Аэрогидродинамика. Вибрация

Явление вторичного вихреобразования

Кандидат технических наук А. В. Ларин и старший инженер В. И. Маврицкий (Центральный аэрогидродинамический институт имени Н. Е. Жуковского) открыли ранее неизвестное явление в области аэрогидродинамики вторичного вихреобразования при косом обтекании несущего винта. Сущность явления вторичного, вихреобразования состоит в неизвестной ранее форме сворачивания систем дискретных, циклоидальной формы в плане, вихревых шнуров, покрывающих поверхность вихревой колонны за винтом, в два результирующих жгута с обратной и разной суммарной циркуляцией. Последняя соответствует числу объединенных в ядре первичных шнуров, сошедших с концов лопастей винта.

В аэрогидродинамике определение подъемной и других сил, действующих на несущую систему летательного аппарата, невозможно без знания геометрии структуры его вихревого следа. Традиционно считалось, что вихревой след - поток отбрасываемого винтом вертолета воздуха - представляет собой как бы скошенную колонну, покрытую спиральными вихрями. Исходя из этого строились теории и методы расчета несущих винтов и конструировались летательные аппараты.

Авторы открытия изучали вихревой след несущего винта, моделируя горизонтальный полет вертолета в воде в гидробассейне ЦАГИ. Была создана специальная установка с моделями шарнирных винтов и стереофото-кинооборудованием для съемок структуры вихревого следа. Исследования показали, что вихревой след совсем не похож на скошенную колонну, а представляет собой два мощных вихревых жгута ранее неизвестной структуры, связанных сравнительно слабыми вихревыми перемычками. Открытие закладывает основу нового, самостоятельного направления в развитии аэрогидродинамики несущих систем. Оно позволит создавать более совершенные винтокрылые летательные аппараты.

"Впервые мысль о возможности существования мощных продольных вихрей в следе за несущим винтом, - рассказывает один из авторов открытия А. В. Ларин, - была высказана генеральным конструктором вертолетов М. Л. Милем еще в 1947 г. Его поддержка и советы очень помогли нам в работе. Сейчас, когда она закончена, можно говорить о научном и практическом значении открытия. Это прежде всего основа нового, самостоятельного направления в развитии аэродинамики несущих систем и создания более совершенных схем винтокрылых аппаратов. Надо отметить, что скорости на поверхности продольных вихрей за вертолетом в 2-3 раза превышают скорости на поверхности смерчей. Зная силу этих вихрей, диспетчерские службы аэродромов смогут точнее рассчитывать зоны безопасности полетов".

Надо полагать, что открытие А. В. Ларина и В. И. Маврицкого поможет объяснить и некоторые загадочные явления природы, например образование на море из одного смерча двух рядом расположенных вихревых смерчей.

На основании открытия его авторами сделан ряд важных изобретений. В их числе винт с автоматической системой, использующей энергию вихрей, которая значительно повышает его КПД, вертолет для авиахимических работ, позволяющий увеличить производительность труда на них в 2-3 раза и снизить стоимость затрат в 3 раза, и др..

Описанное открытие зарегистрировано под № 99 с приоритетом от 21 декабря 1964 г. Формула открытия такова:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление вторичного вихреобразования - свертывание пространственных свободных вихревых шнуров, обусловленное их взаимодействием в зонах максимального сближения и заключающееся в том, что участки полупетель вихревых шнуров, деформируясь, свертываются в совокупность коаксиальных совмещенных спиралевидных витков, образуя два результирующих продольных жгута противоположной циркуляции, ядра которых связаны по всей длине семействами вихревых перемычек".

Явление возникновения статического перепада давления газа в виброкипящем слое

Более 400 лет служит человеку техника так называемого "кипящего слоя", благодаря которому перемешивание сыпучих материалов производится с помощью проходящего сквозь него воздуха. Процесс перемешивания в таком случае напоминает кипение жидкости. Так сушат зерно, сахар, кварцевый песок, уголь. С помощью кипящего слоя осуществляют обжиг руд, проводят различные химические реакции.

Еще эффективнее процесс перемешивания протекает в виброкипящем слое. Здесь интенсивное перемешивание сыпучего материала создается не путем фильтрации газа или жидкости, а благодаря низкочастотным механическим вибрационным воздействиям на материал. В таком случае перемешивание возможно при любых скоростях газа или жидкости, без подачи газа под слой, а также в вакууме.

Раньше считалось, что под слоем дисперсного материала, находящегося на площадке, вертикально вибрирующей с ускорением, превышающим ускорение свободного падения частиц, возникают динамические, постоянно меняющиеся по закону, близкому к синусоидальному, импульсы давления и разрежения газа, которые за один цикл колебания площадки взаимно компенсируются.

В 1963 г. московские ученые кандидат технических наук В. А. Членов и доктор технических наук, профессор Н. В. Михайлов (Институт физической химии АН СССР), исследуя аэродинамические свойства порошков, обнаружили, что сыпучие материалы в виброкипящем слое, вместо того чтобы оказывать сопротивление фильтруемому газу, сами засасывают из-под себя газ и, подобно насосу, транспортируют его к поверхности слоя.

"На вертикально вибрирующую площадку, - рассказывает В. А. Членов, - мы поставили герметичный аппарат, разделенный внутри горизонтальной сеткой. На нее насыпали слой сыпучего материала. Давление газа в аппарате под сеткой и над слоем материала измерялось чашечными дифференциальными микроманометрами. Аналогичные измерения проводили в аппарате с плоским металлическим дном, на котором тоже лежал сыпучий материал. Давление под слоем измеряли с помощью тонких иголок-трубок, соединенных с микроманометрами.

Измерения показали, что виброкипящий слой создает устойчивый статический перепад давления газа в аппарате. При этом под слоем сыпучего материала происходит разрежение газа, а над ним возникает избыточное давление. Специальные исследования помогли выявить влияние различных факторов на величину статического перепада давления газа и выяснить механизм процесса его возникновения в виброкипящем слое".

Доказано, что статический перепад давления возникает в момент перехода слоя из состояния виброожижения в состояние виброкипения. Такой переход осуществляется благодаря ускорению вибрации площадки, где находится слой сыпучего материала, которое становится равно ускорению свободного падения частиц в среде слоя. Когда параметры вибрации (амплитуда, частота, ускорение) выше критических, увеличивается статический перепад давления газа. Снижение газопроницаемости слоя за счет увеличения его высоты или уменьшения размеров частиц приводит к увеличению статического перепада давления. Повышение эффективной вязкости слоя благодаря большей шероховатости поверхности частиц или большей влажности материала вызывает снижение статического перепада давления газа. В виброкипящем слое сухого полидисперсного кварцевого песка высотой 50-70 мм при частотах вибрации 40-50 Гц и амплитудах колебания 2-2,5 мм статический перепад давления воздуха достигает 200 мм вод. ст.

Природа описанного явления объясняется тем, что в горизонтальной плоскости виброкипящего слоя возникают периодические изменения плотности слоя сыпучего материала. Перемещаясь снизу вверх, слои с повышенной плотностью транспортируют впереди себя газ, создавая под собой статическое разрежение, а над собой - статическое давление газа.

Возникновение статического перепада давления газа в виброкипящем слое присуще тонкодисперсным материалам и проявляется в широком диапазоне параметров.

Благодаря работам советских ученых установлены связи возникающего в виброкипящем слое статического перепада давления саза со скоростью процессов тепло- и массообмена и реакций на границах раздела фаз. Это позволяет управлять протекающими в виброкипящем слое процессами и реакциями и интенсифицировать их.

Авторами открытия в содружестве с другими учеными и специалистами сделаны десятки изобретений, в том числе разработаны новые способы опреснения соленых вод с разделением на пресную воду и сухую соль, прямого восстановления металлов из руд, термического синтеза люминофоров для экранов телевизоров, получения минеральных порошков (витаминов и других лекарственных препаратов) с полимерным покрытием, сушки сыпучих материалов (кварцевого песка, сахара, порошков ферритов, угля, соли и др.). Выявленные в результате открытия особенности механизма перемешивания частиц в виброкипящем слое используются ныне при создании экспериментальных химических реакторов, а также для разработки аппаратов для нагрева, сушки и охлаждения сыпучих материалов.

Описанное открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 138 с приоритетом от 4 июня 1963 г. в следующей формулировке:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление возникновения статического перепада давления газа в виброкипящем слое, т. е. в слое, образованном в результате циклического изменения пористости дисперсного материала, подвергаемого вертикальному вибрационному воздействию с ускорением, превышающим ускорение свободного падения материала в данной среде".