Скачать статью в pdf.

УДК 628.16

DOI: 10.15507/2658-4123.034.202403.444-460

Cтруктура течения и периодические процессы в дискообразной вихревой камере гидродинамического кавитатора

Евгений Геннадьевич Иванов
кандидат технических наук, доцент, доцент Нижегородского государственного агротехнологического университета (603107, Российская Федерация, г. Нижний Новгород, пр-т Гагарина, д. 97), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7105-3909, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Игорь Леонидович Воротников
доктор экономических наук, профессор, ректор Нижегородского государственного агротехнологического университета (603107, Российская Федерация, г. Нижний Новгород, пр-т Гагарина, д. 97), ORCID: https://orcid.ord/0000-0003-3631-8275, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Александр Валентинович Пасин
магистрант Нижегородского государственного агротехнологического университета (603107, Российская Федерация, г. Нижний Новгород, пр-т Гагарина, д. 97), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0797-4743, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Александр Валерьевич Седов
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры тепловых двигателей автомобилей и тракторов Вятского ГАТУ (610017, Российская Федерация, г. Киров, Октябрьский пр., 133), ORCID: https://orcid.org/0009-0001-3460-7420, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Максим Викторович Ошурков
кандидат технических наук, доцент, доцент Нижегородского государственного агротехнологического университета (603107, Российская Федерация, г. Нижний Новгород, пр-т Гагарина, д. 97), ORCID: https://orcid.org/0009-0006-5132-6440, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Аннотация
Введение. Суть акустико-кавитационных процессов состоит в том, что через жидкость пропускают звук с давлением во фронте волны более 3 бар, что вызывает местные разрывы жидкости в вакуумметрическую фазу волны и их коллапс – в манометрическую. Противоположные стенки каждой каверны при их коллапсе сближаются со скоростью, превышающей две скорости звука, за счет чего достигается высокая плотность энергии в точке встречи. Новизна настоящей работы подтверждается результатами периодически воспроизводимого информационно-патентного анализа, а также полученными четырьмя патентами на изобретения по рассматриваемой теме.
Цель исследования. Повышение акустико-кавитационных качеств дискообразной вихревой камеры, используемой в качестве жидкостного свистка.
Материалы и методы В работе использованы числовое моделирование течений в среде FlowVision, экспериментальное определение скоростей потоков трубкой Пито, метод пленок, снятие амплитудно-частотной характеристики программой SpectraPLUS 5.0, визуализация потоков и процессов на оптически прозрачных устройствах методом красящих индикаторов в стробоскопическом освещении скоростной видеосъемкой.
Результаты исследования. Выявлено корректирующее действие пульсаций насоса f = 300 Hz на механизм звукообразования. Дискообразность устройства, обуславливающая ограждение входного потока в поперечном сечении с трех направлений, способствует созданию более выразительного акустического сигнала, образованию двух сопряженных торовых вихрей вдоль обечайки, что обеспечивает однородность окружного течения, затухание продольных высокочастотных колебаний f = 200 kHz, создание периодических зон повышенного давления вдоль обечайки. Сосредоточенный тангенциальный вход в устройство обуславливает центральную асимметрию течений в нем и ряд процессов, создающих акустический шум.
Обсуждение и заключение. Частота полезного акустического сигнала в вихревой камере пропорциональна скорости транзитного потока, а амплитуда – размерам устройства. Вместе с полезным сигналом, созданным взаимодействием окружной и входной частей транзитного потока, в устройстве создаются шумы близких частот. Другие источники шумообразования обусловлены наличием сосредоточенного тангенциального входа. Образование двух торовых сопряженных вихрей вдоль обечайки может быть использовано как средство управления процессом взаимодействия частей транзитного потока. Дискообразная вихревая камера сочетает в себе функции звукообразования и возможности создания центробежного поля, что расширяет ее технологические возможности.

Ключевые слова: дискообразная вихревая камера, вода, кавитация, потоки жидкости, звук, частота звука, акустический сигнал

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования: Cтруктура течений и периодические процессы в дискообразной вихревой камере гидродинамического кавитатора / Е. Г. Иванов [и др.] // Инженерные технологии и системы. 2024. Т. 34, № 3. С. 444–460. https://doi.org/10.15507/2658-4123.034.202403.444-460

Заявленный вклад авторов:
Е. Г. Иванов – научное руководство, подготовка текста.
И. Л. Воротников – общее руководство проектом, анализ и дополнение текста статьи.
А. В. Пасин – поиск аналитических материалов в отечественных и зарубежных источниках.
А. В. Седов – верстка и форматирование работы.
М. В. Ошурков – сбор данных и доказательств, проведение экспериментов.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Поступила в редакцию 26.02.2024; поступила после рецензирования 25.04.2024;
принята к публикации 06.05.2024

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Sivakumar M., Tang S. Y., Tan Kh. W. Cavitation Technology – A Greener Processing Technique for the Generation of Pharmaceutical Nanoemulsions // Ultrasonics Sonochemistry. 2014. Vol. 21, Issue 6. Р. 2069–2083. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2014.03.025

2. Athar M., Srotriya S. Velocity Distribution in Vortex Chamber at High Water Abstraction Ratio // Hydrologic Modeling. 2018. Vol. 81. Р. 459–473. https://doi.org/10.1007/978-981-10-5801-1_32

3. Desander Mini-Hydrocyclones Applied to the Separation of Microspheres and Sand in Non-Nevtonian Fluid: Efficiencies and Drag Analysis / D. G. Alves [et al.] // Separation and Purification Technology. 2020. Vol. 234. Article no. 116131. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.116131

4. Study on Multi-Component Particle Behavior in a Hydrocyclone Classifier Using Experimental and Computational Fluid Dynamics Technigues / M. Padhi [et al.] // Separation and Purification Technology. 2019. Vol. 229. Article no. 115698. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.115698

5. Investigation on Temperature Separation and Flow Behaviour in Vortex Chamber / Y. Matsuno [et al.] // Journal of Thermal Science. 2015. Vol. 24. Р. 149–154. https://doi.org/10.1007/s11630-015-0767-1

6. Experimental Study on Temperature Separation in Vortex Chamber / Sh. Matsuo [et al.] // Procedia Engineering. 2015. Vol. 105. Р. 464–471. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.05.073

7. Теплогенератор и устройство для нагрева жидкостей : патент 2045715 Российская Федерация / Потапов Ю. С. ; заявл. 26.04.1993 ; опубл. 10.10.1995. URL: https://allpatents.ru/patent/2045715.html (дата обращения: 11.04.2024).

8. Способ работы эжекторной тепловыделяющей установки : патент 2127832 Российская Федерация / Фисенко В. В. № 97103798/06 ; заявл. 12.03.1997 ; опубл. 20.03.1999.

9. Способ преобразования электрической энергии в тепловую в эжекторно-вихревой установке : патент 2253047 Российская Федерация / Мамаев А. Н. № 2002132569/06 ; заявл. 04.12.2002 ; опубл. 20.08.2004.

10. Min J. C., Ki K. C., Gyu P. W. Cavitation Device of Underwater Moving Body and Underwater Moving Body Having the Same : patent 2013298819 USA. № US 8,881,667 B2 ; application 13.08.2012 ; publication 11.11.2014. URL: https://patents.google.com/patent/US8881667B2/en (дата обращения: 11.04.2024).

11. Karn A., Arndt R. E. A., Hong J. An Experimental Investigation into Supercavity Closure Mechanisms // Journal of Fluid Mechanics. 2016. Vol. 789. Р. 259–284. https://doi.org/10.1017/jfm.2015.680

12. Rade V. Cavitation Generation : patent 2015001315 Great Britain. № WO2015001315A2 ; application 02.07.2013 ; publication 01.08.2015. URL: https://patents.google.com/patent/WO2015001315A2/en (дата обращения: 11.04.2024).

13. Rafiee S. E., Sadeghiazad M. M. Three-Dimensional CFD Simulation of Fluid Flow inside a Vortex Tube on Basis of an Experimental Model – the Optimization of Vortex Chamber Radius // International Journal of Нeat and Technology. 2016. Vol 34, No. 2. Р. 236–244. https://doi.org/10.18280/ijht.340212

14. Akhmetov D. G., Akhmetov T. D. Flow Structure in a Vortex Chamber // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2016. Vol. 57, Issue 5. Р. 879–887. https://doi.org/10.1134/s0021894416050151

15. Akhmetov D. G., Akhmetov T. D., Pavlov V. A. Flow Structure in a Ranque-Hilsch Vortex Tube // Doklady Phusics. 2018. Vol. 63. Р. 235–238. https://doi.org/10.1134/s1028335818060010

16. Mechanism and Dynamics of Hydrodynamic-Acoustic Cavitation (HAC) / P. Wu [et al.] // Ultrasonics Sonochemistry. 2018. Vol. 49. Р. 89–96. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2018.07.021

17. Numerical Simulation of Single Bubble Dynamics under Acoustic Standing Waves / S. Qiu [et al.] // Ultrasonics Sonochemistry. 2018. Vol. 49. Р. 196–205. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2018.08.006

18. Гидродинамический кавитатор : патент 2588298 Российская Федерация / Иванов Е. Г. № 2015104721 ; заявл.12.02.2015 ; опубл. 27.04.2016.

19. Теплогенератор : патент 2594394 Российская Федерация / Иванов Е. Г., Самоделкин А. Г. № 2014134116 ; заявл.19.08.2014 ; опубл. 10.03.2016.

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.