Пассивные методы управления когерентными вихревыми структурами в вихревых камерах. Часть 1. Спектральные оценки эффективности

Přispěvatelé: Національна академія наук України, Academy of Sciences of Ukraine, НАН Украины
Jazyk: ukrajinština
Rok vydání: 2016
Předmět:
Энергетика и энергогенерующие технологии
Power engineering
Когерентные вихревые структуры
Управление
Вихревая камера
Термоанемометрические измерения
Плотность распределения вероятности
Взаимное восприятие вихрей
Спектральная плотность мощности пульсаций скорости
Когерентні вихрові структури
Керування
Вихрова камера
Термоанемометричні вимірювання
Щільність розподілу ймовірності
Взаємна сприйнятливість вихорів
Спектральна щільність потужності пульсацій швидкості
Енергетика та енергогенеруючі технології
Coherent vortical structures
Control
Vortex chamber
Hot-wire measurements
Probability density distribution
Vortices mutual susceptibility
Power spectral density of velocity fluctuations
Zdroj: Наукові вісті КПІ; № 6 (2015): ; 54-65
Научные вести КПИ; № 6 (2015): ; 54-65
Research Bulletin of the National Technical University of Ukraine "Kyiv Politechnic Institute"; № 6 (2015): Engineering; 54-65
ISSN: 1810-0546
2519-8890
Popis: Проблематика. Дослідження тонкої структури обмеженої течії та можливостей керування нею у вихрових камерах як елементах енергетичних та технологічних машин і апаратів для оптимальної організації їх робочих процесів.Мета дослідження. Пошук більш досконалих методів керування енергоємними когерентними вихровими структурами (ЕКВС), які значною мірою впливають на процеси переносу маси, імпульсу та енергії в закручених потоках і, таким чином, визначають ефективність роботи устаткування.Методика реалізації. З використанням візуалізації та термоанемометричних вимірювань кінематичних характеристик пристінної течії у дослідній вихровій камері визначено просторово-частотні області ЕКВС, придатні для коректного статистичного аналізу ефекту спрямованій дії на неї штучними збурювальними вихровими утвореннями. Вони генеруються прямокутною канавкою або трьома напівсферичними лунками певних розмірів, що вмонтовані безпосередньо у впускне сопло камери при витримуванні необхідних умов концепції взаємної сприйнятливості вихрових структур. Числова обробка виміряних сигналів здійснена на основі алгоритму швидкого перетворення Фур’є.Результати дослідження. Енергетично незначні керувальні дії на вхідний потік викликають істотне збільшення спектраль­-ної щільності потужності пульсацій швидкості на найбільш енергоємних частотах — приблизно у 2–11,5 разу залежно від виду вихорогенератора та частотного діапазону, включаючи “перекачування” енергетичної щільності до найбільш великомасштабних вихрових складових ЕКВС. Це виявляє в ній всі ознаки типової відкритої нелінійної динамічної системи: наявність режимів із загостренням, у яких підживлення енергією від керувальних вихорів та її синфазне сприйняття вихровими утвореннями гьортлер-людвігівської природи відбуваються не по всьому спектру мод, а селективно, лише для певних гармонік.Висновки. Експериментально доведено можливість ефективного і малозатратного керування структурою закручених течій на макро- та мікрорівнях, що відкриває перспективу розробки новітніх засобів інтенсифікації процесів переносу транспортабельних субстанцій у циліндрах двигунів внутрішнього згоряння, у вихрових пальниках, камерах згоряння, камерах ракетних двигунів, топкових пристроїв, плазмотронів, змішувачів, хімічних реакторів, ядерних енергоустановок тощо.
Background. Investigation of the limited flow structure and possibilities of its control in vortex chambers as elements of power units and manufacturing machinery for its working processes optimal setting.Objective. The quest of more perfect methods of control by energy carrying coherent vortical structures (ECVS) that have essential influence on processes of mass, momentum and energy transfer in swirling flows and therefore determine the efficiency of installation work.Methods. The frequency-spatial regions of ECVS, in which the correct statistical analysis of directed actions on its by artificial disturbing eddy formations is possible, are determined by means of visualization and hot-wire measuring of kinematic characteristics of wall current in the test vortex chamber. The disturbing eddy formations are generated in rectangular groove or in three hemispherical dimples of defined dimensions which are built directly in intake nozzle of chamber with adherence to necessary conditions of mutual susceptibility of vortical structures. Numerical processing of measured signals was carried out by fast Fourier transform algorithm.Results. Small by energy controlling actions to input flow cause substantial rise of power spectral density of velocity fluctuations on the most energy carrying frequencies – approximately in 2–11.5 times depending on eddy-generator type and frequency band, including the “transfer” of energy density to the most large-scale eddy components of ECVS. This fact detects in ECVS all signs of typical open nonlinear dynamical system: existence of resonant modes with sharpening, when the energy feed from controlling vortices and its equiphase perception by Görtler-Ludwieg vortices take place not on full mode spectrum, but selectivity, only for certain harmonic components.Conclusions. It has been proved experimentally the possibility of effective and low-powered control by macro- and microstructure of swirling flows. It opens the perspective of elaboration of new in principle methods for intensification of the transportable substances transfer in cylinders of internal-combustion engines, in vortex burners, combustors, chambers of rocket engines, furnaces, plasmatrons, mixers, chemical reactors, nuclear power plants etc.
Проблематика. Исследование тонкой структуры ограниченного течения и возможностей управлять ею в вихревых камерах как элементах энергетических и технологических машин и аппаратов для оптимальной организации их рабочих процессов.Цель исследования. Поиск более совершенных методов управления энергонесущими когерентными вихревыми структурами (ЭКВС), которые в большой степени влияют на процессы переноса массы, импульса и энергии в закрученных потоках и, таким образом, определяют эффективность работы установок.Методика реализации. Путём визуализации и термоанемометрических измерений кинематических характеристик пристеночного течения в опытной вихревой камере определены пространственно-частотные области ЭКВС, в которых возможен корректный статистический анализ эффекта направленных воздействий на неё искусственными возмущающими вихревыми образованиями. Они генерируются прямоугольной канавкой или тремя полусферическими лунками определённых размеров, которые вмонтированы непосредственно во впускном сопле камеры при соблюдении необходимых условий концепции взаимной восприимчивости вихревых структур. Численная обработка измеренных сигналов осуществлена на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье.Результаты исследования. Энергетически незначительные управляющие воздействия на входной поток вызывают существенное увеличение спектральной плотности мощности пульсаций скорости на наиболее энергонесущих частотах — примерно в 2÷11,5 раз в зависимости от вида вихрегенератора и частотного диапазона, включая «перекачку» энергетической плотности к наиболее крупномасштабным вихревым составляющим ЭКВС. Это обнаруживает в ней все признаки типичной открытой нелинейной динамической системы: наличие режимов с обострением, в которых подпитка энергией от управляющих вихрей и её синфазное восприятие вихревыми образованиями гёртлер-людвиговской природы происходят не по всему спектру мод, а выборочно, только для определённых гармоник.Выводы. Экспериментально доказана возможность эффективного и малозатратного управления структурой закрученных потоков на макро- и микроуровнях, что открывает перспективу разработки принципиально новых способов интенсификации процессов переноса транспортабельных субстанций в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, в вихревых горелках, камерах сгорания, камерах ракетных двигателей, топочных устройств, плазмотронов, смесителей, химических реакторов, ядерных энергоустановок и т.п.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: