредственно перед соплом 3. В первой кольцевой зоне касания 16 струя прижимается к стенке корпуса 1 за счет сил инерции и градиента давления, формируя зону восстановления давления – первое кольцо касания 11 на стенке пластины 2. В этой области скорость потока вблизи корпуса падает, а статическое давление возрастает выше среднего уровня в зазоре. Далее, двигаясь в радиальном направлении, поток вновь отрывается от стенки корпуса 1 из-за радиального расширения потока в зазоре, образуя первую устойчивую тороидальную вихревую структуру и, как следствие, первое кольцо- зону разрежения 13. В зависимости от величины зазора и энергии потока могут образовываться вторая, третья и последующие кольцевые зоны давления и разрежения. В работе[10] отмечается, что именно такое чередование зон разрежения13, 14 и зоны давления 16, является движущей силой автоколебаний пластины 2.Образование этих зон подтверждено классическими исследованиями Г. Н. Абрамовича[2, 5] и других ученых в области дозвуковых и сверхзвуковых струй, взаимодействующих с преградами. Следовательно, исходная предпосылка о наличии в зазоре 9 статической картины чередующихся колец 11, 13, 14 с различным давлением физически обоснована.
Ключевым элементом, обеспечивающим работоспособность устройства, показанного на рисунке, является механизм положительной обратной связи и автогенерация колебаний, образующихся в резонаторной камере 4, соединенной с зазором 9 в двух строго определенных радиальных позициях:
- резонаторное отверстие 5 (шириной b ≤ b1) расположено коаксиально в пределах кольцевой зоны вакуума 13;
- группа отверстий 15 (суммарной площадью меньшей, чем площадь отверстия 5) расположена коаксиально в пределах кольцевой зоны давления 16 (вне зоны вакуума).
Такая топология создает пневмо- или гидродинамический усилитель с накоплением энергии и фазовым сдвигом.
Рассмотрим динамику процесса, образующего 4 фазы.
Фаза 1: Присасывание пластины 2 (уменьшение зазора). Первичный поток выходит из сопла 3, формирует описанные зоны. Разрежение в кольцевой зоне 13 через отверстие 5 передается в резонаторную камеру 4. Одновременно разрежение действует непосредственно на кольцевую область пластины 2, заставляя ее упруго деформироваться (прогибаться) в сторону кромки 4 сопла 3, уменьшая зазор h. Уменьшение зазора еще более интенсифицирует эффект Бернулли: скорости течения растут, разрежение углубляется – процесс развивается лавинообразно.
Фаза 2: Накачка резонаторной камеры 4 давлением. В кольцевой зоне давления 16 статическое давление выше среднего. Поскольку в камере 4 в фазе 1 создалось разрежение, возникает перепад давлений, и часть потока из зоны 16 через группу отверстий 15 начинает всасываться в резонаторную камеру 4. Объем камеры 4 наполняется, давление в ней растет.
Фаза 3: Отталкивание пластины 2 с увеличением зазора 9. Когда давление в камере 4 достигает порогового значения, оно превосходит разрежение в зоне 13. Поток устремляется из камеры 4 обратно в зазор 9 через резонаторное отверстие 5. Этот импульс давления воздействует на пластину 2 в зонеразрежения13, деформируя ее в обратном направлении и динамически увеличивая зазор 9. Кроме того, прорыв накопленной среды в зону разрежения 13 разрушает саму структуру отрывного течения: зазор увеличивается, присасывающая сила падает, и пластина 2 под действием сил упругости материала быстро возвращается в исходное положение.
Фаза 4: Восстановление структуры течения. С увеличением зазора истечение из камеры прекращается, исходная структура зон давления и разрежения восстанавливается, процесс вновь переходит в фазу 1. Энергия для поддержания цикла отбирается от основного потока (давления питания 10).
Таким образом, система работает как релаксационный автогенератор: резонансная камера 4 выполняет роль интегрирующей емкости, а неравенство площадей, когда входная группа отверстий 15 меньше резонаторного отверстия 5, обеспечивает различную скорость наполнения и опорожнения, гарантируя несимметричный цикл.
Рассмотрим усиление эффекта за счет акустического резонанса. Автоколебания переходят в интенсивный резонансный режим благодаря наличию резонаторной камеры 4, представляющей собой резонатор Гельмгольца [13]. Полость резонаторной камеры 4, соединенная с зазором через отверстие 5 и группу отверстий 15 обладает собственной частотой акустических колебаний, определяемой объемом камеры и геометрией отверстий:
где 
скорость звука в среде; 
площадь поперечного сечения горла (отверстия); 
объём резонаторной камеры; 
эффективная длина горла (геометрическая длина плюс концевые поправки на инерционную длину среды).
При совпадении или кратности собственной частоты механических колебаний пластины (определяемой ее геометрией, материалом и условиями защемления) с акустической частотой камеры и частотой срыва вихрей в зазоре, в системе возникает явление резонанса. В работе [10] указано, что «энергия волны давления объединяется со стоячей волной и через резонаторное отверстие “догоняет” пластину», что является прямым описанием синхронизации фаз в автоколебательной системе с резонансным усилением. Из теории гидродинамических излучателей известно, что именно совмещение геометрического отрывного течения с объемным резонансом дает генерацию мощных дискретных тонов (пульсаций), которые и обеспечивают интенсификацию, например, массообмена.
Масштабирование на несколько ступеней. В работе [10] предусмотрена возможность установки нескольких резонаторных камер 4. Теоретически это обосновано тем, что радиальная струя в зазоре теряет энергию не мгновенно, а последовательно формирует вторую, третью и т.д. системы отрыва-присоединения. Размещение дополнительных камер, привязанных к последующим зонам вакуума и давления, позволяет организовать каскадный отбор энергии потока. В этом случае расстояния между отверстиями заданы равными сумме ширины соответствующих зон, что обеспечивает точную топологическую синхронизацию фазы давления/разрежения с положением окон камер, позволяя сфазированно раскачивать пластину на нескольких гармониках или усиливать одну основную частоту.
Таким образом, работоспособность предложенного генератора вибрации и пульсации потока теоретически обоснована. В отличии от известных устройств в данном случае генерация вибрации и пульсаций достигается не принудительным механическим приводом, а преобразованием кинетической энергии основного потока в энергию упругих колебаний пластины через последовательную цепочку физических явлений: закон Бернулли (формирование зон); релаксационный автогенератор (накачка камеры через зоны давления и сброс в зоны разрежения); резонанс Гельмгольца и синхронизация мод.
Предложенные в работе [10] геометрические соотношения (зазор, ширина зон, соотношение площадей отверстий) являются результатом необходимых и достаточных условий для реализации устойчивого автоколебательного режима, что полностью подтверждает осуществимость предложенного устройства.
Результатом работы является подтверждение возможности интенсификации процессов вибрации и пульсации при смешивании компонентов и получении тонких эмульсий, суспензий, насыщенных растворов и гомогенных смесей, а также в энергетических установках тепло-массообмена между фазами за счет увеличения поверхности контакта фаз, и в других технологических процессах.
Разработанное устройство генерирования вибрациии пульсации потока [10] повышает интенсификацию генерирования вибраций пластины и пульсаций потока при смешивании компонентов, получении тонких эмульсий, суспензий, насыщенных растворов и гомогенных смесей, а также в энергетических установках тепло-массообмена между фазами за счет увеличения поверхности контакта фаз, и в других отраслях промышленности.
1. Piralishvili Sh.A. Vihrevoy effekt. Eksperiment, teoriya, tehnicheskie resheniya / Sh. A. Piralishvili, V. M. Polyaev, M. N. Sergeev; Federal'naya celevaya programma "Gos. podderzhka integracii vyssh. obrazovaniya i fund. nauk na 1997—2000 gody", pod red. akad. RAN A. I. Leont'eva.– Moskva : UNPC Energomash, 2000.– 414 s. il.; 21.– ISBN 5—8022—0006—5.– Tekst : neposr.
2. Abramovich G.N. Prikladnaya gazovaya dinamika. V 2 ch. Ch 1: Ucheb. Rukovodstvo dlya Vtuzov. – 5 izd., pererab. i dop. – M.: Nauka. Gl. red. Fiz–mat. Lit., – 1991. – 600 s. – Tekst : neposredstvennyy.
3. Sokolov E.Ya. Struynye apparaty. 3–e izd., pererab. / E.Ya. Sokolov, N.M. Zinger. M.: Energoatomizdat, 1989. 352 s.– Tekst : neposredstvennyy.
4. Volkov K.N., Emel'yanov V.N., Pustovalov A.V. Sverhzvukovye techeniya nevyazkogo szhimaemogo gaza v aerodinamicheskih oknah gazovyh lazerov // Vychislitel'nye metody i programmirovanie. 2014. T. 15. № 4. S. 712–725. [obnovleno 25.11.2025; procitirovano 20.01.2026]. Dostupno: https://num-meth.ru/index.php/journal/article/view/805/812?ysclid=mkt28chgf3519045187.
5. Abramovich G.N. Girshovich, T.A., Krashennikov S.Yu. i dr. Teoriya turbulentnyh struy. Izd. 2—e, pererab. I dop. / Pod red. G.N. Abramovicha. – M.: Nauka. Glavnaya redakciya fiziko—matematicheskoy literatury. 1984. 716 s.
6. Al'tshul' A.D. Kiselev P.G. Gidravlika i aerodinamika (Osnovy mehaniki zhidkosti): ucheb. posobie. Izd. 2–e, pererab. i dop. M.: Stroyizdat, 1975. 327 s.– Tekst : neposredstvennyy.
7. Patent № 2657301 Rossiyskaya Federaciya, G01P 3/20 (2006.01). Sposob obrazovaniya pul'saciy gazozhidkostnoy smesi i ustroystvo dlya ego osuschestvleniya : № 2017126342 : zayavl. 21.07.2017 : opubl. 19.06.2018 / Cherepanov A.P..: zayavitel' FGBOU VO AnGTU. – 6 s.: il. – Tekst : neposr.
8. Cherepanov A.P., Lyapustin P.K. V.V. Elshin. Issledovanie rashodyaschegosya potoka v zazore mezhdu stenkami s obrazovaniem kol'cevyh zon razrezheniya // Sovremennye tehnologii. Sistemnyy analiz. Modelirovanie. 2020. № 3(67). S. 22–31. DOIhttps://doi.org/10.26731/1813–9108.2020.3(67).22–31.
9. Cherepanov A.P., Lyapustin P.K. Silovye harakteristiki potoka pri podache ego v radial'no–schelevoy zazor v poperechnom napravlenii // Sovremennye tehnologii. Sistemnyy analiz. Modelirovanie. 2021. № 1 (69). S. 58–67. DOIhttps://doi.org/10.26731/1813–9108.2021.1(69).58–67.
10. Patent № 2835940 Rossiyskaya Federaciya, MPK B15 B 21/12. Sposob generirovaniya vibracii i pul'sacii potoka i ustroystvo dlya ego osuschestvleniya: № 2024108987, : zayavl. 03.04.2024 :opubl. 06.03.2025 / CherepanovA.P. ; zayavitel' AnGTU. – 7s. : il. – Tekst : neposredstvennyy.
11. Newman B.G. The deflection of jets by adjacent boundaries - Coanda ef-fect // Boundary Layer and FlowControl. Oxford. 1961. Vol. 1. Pp. 232–264. URL: Experimental investigation of a free-surface turbulent jet with Coanda effect | Exper-iments in Fluids | Springer Nature Link (Data obrascheniya 25.04.2026 g.).
12. Sokolova I.N. Ispol'zovanie effekta Koanda dlya umen'sheniya vozdeystviya strui na pregradu // Uchenye zapiski CAGI. 1985. T. 16. № 3. S. 118–121.
13. Konstantinov B.P. Gidrodinamicheskoe zvukoobrazovanie i rasprostranenie zvuka v ogranichennoy srede / AN SSSR. Akust. in-t. - Leningrad : Nauka. Leningr. otd-nie, 1974. - 144 s.– Tekst : neposredstvennyy.
