IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Кафедрой Теплогазоснабжения и вентиляции БГТУ им. В.Г. Шухова разработано устройство для снижения пылеобразования при загрузке     сыпучих материалов [5] 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.

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:

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

где - 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  обычно оказывает второстепенное влияние [2].

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

При  (где , ) получаем:

Так что крив изна профиля скорости в окрестности стенки определяется только градиентом давления. Пусть  (перепад давления направлен по течению - прямой перепад), тогда

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

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

Однако около внешней границы пограничного слоя и в этом случае

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

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

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 (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.

               

Список литературы

1. Borque С., Newman B.G. Reattachment of a two-dimensional incompressible jet to the adjacent flat plate. // Aeronautical Quarterly, 1960, v.11, pp 3205-3213.
2. Daily J.W., Harelman D.R.F. Fluid dynamics. // Addison-Wesley Publishing Company, Inc., Reading, Massachussetts, U.S.A.// 1966.
3. Вилле Р., Фернгольц Г. Сообщение о первом европейском коллоквиуме механиков, посвященному эффекту Коанда. // Механика, 1966 // N5.
4. Столер В.Д. Основы организации и расчета вентиляционных процессов, сопровождающихся эффектом Коанда. // Свердловск: УПИ, 1987. // Деп. в ВИНИТИ // N 1317- В87.
5. Логачев И.Н., Овсянников Ю.Г., Семиненко А.С., Никитенко Б.Л. (RU)// Устройство для снижения пылеобразования при загрузке сыпучих материалов: пат. U1 48318 B65G69/18// №2005117396/22: Заявлено 06.06.2005// Опубл. 10.10.2005, Бюл. № 28.
6. Семиненко А.С., Солодовников В.Н. Снижение пылеобразования при загрузке бункеров сыпучими материалами. // Наука и молодежь в начале нового столетия: Сборник докладов международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. // Губкин: ИП Уваров В.П., 2008. // Часть I. - c. 193-196.

Код для цитирования: Скопировать