Рассмотрено распределение потока в зазоре при подаче сжатого воздуха под давлением в зазор между близко расположенными пластинами с образованием кольцевых следов давления и зон разрежения в этом зазоре. Цель работы – определение практической применимости и полезности систем сопло–зазор–пластина в энергетике, химической технологии и других отраслях промышленности
безотрывное течение, зоны разрежения, зоны давления, волновой коэффициент, зазор, разме-ры кольцевых зон, сопло, скачок уплотнения, стоячие волны
Распределение потока при подаче сжатого воздуха под давлением P через сопло 3 в зазор между пластиной 1 и основанием 2 изобразим на рисунке. Кольцевые следы давления и кольцевые зоны разрежения в зазоре между пластиной 1 и основанием 2 образуются сверхзвуковой струей, вытекающей из сопла 3 [1, 2]. Взвешенные в сжатом воздухе микрочастицы, движущиеся в ядре струи, обладая высокой кинетической энергией, стремятся продолжить движение прямо и сохранить свою форму, но ударяясь о пластину 1, поворачиваются вместе с потоком на 90°. Напротив сопла 3 при взаимодействии струи с пластиной образуется конус разрежения z1. За конусом разрежения создается скачок уплотнения, который прижимает поток к пластине 1 и резко тормозится, образуя на пластине 1 кольцевой след с1. Срыв с кромки 4 и разворот к основанию 2 вызывает сжатие струи в поперечном сечении и увеличение ее скорости, которое согласно закону Бернулли вызывает разрежение в кольцевой зоне u1 и дополнительно снижает давление в центральном конусе z1. Разрежение кольцевой зоны u1, преодолевая давление кольцевого следа с1, вызывает отрыв струи от пластины 1, образуя со стороны пластины кольцевую зону разрежения z2, поворачивает поток к основанию 2 и создает кольцевой след е1, за которым образуется кольцевая зона разрежения u2 с одновременным прижатием потока к пластине 1 в зоне кольцевого следа с2. Далее траектория волнового движения в зазоре создает зону разрежения z3, след с3, зону разрежения u3, след е3 и т.д., до выхода потока за пределы зазора. Таким образом вершины кольцевых следов с1, с2, с3 прижаты к пластине 1, вершины кольцевых следов е1, е2, е3 прижаты к основанию 2. Микрочастицы, следуя вдоль линий тока, подобно абразиву оставляют выработки в местах кольцевых следов с1, с2, с3 на пластине 1 и кольцевых следов е1, е2, е3 на основании 2. Растекание потока вдоль пластины 1 основания 2 приводит к ускорению в кольцевых зонах и торможению в скачках уплотнений и образуют веер волн разрежения с центром на оси сопла 3, формируя кольцевые зоны разрежения z2, z2, z3 со стороны пластины 1 и кольцевые зоны разрежения u1, u2, u3 со стороны основания 2. Результаты замеров кольцевых следов и з кольцевых он разрежения со стороны пластины 1 и со стороны основания 2, приведены в табл.
Табл. 1. Результаты замеров кольцевых следов и зон разрежения
|
Положение зоны |
Со стороны пластины |
Со стороны основания |
|||||||||||
|
Параметр |
z1 |
с1 |
z2 |
с2 |
z3 |
с3 |
|
е1 |
|
е2 |
|
е3 |
|
|
Средний радиус |
0.0 |
3.5 |
7.0 |
10.5 |
14.5 |
17.0 |
4.0 |
7.0 |
10.5 |
14.5 |
17.0 |
20.0 |
|
|
Ширина зоны b, мм |
2.5 |
1.7 |
5.2 |
2.0 |
6.2 |
2.5 |
4.0 |
2.0 |
5.0 |
3.0 |
6.0 |
3.5 |
|
Таким образом, инерция сверхзвукового потока, не успевающего адаптироваться к изменению геометрии, создает скачки уплотнения с локальным повышением давления, а расширяющиеся веера – локальные разрежения. Чередование фаз торможения (сжатия) образует кольцевые следы давления, а чередование ускорения (разрежения) – кольцевые зоны разрежения (каверны) в местах касания, что приводит к формированию системы стоячих волн в зазоре между пластиной 1 и основанием 2. Несмотря на то, что давление в каждой точке потока колеблется, среднее значение давления остается постоянным, поэтому границы кольцевых зон и следов соответствуют пучностям стоячей волны. Вследствие потери энергии за счет сопротивления и трения четкость кольцевых следов снижается, их шаг и ширина увеличиваются по мере удаления от сопла 3, а далее они становятся практически незаметными [1].
1. Черепанов А.П., Ляпустин П.К. Силовые характеристики потока при подаче его в радиально–щелевой зазор в поперечном направлении // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2021. № 1 (69). С. 58–67.
2. Патент № 2657301 Российская Федерация, G01P 3/20 (2006.01). Способ образования пульсаций газожидкостной смеси и устройство для его осуществления : № 2017126342: заявл. 21.07.2017 : опубл. 19.06.2018 / Черепанов А.П.: заявитель ФГБОУ ВО АнГТУ. – 6 с.: ил. – Текст : непосредственный.
