Первый процесс передачи энергии происходит в результате выравнивания термодинамических температур внешнего и внутреннего потоков в каждом сечении вихревой трубы. Этот процесс называют [5] турбулентным энергообменом. Он связан с разностью термодинамических температур внутреннего (i) и внешнего (в) потоков и протекает тогда, когда эти температуры не равны. К каждому сечению трубы с разных сторон подходят: внешний поток с более низкой термодинамической температурой и внутренний - с более высокой . При высокой степени турбулентности происходит интенсивное перемешивание и температуры этих потоков изменяются (осредняются) - температура внутренних слоев понижается, а внешних - повышается, т.е. в каждом сечении трубы термодинамические температуры стремятся выровняться по сечению. При идеальном турбулентном взаимодействии в каждом сечении установилась бы своя постоянная термодинамическая (статическая температура). Значение этих температур должны уменьшаться от сечения к сечению при движении внутреннего потока к сопловому сечению С, в котором установится минимальная статическая температура, определяемая скоростью истечения из сопла.
Однако, в реальных условиях вихревого процесса, происходящих при больших скоростях потоков выравнивание статических температур не осуществляется до конца, а в каждом сечении трубы остается некоторая разница статических температур внутреннего и внешнего потоков. В сопловом сечении С и в сечениях, близких к нему (начальный участок трубы), статическая температура внутренних слоев выше статической температуры внешних слоев. Таким образом, энергия передается от внутреннего к внешнему потоку. Это не означает, что температуры торможения внутренних слоев, выше, чем наружных. Напротив, наружные слои, имеющие намного большую тангенциальную скорость, после торможения будут иметь и более высокую температуру.
Вторым процессом , определяющим перераспределение энергии в вихревой трубе, является перестройка поля скоростей . вращающихся потоков. Процесс перестройки скоростей внешнего и внутреннего потоков можно иллюстрировать эпюрами тангенциальных скоростей, построенных для трех сечений трубы а; в; с. Внешние слои, продвигаясь от сечения с, тормозятся о стенку трубы и их тангенциальная скорость падает. В результате этого в сечении а эпюра тангенциальных скоростей размывается - скорости по сечению становятся примерно одинаковыми как во внешнем, так и в центральном слое. Далее, при движении центрального потока от сечения а к сечению с, он испытывает все более интенсивную закрутку со стороны внешнего потока . В этом процессе, когда внешние слои закручивают внутренние, происходит перестройка поля скоростей, в результате которой тангенциальные скорости внутреннего потока уменьшаются, а внешнего -растут. Эта перестройка при движении внутреннего потока от сечения а к сечению с приводит к образованию в сечении с потока, вращающегося по закону квазитвердого тела и занимающего почти все сечения. Эта модель [5] показывает, что процесс перестройки поля скоростей в вихре с уменьшением тангенциальной скорости внутреннего потока и одновременным возрастанием тангенциальной скорости внешнего потока соответствует отводу кинетической энергии от внутреннего потока и передаче его внешнему. Таким образом, одновременное действие двух описанных выше процессов приводит к переносу энергии в вихревой трубе от внутренних слоев к внешним, в результате этого внешние слои нагреваются, а внутренние охлаждаются. Целью данного раздела не является анализ конструкции вихревых труб. Большой комплекс и высокая интенсивность проведения работ над вихревым эффектом как в отношении теории и эксперимента, так и конструкции аппаратов, не позволяет в целом ряде случаев рассчитать все параметры процесса, особенно в случаях, когда на вихревой эффект накладываются побочные процессы (внешние воздействия, охлаждение, сепарация, изменение агрегатного состояния и т.д.). Единственным методом решения задач является эксперимент.
В случае же взаимного влияния нескольких вихревых процессов, имеющих ,кроме того, сложную внутреннюю структуру, теоретические предсказания результатов представляются в еще большой степени неясными.
|
