Синтез и управление струйным истечением

Николай Яковлевич Кириленко – советский и российский учёный в области механики, экологии, педагогики, психологии, академик Российской академии естественных наук, профессор, заслуженный изобретатель Российской Федерации, заслуженный деятель науки Московской области, лауреат Национальной экологической премии «Экомир», лауреат Международной экологической премии «EcoWorld», Международной премии им. М. Нострадамуса, специальный диплом им. Н.И. Вавилова Международной экологической премии «EcoWorld», почётный учёный Европы, почётный изобретатель Европы, выдающийся натуропат Европы.



СИНТЕЗ И УПРАВЛЕНИЕ СТРУЙНЫМ ИСТЕЧЕНИЕМ В ОБЪЕКТАХ ТЕХНИКИ



Введение.

Струйное истечение – форма течения среды (жидкости, газа, плазмы), при которой истекающая среда течёт в окружающей среде (газе, жидкости, плазме) с отличающимися параметрами (скоростью, температурой, плотностью и т.п.).

Синтез – создание нового путём объединения существовавших ранее компонентов.

Управление– целенаправленное воздействие на процессы с целью достижения соответствующего результата.

Цель синтеза и управления струйным истечением в объектах техники заключается в формировании таких струйных течений, которые обеспечивали бы необходимые оптимальные характеристики соответствующих технологических процессов. При этом средства управления должны быть достаточно простыми и малоэнергоёмкими.

Синтез и управление струйным истечением возможно за счёт дискретного или непрерывного геометрического, расходного, акустического, теплового воздействий или их комбинаций. При этом можно изменять режим течения, структуру и газодинамические параметры в струях.


СИНТЕЗ И УПРАВЛЕНИЕ СТРУЙНЫМ ИСТЕЧЕНИЕМ.

Ниже представлен разработанный профессором Кириленко Н.Я. http://proza.ru/2021/05/03/1005 и систематизированный по физическим признакам комплекс новых методов и средств синтеза и управления струйными течениями в объектах вентиляционной, текстильной, распылительной, дождевальной, летательной техники, струйной пневмоавтоматики и средств гидромеханизации, обеспечивающий оптимальное решение вопросов экологии, энергосбережения и экономии материальных средств.


ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ.

Обеспечение нормируемых параметров окружающей среды в рабочей (обслуживаемой) зоне производственных помещений, повышение требований к санитарно-гигиеническим условиям труда связано с необходимостью совершенствования систем воздухораспределения.

Разработанный комплекс методов и средств синтеза и управления истечением из воздухораспределительных устройств основан на использовании ряда газодинамических явлений:

- замыкания струи под действием эффекта Коанда на близлежащую ограничивающую поверхность (авт. св. №№ 1134850, 1513334, 1596188, 1675627, 1735675, патенты №№ 2001358, 2002170, 2162195, 2203455, 2231000, 2243453);

- эжекционного взаимодействия истекающих струй (авт. св. №№ 1312338, 1525416, патент № 2003929, 2005279);

- эжекционного и принудительного вдува окружающего воздуха внутрь струи и к её границам (авт. св. №№ 1280279, 1432316, 1536175, 1643885, 1656296, 1721400, 1774136, патент № 28949);

- поперечного вдува управляющей среды (патенты № 2247903, 2272223, 2314461, 2340838, 109276), с одновременным отсосом пограничного слоя (авт. св. № 1413376);

- гашения струи в циркуляционных зонах (авт.св. № 1322030, 1464013, 1714302, 1793164);

- соударения встречных струй (авт. св. №№ 1499074, 1596189, 1651046, 1732124, 1733864, 1737232, 1753208, 1791680, патенты №№ 2166152, 2188360, 28949);

- изменения эжекции струйного потока до истечения (авт. св. №№ 1446427, 1672147, патент № 2200910);

- создания пульсационного течения (авт. св. №№ 1596179, 1707457, 1742591, 1753209, 1774135, патенты №№ 2001357, 2011124, 2011128, 2016357);

- образование импульсного течения (патенты 2299379, 70967);

- образования закрученного потока (авт. св. № 1737231);

- струйной неустойчивости (авт. св. №№ 1783252, 1837139);

- преобразования одного типа течения в другой (патент № 2005283, 2229220, 2248122, 43733).


ЛОКАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ.

На предприятиях текстильной промышленности предъявляются высокие требования к температуре и относительной влажности воздуха. Это обусловлено необходимостью поддержания требуемого по технологии влажностного состояния перерабатываемых волокон и обеспечения высокого качества протекания технологических процессов.

Для этих целей предлагается применять принципиально новые локальные системы технологического кондиционирования воздуха с раздачей приточного воздуха, предварительно обработанного в кондиционерах, а затем в доводчиках влажности воздуха, непосредственно в зону технологического оборудования (авт. св. №№ 1657553, 1664901, 1768684, 1719484, 1772252, патенты №№ 2078159, 2096540).

В прядильном отделении подача приточного воздуха с параметрами, отвечающими требованиям технологии, предусматривается через воздухораспределитель, установленный на рамке прядильной машины (авт. св. № 1664901). В результате соударения встречных потоков в воздухораспределителе прядильной машины образуется быстрозатухающий поток кондиционированного воздуха с заполнением технологической зоны.

Для повышения качества удаления волокнистой пыли со шпулярников текстильных машин разработаны конструкции пневматических устройств (авт. св. №№ 1719484, 1768684, 1772252, 1657553, 2096540), с помощью которых удаление вредностей достигается путем обеспечения равномерной локальной подачи воздуха по высоте шпулярников, последующего транспортирования этих вредностей по вытяжным системам в утилизационные бункеры и очистки удаляемого воздуха.

Средства выравнивания потока выполняются различными способами: за счёт турбулизации истекающего потока при соударении струй, разбивания потока на ряд отдельных струй как при подаче воздуха фронтально, так и под шпулярники текстильных машин. Предложенные пневматические устройства эффективны при применении в составе обеспыливающей вентиляции.

Для сбора и удаления угаров на чесальной машине предложено пневматическое устройство (патент № 2078159). Применение устройства позволяет повысить диапазон обдува и качество удаления угаров за счёт обеспечения направленной подачи воздуха.


СТРУЙНАЯ ПНЕВМОАВТОМАТИКА.

Разработка средств струйной пневмоавтоматики, находящих применение для автоматизации процессов, протекающих при неблагоприятных условиях, представляет актуальную задачу современного машиностроения.

Анализ предложенных к настоящему времени конструкций струйных диодов показывает, что их можно классифицировать следующим образом:

- диоды без сброса обратного потока: диод Тесла, диафрагменный диод Ридера, аэродинамический клапан, выпрямитель потока, спиральный выпрямитель потока, диод регулируемого сопротивления, диод с подачей пульсирующего потока, вихревой диод (Хейма), вихревой диод (Бертон), составной вихревой диод;

- диоды со сбросом обратного потока: турбулентный диод, диод с взаимодействием струй, диод с притяжением струй, диод с ориентировкой сопел, вихревой со сбросом.

Диоды со сбросом обратного потока по своим показателям практически не отличаются от электрических диодов, что обуславливает пристальное внимание к ним.

Предлагаются пути повышения эффективности работы струйных диодов со сбросом обратного потока, исходя из рассмотрения газодинамических явлений, которые возникают при истечении струй, а именно:

- в турбулентных диодах – усиление сброса обратного потока в раструбе, в трубке перед раструбом, выполнение элементов отклонения потока, связывающих раструб с трубкой турбулентного диода (авт. св. №№ 1647162, 1754919, 1798552, 1833793, патенты №№ 2000491, 2000492, 2005925, 2006687, 2057971, 2062372, 2060405, 2057972);

- в диодах с притяжением струй – создание условий для усиления притяжения в струйном диоде (авт. св. № 1833793);

- в диодах с ориентировкой сопел – создание соответствующих условий для улавливания потока в прямом направлении (патенты №№ 2006685, 2006686, 2010109);

- в вихревых диодах со сбросом – создание условий для сброса обратного потока через боковую поверхность вихревого диода (авт. св. № 1647163).


РАСПЫЛИТЕЛЬНЫЕ, ДОЖДЕВАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА.

Устройства, предназначенные для распыления жидкостей находят применение для работы в топливосжигающих агрегатах, краскопультах, дождевальных и других установках. Основное требование к подобным установкам заключается в необходимости обеспечения повышенной степени распыления. В частности, качество технологического процесса полива дождеванием полностью определяется характеристиками дождя, создаваемого дождевальной машиной, их соответствием агротехническим требованиям.

Несмотря на имеющиеся исследования и устройства, изучение вопросов, связанных с распылением жидкостей, остается актуальной задачей.

Распыление струи жидкости зависит от многих внешних и внутренних причин. Основной внешней причиной является воздействие на поверхность струи аэродинамических сил, величины которых зависят от относительной скорости и плотности окружающей среды.

Внешние причины в большинстве случаев являются определяющими для процесса распыления. Поэтому при разработке распылительных устройств целесообразно исходить из способа создания перемещения струи относительно среды: а) жидкость вытекает в неподвижную среду; б) жидкость вытекает в движущийся поток; в) комбинация обоих способов распыления.

Внутренними причинами распада струи являются различного рода начальные возмущения.

Предлагаются пути повышения эффективности работы распылительных устройств, исходя из рассмотрения газодинамических явлений, возникающих при истечении струй (ав. св. №№ 1751600, 1808404, патенты  №№ 2000846, 2008981, 2036379, 2036380, 2036381, 2036882, 2101614, 2101614, 2101615, 2101616).

В случае неподвижной внешней среды предлагаются способы распыления, реализующиеся за счет:

- турбулизации потока до истечения (патент № 2190483), создания пульсирующего потока внутри форсунки (авт. св. № 1751600), локальной пульсации по границам истекающей струи (патент № 2036382), кольцевой пульсации струи (патент № 2101616);

- дополнительного распада выступающих частей струи при пульсации (авт. св. № 1808404, патент № 2008981);

- разделения истекающего потока на отдельные струи (патент № 54721);

- взаимодействия разделённых потоков истекающей струи: при локальном соосном взаимодействии внешних истекающих струй с основной струей (патент № 2036381), при взаимодействии соосного закрученного внешнего потока с основной струей (патент № 2101614) в пограничном слое, при несоосном взаимодействии истекающих струй друг с другом (патент № 2101615).

В случае движущейся внешней среды предлагаются способы распыления, реализующиеся за счёт:

- принудительного соосного вдува управляющей среды в пограничный слой истекающей жидкости (патент № 2036379);

- дополнительного принудительного вдува управляющей среды в кольцевую резонирующую полость (патент № 2036380);

- эжекционного подвода окружающего воздуха внутрь кольцевой резонирующей полости (патент № 2010616).

Предложен принципиально новый дождевальный насадок к дальноструйному дождевальному аппаратуц (патент № 2000846), позволяющий повысить дальнобойность истекаюшей струи. С наружной стороны струя ограничивается притянутыми к ней гибкими шнурами. Шнуры предотвращают возникновение (зарождение вихревых течений на границе истекающей струи, что позволяет продлить зону компактной струи.

Реализация физических эффектов в дождевальной технике:

- патенты 29442, 29440, 29441, 31482, 31483, 32968, 34846, 37590, 43726, 43727, 43728, 44916, 54721, 55161, 2279121, 60836, 62772, 70742, 2322800, 74757, 76545, 70077, 81035, 81036, 82515, 82989, 83170, 85299, 85300, 885301, 86765, 86392, 86393, 86394,  85697, 88505, 88506, 90914, 92297, 2381647, 95221, 96316, 99925, 103705, 105123, 2428834, 2430510, 109640, 113634, 2477225, 2479202, 2497349, 2512259, 2521658, 2521662, 2520732, 144001, 144004, 2527090, 2517072, 2546630.


СРЕДСТВА ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ.

Гидромеханизация – способ производства земляных работ, при котором для разработки, транспортирования и укладки грунта используется энергия потока или струи воды.

На твердых связных грунтах для облегчения его последующего размыва гидромониторной струей применяют рыхлительные устройства. Рабочие органы черпаковых рыхлителей подвержены налипанию грунта, что снижает эффективность работы земснаряда из-за повышенных энергозатрат при разгрузке черпаков.

Разработаны устройства гидромеханизации, обеспечивающие повышение эффективности проводимых работ при разработке грунта:

- устройство для опорожнения черпаков земснаряда (патент № 2005131) -подмыв грунтовой массы гидравлической струей при распространении отраженного потока с нижней части черпака вдоль всей внутренней поверхности;

- многочерпаковый земснаряд (патент № 2001209) – радиальный подмыв грунтовой массы с нижней части черпака струями воды, заполняющей дополнительную эластичную полость в процессе движения черпака;

- черпак земснаряда (патент № 2001204) – разгрузка грунтовой массы из черпака путем устранения условий для присасывания грунта к внутренней поверхности корпуса черпака за счёт перетока воздуха и ликвидации зон разрежения.


ЛЕТАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА.

Вопросы, связанные с истечением сверхзвуковых струй летательных аппаратов, важны в связи с силовым, тепловым и акустическим воздействиями струй на элементы конструкций, формированием газовой оболочки вокруг летательного аппарата, образованием оптических и радиолокационных помех на линиях связи, а также рядом других явлений.

В практике использования сверхзвуковых течений в летательных аппаратах возникает задача ослабления ударного воздействия на отдельные части конструкций.

Представлен разработанный комплекс принципиально новых эффективных методов и средств синтеза и управления сверхзвуковым струйным истечением в объектах летательной техники, основанный на использовании ряда газодинамических явлений: замыкание струи под действием эффекта Коанда на близлежащую ограничивающую поверхность; преобразование одного типа течения в другой; струйные устойчивость и неустойчивость; гашение струи в циркуляционных зонах; образование закрученного потока; изменение эжекции потока; создание пульсационного течения; взаимодействие струи с диспергирующей средой; изменение положения струи в пространстве и др.

Разработанные новые системы сверхзвукового струйного истечения обеспечивают оптимальное решение вопросов управления газодинамическим, тепловым и акустическим воздействиями (патенты №№ 2275578, 2275579, 2290590, 2295689, 2313753, 2318172, 2345309, 2346224, 2371657, 2371658 2392572, 2395053, 2423660, 2425319, 2453789,  2460028, 2481540, 2495353, 2516785, 2519606, 2545154, 2545155, 2577586, 2577605,  2577743).

Так, по ходу истечения сверхзвуковой газовой струи может устанавливаться оболочка из легко разрушаемого газовой струей материала, которая заполняется диспергирующей средой. При соударении струи с этой оболочкой происходит её разрушение и гашение истекающей струи при взаимодействии с диспергирующей средой.

В других вариантах диспергирующий материал может подаваться  внутрь проточной трубы, в которую происходит истечение газового потока, или с её наружной стороны.

При струйном вдуве управляющего рабочего тела происходит снижение газодинамического воздействия, возникает дополнительная газодинамическая сила. В предлагаемом устройстве серией последовательных импульсов реактивной струи производят отвод реактивной струи.

В устройстве добиваются обратной акустической связи, изменения газодинамических характеристик течения, распад струи на вихри и снижения газодинамического воздействия. При этом петля обратной акустической связи замыкается.

Если на внутренней поверхности проточного насадка выполнены радиальные проточные в продольном направлении прорези, то пусковая ударная волна, проходя через прорези насадка, распадается, ослабляя свое воздействие. Далее образуется так называемая «ребристая» струя, которая при взаимодействии с окружающей средой быстро распадается, снижая своё газодинамическое воздействие.

Образование закрученного потока в специальных закручивателях, размещённых на внутренней поверхности насадка, обеспечивает гашение струи при дальнейшем её взаимодействии с окружающей средой.

При повороте насадка посредством приводных механизмов на определённые углы вокруг сферического шарнира достигается отвод струи от конструкции. Отвод газовой струи также может достигаться оборудованием устройств газоотражательными лотками. Настилание струи на лоток под действием эффекта Коанда происходит при изменении углов между истекающей поверхностью и поверхностью лотка в диапазоне 180-220 градусов. Устойчивое замыкание струи на лоток происходит тогда, когда длина лотка соответствует размерам циркуляционной зоны, т.е. выбирается в 3-4 раза большей, чем диаметр истекающей струи. Такое выполнение устройства позволяет повысить надежность работы путем снижения силового воздействия на лоток истекающей газовой струи.

В случае образования в устройствах дополнительных газоотводящих каналов осуществляется существенное снижение силового нагружения конструкции.

Варьируя шириной кольцевой каверны на внутренней поверхности проточной трубы, размерами цилиндрического выходного насадка, диафрагмы, установленной в пусковой трубе, можно получить различные колебания давления в газовой струе, что приведёт к различным газодинамическим эффектам в струе и позволит регулировать снижение газодинамического воздействия за счёт образования соответствующей структуры газового потока.


Заключение.

Разработанные устройства синтеза и управления струйным истечением в объектах техники обеспечивают повышение эффективности работы и снижение энергетических и материальных затрат.

Список литературы

Кириленко Н.Я. Управление струйным пограничным слоем // Турбулентный пограничный слой. Материалы научного семинара ЦАГИ «Механика жидкости и газа». – М.: ЦАГИ, 1991.

Кириленко Н.Я. Управление истечением турбулентного потока // Динамика машин и рабочих процессов. – Челябинск: ЧПИ, 1993.

Кириленко Н.Я. Управление физическими процессами истечения. – Коломна: КФ ВАУ, 1998.

Кириленко Н.Я. Синтез и управление струйным истечением / В кн.: «Прикладные проблемы механики жидкости и га¬за». – Севастополь: СГТУ, 1998.

Кириленко Н.Я. Управление струйными течениями. – М.:  ВНИИНТПИ, 2003.

Кириленко Н.Я. Управление струйными течениями в объектах техники // Вестник КГПИ, № 2, 2007.

Кириленко Н.Я. Управление сверхзвуковым струйным истечением / Материалы XXIII семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям. – Томск: ТПИ, 2012.

Кириленко Н.Я. Новые методы и средства управления струйными течениями // Материалы ХIХ Международного семинара «Течения газа к плазмы в соплах, струях и следах». – СПб:  СПбГУ, 2000.

Кириленко Н.Я. Управление струйным истечением из воздухораспределительных устройств // Материалы XV Всесоюзного семинара по газовым струям. – Л.: ЛМИ, 1990.

Кириленко Н.Я. Пути повышения эффективности управления истечением в струйной автоматике // Вопросы оборонной техники, сер. 9, «Специальные системы управления, следящие приводы и их элементы», вып. 5. – М.: НТЦ «Инфортехника», 1992.

Кириленко Н.Я. Струйная пневмоавтоматика в системах микроклимата // Сельский механизатор, № 5, 2013.

Кириленко Н.Я. Управление истечением в распылительной технике // Материалы ХХ1 Международного семинара «Струйные, отрывные  и нестационарные течения». – СПб.: СПб. ГУ, 2010.

Кириленко Н.Я. Повышение эффективности функционирования средств гидромеханизации. – М.: ВНИИНТПИ, 1998.

Кириленко Н.Я. Патенты автора. https://patentdb.ru/owner/79047?
http://allpatents.ru/author/ru-kirilenko-n-ya.html

Кириленко Н.Я. Управление струйным истечением в объектах техники. http://proza.ru/2022/04/16/1645

Кириленко Н.Я. Струйное истечение. http://proza.ru/2022/05/25/1164

Кириленко Н.Я. Концепция эжекции. http://proza.ru/2021/10/31/1172

Кириленко Н.Я. Вихревая концепция. http://proza.ru/2022/05/23/208