Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,909

1 1 1 1
1

Кафедрой Теплогазоснабжения и вентиляции БГТУ им. В.Г. Шухова разработано устройство для снижения пылеобразования при загрузке сыпучих материалов [5, 7] в аэродинамическую схему которого заложен эффект Коанда (рис. 1). Указанное физическое явление необходимо учитывать во многих технологических процессах, ему посвящались отдельные международные конференции [3], тем не менее ряд задач в литературе изучен недостаточно, хотя они имеют важное значение для практики и теории струй.

Эффект Коанда выражается отклонением по направлению к стенке (при определенных условиях прилипанием к ней) струи газа, вытекающей из сопла. Под действием вязкости на границе между струей и окружающей средой возникает слой смешения, толщина которого растет с расстоянием. Вследствие этого расход в струе также увеличивается. Таким образом, осуществляется вовлечение (эжекция) окружающего воздуха в струйное течение. Близлежащая стенка препятствует эжекции, в результате чего под струей образуется зона разрежения с давлением меньшим давления в окружающей среде. За счет поперечного перепада давления струя искривляется и устойчиво присоединяется к стенке.

semin1.tif

Рис. 1. Устройство для снижения пылеобразования при загрузке сыпучих материалов:1 – трубопровод пневмотранспорта; 2 – щелевое сопло; 3 – тор (разделитель потока); 4 – конус; 5 – вертикальный стержень; 6 – контргайка

Наиболее обширное применение эффект получил в пневмоавтоматике (Залманзон Л.А., Шальнев К.К, Браун Г.Л., Олсон Р.Ф.). Для модели описания эффекта в данной области техники наибольший интерес представляет лишь конечное состояние струи – отклоняется она или нет от первоначального направления. Хотя для дальнейшего исследования реализации эффекта в условиях применения разрабатываемого устройства необходимо знать не только наличие отклонения траектории, но и точку отрыва пограничного слоя нельзя пренебречь данной теорией.

Несмотря на развитие численных методов и моделей описания движения воздушных потоков, интегральные методы, используемые в пневмоавтоматике, оставались, и являются до сих пор надежным способом определения и предсказания характеристик присоединенных струйных течений в инженерном проектировании. Суть интегрального метода состоит в том, что для описания течения используются интегральные характеристики. Для струй в качестве таких характеристик выбираются потоки массы, импульса, энергии и т.д. через поперечное сечение. В рамках интегрального метода определяются именно эти характеристики, а более детальная структура течения определяется по ним с помощью априорно заданных профилей.

В работе В.Д. Столера [4] приведен краткий теоретический обзор теорий по расчету эффекта Коанда: в той или иной мере все они содержат спорные допущения и упрощения. В некоторых из них присутствует предположение о постоянстве давления в отрывной зоне, при этом вызывают вопросы баланс импульса, не учитывающий перепад давления. Профиль скорости в струе при этом принимается согласно эмпирической зависимости Шлихтинга:

obs054.wmf, (1)

где b – характерная ширина струи.

Первое решение задачи о присоединении двумерной струи к близлежащей стенке (для частных случаев) было проведено С. Borque, B.G. Newman [1] с использованием интегрального подхода. По одному из главных предположений профиль скорости на срезе сопла является равномерным, т.е. увеличение скорости, связанное с уменьшением давления внутри отрывной зоны пренебрежимо мало. Таким образом, поток импульса на единицу длины равен

obs055.wmf, (2)

где obs056.wmf – давление окружающей среды.

Кривизна границы в направлении течения влечет за собой появление градиентов давления как вдоль по течению, так и в нормальном к стенке направлении. Однако если кривизна не очень велика, а пограничный слой очень тонок, то градиент по нормали к стенке obs057.wmf обычно оказывает второстепенное влияние [2].

Роль градиента давления obs058.wmf можно выявить из уравнений Прандтля для двумерного пограничного слоя:

obs059.wmf (3)

При obs060.wmf (где obs061.wmf, obs062.wmf) получаем:

obs063.wmf (4)

Так что кривизна профиля скорости в окрестности стенки определяется только градиентом давления. Пусть obs064.wmf (перепад давления направлен по течению – прямой перепад), тогда

obs065.wmf при obs066.wmf,

и так как профиль скорости в данном случае не имеет экстремумов, то

obs067.wmf для всех obs068.wmf,

как указано на рис. 2, а. Если течение в пограничном слое имеет место в области, где obs069.wmf (обратный перепад давления), то

obs070.wmf при obs071.wmf.

Однако около внешней границы пограничного слоя и в этом случае

obs072.wmf при obs073.wmf.

Следовательно, всегда, когда obs074.wmf, в профиле скорости будет появляться точка перегиба, как показано на рис. 2, б.

semin2.tif

Рис. 2. Влияние градиента давления на профили скорости в пограничном слое. а – obs001.wmf (obs002.wmf при всех y ); б – obs004.wmf (obs005.wmf только около стенки)

При обратном перепаде давления когда obs075.wmf, движение жидкости около стенки будет непрерывно замедляться, в результате чего происходит отрыв течения от поверхности (рис. 3).

semin3.tif

Рис. 3. Схема пограничного слоя при положительном градиенте давления:s – точка отрыва

semin4.tif

Рис. 4. Реализация эффекта Коанда при работе предлагаемого устройства

Согласно проведенным экспериментальным исследованиям [6] по реализации эффекта Коанда в условиях обтекания тороидальной поверхности сектора отрыв пограничного слоя от разделителя потока рассматриваемого устройства происходит при obs076.wmf(рис. 4). Данный результат показывает актуальность и работоспособность устройства, однако следует большее внимание уделить определению градиента давления и потока импульса коандовского течения.

Несмотря на некоторые недостатки описанной интегральной модели присоединяющихся струй, они всё же компенсируются её предельной простотой. Причем во многих современных работах основные принципы остаются теми же, с внесением дополнительных уточнений и предположений.