Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время одним из методов интенсификации процессов тепло- и массообмена является воздействие акустическим полем. Процессы горения, экстракции, сушки, кристаллизации, теплообмена и т.д. в акустическом поле проходят более интенсивно, чем при использовании традиционных средств технологии. Так, например, в устройствах, работающих в вибрационном режиме горения, увеличивается теплонапряженность топочного пространства, улучшается теплоотдача к стенкам камеры и, как следствие, повышается коэффициент полезного действия и удельная мощность всей установки.
Использование такого перспективного метода воздействия сдерживается отсутствием генераторов, позволяющих генерировать мощные звуковые поля. Одним из таких методов является резонансный принцип, заключающийся в том, что при колебаниях поршня в трубе при совпадении колебаний поршня с собственной частотой газового столба, заключенного в трубу, в последней возникают колебания газа с амплитудой скорости достигающей 150 м/с и более. При определенных условиях такая система генерирует периодические ударные волны. При генерации таких мощных колебаний проявляются различные нелинейные волновые явления внутри трубы и вблизи ее открытого торца, что позволяет использовать генераторы подобного вида в промышленных установках современных химических
производств.
Развитие теории нелинейных колебаний, возникающих в таких сложных системах как трубопроводы или камеры сгорания, где колебания генерируются сочетанием различных источников возбуждения, представляет значительные трудности. Поэтому исследование основных нелинейных эффектов при резонансных колебаниях газа на простых моделях, в частности, в трубе с периодическим возбуждением среды колеблющимся поршнем является актуальным, что позволит в дальнейшем разработать методику инженерного расчета основных параметров таких систем.
Цель работы. Изучение возникновения нелинейных колебаний газа в плоском канале и круглой трубе, открытых с одного торца.
Поставленная цель достигалась решением следующих задач:
исследование вынужденных нелинейных резонансных колебаний газа в плоском канале;
исследование субгармонических колебаний газа в круглой трубе;
расчет условия формирования периодических ударных волн внутри круглой трубы;
- расчет величины динамического напора пульсирующей струи.
Научная новизна. Получено аналитическое решение для резонансных
колебаний газа в плоском канале.
Получено нелинейное граничное условие на открытом торце с учетом полигармоничности колебаний скорости газа у выходного сечения трубы.
Разработана методика расчета амплитуды колебаний скорости и давления газа в открытой трубе с учетом реального закона движения поршня.
Получено условие формирования периодических ударных волн, образующихся при резонансных колебаниях газа в круглой трубе.
Разработан алгоритм расчета величины динамического напора, создаваемого пульсирующей струей, возникающей в области открытого торца трубы.
Обоснованность и достоверность результатов. Предложенные в диссертационной работе методики расчета и вытекающие из них выводы основаны на фундаментальных законах и уравнениях механики жидкости и газа, а также физически естественных допущениях. Полученные результаты удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными других авторов.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты дают более полное представление о сложных газодинамических процессах, происходящих при возбуждении продольных нелинейных колебаний газа в открытых каналах и трубах вблизи резонансных частот. Теоретические результаты использованы при разработке технологии очистки отходящих газов в производстве искусственной кожи.
Положения, выносимые на защиту:
методика расчета резонансных колебаний газа в плоском канале открытом с одного торца;
методика расчета нелинейных колебаний газа в открытой трубе вблизи субгармонических резонансов;
формулировка нелинейных граничных условий на открытом торце с
учетом полигармоничности колебаний скорости газа у выходного сечения
трубы;
условия образования периодических ударных волн внутри круглой трубы при возбуждении колебаний газа большой амплитуды;
алгоритм расчета динамического напора пульсирующей струи, истекающей из открытого торца трубы.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на II Всероссийской научной конференции «Волновая динамика машин и конструкций» (Нижний Новгород, 2007), VIII Всероссийской научной конференции «Нелинейные колебания механических систем» (Нижний Новгород, 2008), XIV, XV, XVI, XVII Международном симпозиуме «Динамические и технологаческие проблемы механики конструкций и сплошных сред» имени А.Г. Горшкова (Ярополец, Москва, 2008-2011), VI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2008), V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» (Казань, 2009), на итоговых научных конференциях Учреждения Российской академии наук ИММ КазНЦ РАН (2009, 2011), на расширенном заседании кафедры физики ФГБОУ ВПО «КНИТУ» и лаборатории механики сплошной среды Учреждения Российской академии наук Института механики и машиностроения КазНЦ РАН (2011).
Публикации. Основные результаты исследований изложены в 5 статьях и 8 тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 124 страницах и состоит из введения, 3 глав, выводов, списка цитируемой литературы из 198 наименований и приложения. Работа содержит 13 рисунков и I таблицу.
