Введение к работе
Актуальность темы. Вихревые движения распространены в природе и паходят широкое применение в технике. Особенностью вихревых потоков является локализация завихренности с образованием протяженных вихрей в виде различных структур. Это вихревые кольца, вихри за дельтовидным крылом, продольные вихри в пограничном слое и др. [6]. В последнее время, многие исследователи связывают проблему турбулентности с понятием вихревых структур. Подход на основе взаимодействующих вихрей дал позитивные результаты при описании сверхтекучего гелия. Все это свидетельствует о необходимости исследования закономерностей образования вихревых структур и их поведения.
Важными аспектами поведения вихрей являются устойчивость, механизмы разрушения. В этой связи большой интерес в настоящее время проявляется к эффекту распада вихря. Это определяется значительной ролью, которую играет распад вихря на практике (в авиационной и космической технике, например). Характер разрушения в виде распада имеет такие черты как нелинейность и чувствительность к большому количеству условий. Отметим также разнообразие форм разрушения. Хотя сейчас имеется большое количество публикащш о распаде и они продолжают появляться, о полном и окончательном объяснении и понимании сущности распада вихря говорить не приходится.
Одним из факторов разрушения вихрей по мнению некоторых исследователей могут стать волновые возмущения, возникающие на вихревой нити. Интересным примером спиральных волн является уединенная спиральная волна - спиральный солитон. Возможность существования такого солитона теоретически показана Hasimoto (1972). К другим малоизученным явлениям относятся возмущения типа разрушения вихря (бегущего распада), образующиеся за счет собственной неустойчивости либо внешнего воздействия. Отметим, что на настоящее время имеются лишь единичные экспериментальные работы, посвященные волнам на вихрях. Уровень изученности волн на вихревой нити можно охарактеризовать этапом накопления фактического материала и поэтому так важны новые исследования.
Тангенциальная камера, в которой проводилось наблюдение вихревых структур, имеет геометрию, подобную, в частности, вихревым топкам, применяемым в тепловых станциях для сжигапия различных видов топлив. Исследование азродішамики топочной камеры, определяемой поведением вихревого потока, необходимо, т.к. она оказывает кардинальное влияние на топочный процесс.
Цель работы состоит в экспериментальном исследовании крупномасштабных вихревых структур и выявлении физических
закономерностей вихревых течений в каналах сложной геометрии, моделирующих, в частности, перспективные варианты вихревых топок.
Научная новизна и практическая ценность. Экспериментально исследовано вихревое течение в тангенциальной камере в зависимости от различных геометрических и режимных условий. Обнаружен и описан ряд новых физических эффектов, получены данные применительно к некоторым малоизученным явлениям. Так в зависимости от условий выхода и формы дна выявлены режимы течения с формированием вихревых нитей, имеющих вид неподвижной одинарной или двойной спирали. Стационарная двойная спираль обнаружена и исследована впервые, описания в литературе устойчивого вихря с неподвижной одинарной винтовой осью вращения неизвестны. Также изучены нестационарные режимы с прецессией вихревого ядра как в случае течения с приосевой возвратной зоной, так и концентрированной вихревой нити. Обнаружен эффект' независимости частоты прецессии от условий на выходе канала (диафрагмирования). Проведено визуальное исследование явления перехода от течения с локализацией завихренности к течению с приосевой возвратной зоной -распада вихря. Среди прочих форм приводится описание и выявлены условия существования малоизученной формы распада в виде прецессирующеи двойной спирали. Изучены различные виды практически неисследованных нестационарных возмущений на вихревой нити -уединенные спиральные волны, бегущий распад вихря, измерены скорости распространения последнего в зависимости от режимных условий течения. Получены результаты физического моделирования аэродинамики новых вариантов тангенциальных топок Е-500 ("перчаточная" схема включения горелок), П-67 ("третичное дутье"), топки Д-50 с двумя вихревыми горелками. Результаты данной рзбогы моїут использоваться для оптимизации топочных устройств, тестирования математических моделей работы топок. Кроме того эти данные важны для разработки методов управления аэродинамикой каналов сложной конфшурации.
Автор выносит на защиту:
1. Исследование крупномасштабных спиральных структур, в том
числе впервые обнаруженной двойной спирали. Экспериментальное
изучение невозмущенной прямолішеинои вихревой нити в тангенциальной
камере, выявление влияния па ее характеристики режимных и
геометрических условий.
2. Исследование прецессии вихревого ядра в тангенциальной камере
и прецессии вихревой нити в диафрагмированном канале, измерение
частоты прецессии для обоих случаев.
3. Результаты наблюдения различных форм распада вихря в
тангенциальной камере. Определение условий их формирования.
-
Изучение нестационарных возмущений на вихревой нити -спирального солитона и бегущего распада вихря.
-
Результаты экспериментального моделирования вихревых топок (вариантов реконструкции) Е-500, П-67, Д-50.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном семинаре по турбулентности и устойчивости (Новосибирск - 1989), на Всесоюзных конференциях 'Теплообмен в парогенераторах" (Новосибирск, 1988, 1990), на Всесоюзной конференции "Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск, 1991), на Всесоюзных конференциях молодых исследователей (Новосибирск - 1988, 1989; Минск - 1988; Москва - 1990, 1991; Алушта - 1991), опубликованы в 15 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Содержание диссертации изложено на 156 страницах, включая 84 рисунка и список литературы из 130 наименовании.