Физическая сущность действия закручивающего устройства заключается в передаче дополнительного импульса частицам среды в направлении, отличном от их первоначального движения. Это приводит к отклонению траектории потока от прямолинейной, а в дальнейшем – к двум или более степеням свободы в его движении (осевая + тангенциальная; тангенциальная + радиальная и т.д.).
1. Основные функции закручивающих устройств:
– Возбуждение вихря в потоке;
– Преобразование ламинарного или турбулентного потока в упорядоченное спиральное течение;
– Повышение интенсивности тепло- и массообмена;
– Создание условий для формирования тороидальных и многомерных вихрей;
– Структурирование потока (вихревые ячейки, многожильные вихри);
– Управление траекторией, направлением и срывом потока;
– Подготовка потока к фазовому превращению, разделению, смешиванию или химической реакции.
Конструктивные исполнения классических закручивающих устройств рассматривать здесь не будем. Они широко представлены в современной технической литературе.
Последующие разделы содержат примеры реализации новых типов закручивающих устройств, их сравнительный анализ и экспериментальные характеристики.
3.1. Статическая система ленточных бес корпусных завихрителей
Предлагается система генерации закрученного (вихревого) потока на основе применения множества размещённых в пространстве ленточных завихрителей без корпусного ограничения. В отличие от классических устройств, где вихрь образуется за счёт прохождения воздуха через один компактный закручиватель, в данном случае основным рабочим элементом выступает целая система ленточных завихрителей, размещённых в виде так называемой спиральной гребёнки.
Функциональная основа работы заключается в преобразовании прямолинейного (ламинарного) воздушного потока в многомерную вихревую структуру путём его прохождения через неподвижную систему закручивающих элементов, установленную согласно потоку строго по его оси.
Конструктивное исполнение
Система представляет собой статически размещённую спиральную гребёнку, состоящую из множества одинарных ленточных завихрителей, равномерно распределённых по сечению канала и направленных вдоль вектора движения потока. Все элементы конструкции ориентированы соосно движению среды, обеспечивая согласованную трансформацию вектора скорости при прохождении потока через зону завихрения.
Такое размещение способствует формированию устойчивого, интенсивного и на больших расстояниях сохраняющегося вихревого потока, обладающего следующими ключевыми характеристиками:
– Многомерная структура с наличием тангенциальной, аксиальной и радиальной составляющих вектора скорости;
– Пространственная спиральная форма движения потока;
– Высокая степень самостабилизации и направленности;
– Вихревая структура, схожая с природными вихрями (например, смерчем).
На рис. № 2 отображено конструктивное исполнение системы в виде гребенчатого размещения отдельных ленточных завихрителей с наружным диаметром 100 мм.
Рис. № 2. Система ленточных бес корпусных завихрителей
Механизм формирования потока
Прямолинейный (ламинарный) поток (жидкости или газа) при входе в систему проходит через спиральную гребёнку ленточных завихрителей. Геометрическая форма и ориентация завихрелепестков задают сильное винтовое и орбитальное вращение потоку. В результате на выходе из всей системы формируется устойчивый многовекторный вихревой поток, подобный текстильной или канатной сплетённой структуре: так называемая "канатная вихревая свивка", где каждая отдельная вихревая "нить" имеет собственный вектор закрутки и вращения.
