Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ВОСХОДЯЩИХ ЗАКРУЧЕННЫХ ТЕЧЕНИЙ ВОЗДУХА

Обухов А. Г., Баранникова Д. Д.,

§3. Экспериментальные исследования по генерированию свободных тепловых вихрей в лабораторных условиях

Начальная фаза возникновения теплового закрученного восходящего течения и его закрутка в соответствующем направлении подтверждены также лабораторными экспериментами. В данном параграфе описаны некоторые детали экспериментов группы А. Ю. Вараксина в Объединенном институте высоких температур РАН. Приведенные в параграфе фотографии и числовые характеристики, взяты из работ [151–165].

Основным результатом этих экспериментов было возникновение свободного вихря над подогреваемым снизу металлическим столом. Термин «свободный» для вихря означает, что при его получении нет никакой принудительной закрутки. На рис. 1.8 представлена общая схема эксперимента: 1 – пол площадью 6 м2; 2 – потолок высотой 3,3 м; 3 – стены, отстоящие от лабораторного стола на 0,5 м; 4 – круглый стол со столешницей из алюминиевого листа диаметром 1100 мм и толщиной 1,5 мм; 5 – ножки стола высотой 0,35 м; 6 – газовая горелка с максимальной тепловой мощностью 3,5 кВт; 7 – пламя газовой горелки диаметром 200–300 мм; 8 – газовый баллон; 9 – вихрь, возникающий на столе в процессе нагрева стола снизу.

Рис. 1.8. Схема экспериментальной установки

В экспериментах наиболее подходящим оказался, нагрев в течение 180 с до температуры 610 °К. В результате нагрева снизу на столе сверху возникал вихрь с левовинтовым движением восходящих частиц, т. е. возникало восходящее закрученное течение с закруткой в положительном направлении, поскольку Москва находится в Северном полушарии. На рис. 1.9 дана фотография общей картины эксперимента с вихрем на столе и с фиксирующей аппаратурой.

Рис. 1.9. Общая картина эксперимента с вихрем на столе

На рис. 1.10 описаны некоторые детали структуры возникающего вихря.

На рис. 1.11 приведен кадр по визуализации вихря с помощью лазерного ножа: 1 – край лабораторного стола; 2 – след на стене от лазерного ножа; 3 – воздушный свободный вихрь; 4 – сечение свободного воздушного вихря лазерным ножом.

Рис. 1.10. Детали структуры свободного теплового вихря

Рис. 1.11. Визуализации теплового вихря с помощью лазерного ножа

На рис. 1.12 приведена фотография типичной вихревой структуры, на которую дополнительно нанесены детали, позволяющие определить параметры закрутки: у нарисованного треугольника Uφ и Uz (обозначения и термины из работы [160]) – соответственно азимутальная (тангенциальная) скорость и осевая (вертикальная) скорость; α – угол между вектором полной скорости и поверхностью лабораторного стола.

Рис. 1.12. Изображение типичной вихревой структуры

В работе [160] введена величина  – параметр закрутки. Обработка большого числа кадров позволила авторам экспериментов определить диапазон изменения параметра закрутки S = 0,3–3,0. Характерные скорости вращения воздуха, зафиксированные в экспериментах – 0,1–0,5 м/с. Характерный диаметр свободного вихря – 0,05 м.

Одной из целей экспериментов группы А. Ю. Вараксина было установление возможности разрушения вихрей сетками. На рис. 1.13 приведена фотография вихря, подошедшего к вертикальной сетке: 1 – край поверхности стола; 2 – вертикально расположенная сетка; 3 – свободный воздушный вихрь; 4 – сечение воздушного вихря лазерным ножом в виде «кольца».

Рис. 1.13. Изображение вихря, подошедшего к вертикальной сетке

Основные результаты экспериментов под руководством А. Ю. Вараксина можно свести к следующим позициям:

– характерным размером является диаметр нагреваемого стола 1,1 м;

– диапазон изменения максимальной температуры нагрева составляет 420–610 К;

– средний диаметр возникающего свободного вихря 20 см;

– соотношение между вертикальной и азимутальной скоростями 3:1;

– полученные в расчетах значения частоты вращения вихря 15 об/с, что соответствует тангенциальной скорости вращения вихря порядка 10 м/с;

– направление вращения свободных вихрей левовинтовое;

– возникающие вихри свободно перемещаются по нагреваемому столу.

Вихревое движение является одной из самых распространенных форм движения сплошных сред. В значительном многообразии вихревых течений выделяются концентрированные вихри, широко распространенные в природе: пыльные «дьяволы», воздушные смерчи, водяные смерчи, огненные смерчи [2, 3]. Они находят свое применение во многих технических устройствах: циклонные сепараторы, вихревые топочные камеры и горелки, центробежные форсунки, вихревые трубы, различные турбулизаторы [166]. Поэтому физическое моделирование концентрированных вихрей в лабораторных условиях является актуальной задачей. К настоящему времени практически отсутствуют экспериментальные работы, в которых получены свободные вихри, за исключением работ [151–165] (см. также [167, 168]).

В данном параграфе приведены результаты работы [169], в которой демонстрируется возможность физически смоделировать свободные огненные вихри в условиях лаборатории, не используя какие-либо закручивающие устройства. Для генерации концентрированных вихрей использовалась простая установка, схема которой приведена на рис. 1.14.

Рис. 1.14. Схема установки для генерации свободных огненных вихрей

Геометрические параметры лабораторной установки такие же, как в установке для генерирования свободных тепловых вихрей (рис. 1.8). В центральной части подстилающей поверхности размещались таблетки уротропина (6). Масса каждой таблетки 21 г (диаметр 40 мм). Теплота сгорания уротропина 30 МДж/кг. Девятнадцать таблеток располагались в центре подстилающей поверхности, формируя вписанный в окружность (диаметр 300 мм) шестиугольник (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Расположение таблеток в центре подстилающей поверхности

Во время эксперимента таблетки поджигали, формируя пламена (7) (см. рис. 1.14). В процессе горения таблеток наблюдалась генерация огненных вихрей (8), высота которых значительно превосходила высоту пламени над областью расположения горючего (рис. 1.16).

Видеосъемка процесса горения и генерируемых вихревых структур проводилась с использованием цифрового фотоаппарата (10), располагаемого на стойке (9).

а б

Рис. 1.16. Процесс горения таблеток

Признаком возникновения огненных вихревых структур также служило появление винтовых траекторий у нагретых частиц продуктов сгорания. Покадровый анализ дает возможность определения некоторых параметров и характеристик:

1) временной диапазон образования огненных вихревых структур;

2) область возникновения огненных вихрей;

3) количество наблюдаемых огненных вихрей за один эксперимент;

4) время жизни огненных вихревых структур;

5) высота огненных вихрей;

6) диаметр огненных вихрей.

Многократное повторение экспериментов позволило сделать следующие выводы. Самые первые вихревые огненные структуры начинали образовываться через 3 мин, а самые последние – через 12 мин после поджига таблеток. Полное сгорание таблеток происходило за 15–17 мин. Образование огненных вихрей происходило как в центре области расположения горючего, так и на ее периферии. Количество наблюдаемых вихревых структур – до 15 за один эксперимент. Время жизни подавляющего большинства генерируемых вихрей составляло от 1 до 5 с. Наибольшая высота огненных вихревых структур достигала 0,7 м, а их максимальный диаметр 0,05 м.

Процесс формирования огненного вихря, по-видимому, сопровождается заметным радиальным притоком воздуха со всех направлений к основанию основного (центрального) конвективного потока и сопутствующим закручиванием потока относительно вертикальной оси вследствие наличия градиентов скоростей и температур. Поток продуктов сгорания в огненном вихре состоит из комбинации относительно тонких вихревых нитей, вращающихся и взаимодействующих друг с другом.

Таким образом, показана возможность физически смоделировать огненные вихри без использования механических закручивающих устройств. Генерируемые огненные вихри являются лабораторными аналогами огненных смерчей, возникающих при крупных лесных пожарах, возгораниях на больших площадях в городских районах при плотной застройке, на лесоперерабатывающих предприятиях.

Приведенные в данном параграфе результаты теоретических и экспериментальных исследований определяют направление и исходные количественные характеристики численного моделирования нестационарных трехмерных течений сжимаемого вязкого теплопроводного газа в тепловых закрученных потоках и огненных вихрях.