RU2681618C1 - Compact device for the formation of laminar jets of a flow medium - Google Patents
Compact device for the formation of laminar jets of a flow medium Download PDFInfo
- Publication number
- RU2681618C1 RU2681618C1 RU2018105755A RU2018105755A RU2681618C1 RU 2681618 C1 RU2681618 C1 RU 2681618C1 RU 2018105755 A RU2018105755 A RU 2018105755A RU 2018105755 A RU2018105755 A RU 2018105755A RU 2681618 C1 RU2681618 C1 RU 2681618C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diffuser
- diameter
- mesh
- laminar
- metal
- Prior art date
Links
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 40
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 30
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 6
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010951 brass Substances 0.000 claims description 4
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 abstract description 17
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 5
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000003570 air Substances 0.000 description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 10
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 7
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 6
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 241000896693 Disa Species 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 1
- 230000000739 chaotic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000036512 infertility Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 1
- 238000009331 sowing Methods 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
- B01F25/40—Static mixers
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
Abstract
Description
Изобретение может быть использовано применительно к медицине, биологии, точной механике, радиоэлектронике и другим областям техники для создания ламинарных затопленных струй, обеспечивающих в рабочей области текучую среду с заданными свойствами по чистоте и составу. Также устройство может быть использовано в фундаментальных исследованиях развития турбулентности в струях круглого поперечного сечения.The invention can be used with reference to medicine, biology, precision mechanics, electronics and other fields of technology for creating laminar flooded jets that provide a fluid in the working area with desired properties in purity and composition. Also, the device can be used in basic research on the development of turbulence in jets of circular cross section.
Такое часто встречающееся в природе и технике явление, как турбулентные струи, подробно изучается на протяжении нескольких десятилетий множеством авторов в контексте различных вариантов практических применений: перемешивание, горение, генерация звуковых возмущений. Однако в различных областях техники также существует потребность в формировании ламинарных затопленных струй текучей среды с заданными свойствами. Исследование течения ламинарных затопленных струй и процессов, сопровождающих развитие турбулентности в них, осложнено тем, что ламинарные струи при обычных условиях разрушаются в непосредственной близости от отверстия, из которого вытекают.Such a phenomenon, often found in nature and technology, as turbulent jets, has been studied in detail for several decades by many authors in the context of various options for practical applications: mixing, combustion, generation of sound disturbances. However, in various fields of technology there is also a need for the formation of laminar flooded jets of fluid with desired properties. The study of the flow of laminar flooded jets and the processes accompanying the development of turbulence in them is complicated by the fact that laminar jets under normal conditions are destroyed in the immediate vicinity of the hole from which they flow.
Длина ламинарного участка струи определяется характеристиками потока на выходе в открытое пространство: профилем скорости и интенсивностью турбулентности. Существует несколько способов создания потоков с низкой интенсивностью турбулентности в каналах.The length of the laminar section of the jet is determined by the characteristics of the flow at the exit to the open space: the velocity profile and the intensity of turbulence. There are several ways to create flows with low turbulence in the channels.
Наиболее распространённый и часто применяющийся в фундаментальных исследованиях способ создания длинных ламинарных струй — использование длинной гладкой подготовительной трубы, в которой течение формируется. Пример: чтобы получить струю воздуха, текущую со средней скоростью 5 м/с, диаметром 20 мм и длиной ламинарного участка 200 мм=20 см потребуется подготовительная труба длиной 4 м.The most common and often used in basic research method of creating long laminar jets is the use of a long smooth preparatory pipe in which a flow is formed. Example: to get a stream of air flowing at an average speed of 5 m / s, a diameter of 20 mm and a length of a laminar section of 200 mm = 20 cm, a preparation pipe of 4 m in length is required.
На высокоточных производствах, в фармацевтике и иногда в медицине (при некоторых операциях) необходимо создание локальных чистых зон (т.е. зон, воздух в которых намного чище окружающего) или зон с другим составом (например, зон, где воздух насыщен каким-то другим газом). Часто для создания таких зон используют турбулентные струи очищенного воздуха (или нужного газа), диаметр которых значительно превышает площадь зоны, в которой необходимо обеспечить стерильность или определенный состав среды, т.к. турбулентная струя на своих краях разрушается, смешивается с окружающей средой. И только в центральной части турбулентной струи, у её оси, есть область, куда не попадает неподготовленный воздух в результате турбулентного перемешивания на краях. По сути, чистой зоной здесь является зона у оси струи, но не вся струя. В случае же использования ламинарной струи для создания локальной чистой зоны решается проблема смешивания на краях чистого газа в струе с воздухом окружающей среды, т.к. ламинарная струя в каждом своём сечении представляет собой поток чистого воздуха, не смешивающийся с окружающей средой.In high-precision industries, in pharmaceuticals, and sometimes in medicine (for some operations), it is necessary to create local clean zones (i.e. zones in which the air is much cleaner than the surrounding environment) or zones with a different composition (for example, zones where the air is saturated with some kind of other gas). Often, turbulent jets of purified air (or the desired gas) are used to create such zones, the diameter of which significantly exceeds the area of the zone in which sterility or a certain composition of the medium must be ensured, since the turbulent stream at its edges is destroyed, mixed with the environment. And only in the central part of the turbulent jet, on its axis, is there an area where unprepared air does not get as a result of turbulent mixing at the edges. In fact, the clean zone here is the zone at the axis of the jet, but not the entire jet. In the case of using a laminar jet to create a local clean zone, the problem of mixing at the edges of a clean gas in a jet with ambient air is solved, since laminar stream in each of its sections is a stream of clean air, not miscible with the environment.
Стандартный способ создания ламинарной струи с помощью длинной подготовительной трубки не представляется возможным использовать на каких-либо производствах, поскольку, чтобы создать струю диаметром, например, 10 см, которая осталась бы ламинарной на длине 1 м и средняя скорость которой была бы равна примерно 2 м/с, понадобится труба длиной около 40 метров (ось трубы должна быть прямолинейной). Поэтому актуальной проблемой остается разработка компактного устройства для формирования ламинарных струй текучей среды, в конструкции которого будут преодолены описанные выше недостатки стандартного способа и будет обеспечено соответствие требуемым эксплуатационным характеристикам.It is not possible to use the standard method for creating a laminar jet using a long preparatory tube in any production, because in order to create a jet with a diameter of, for example, 10 cm, which would remain laminar at a length of 1 m and whose average speed would be approximately 2 m / s, you will need a pipe about 40 meters long (the axis of the pipe should be straight). Therefore, the development of a compact device for the formation of laminar fluid jets remains an urgent problem, the design of which will overcome the disadvantages of the standard method described above and ensure compliance with the required operational characteristics.
Наиболее близким аналогом заявляемого решения является сопло для создания ламинарного потока, описанное в патенте США № 5213260, включающее впускной канал, цилиндрическое средство снижения турбулентности потока текучей среды и выпускной канал, соединенные между собой по потоку текучей среды.The closest analogue of the proposed solution is a nozzle for creating a laminar flow, described in US patent No. 5213260, including an inlet channel, a cylindrical means of reducing turbulence of a fluid stream and an outlet channel interconnected by a fluid stream.
К недостаткам описанного решения можно отнести недостаточную эффективность устройства ввиду геометрии его выходного канала, который обладает относительно низкой способностью уменьшения турбулентных пульсаций в потоке.The disadvantages of the described solutions include the lack of efficiency of the device due to the geometry of its output channel, which has a relatively low ability to reduce turbulent pulsations in the stream.
В основу изобретения поставлена задача разработать устройство для формирования ламинарных струй текучей среды, конструктивное исполнение которого обеспечит достижение технического результата, который заключается в уменьшении турбулентных пульсаций в потоке для создания ламинарных затопленных струй текучей среды, максимальная длина ламинарных участков которых может достигать от 5,5 до 7 диаметров струи, при этом заявленное устройство будет характеризоваться компактностью и простотой реализации. Под термином «ламинарная затопленная струя» или просто «ламинарная струя» имеется в виду струя, не смешивающаяся с окружающей средой, течение в ней остаётся слоистым. Турбулентная струя — противоположное понятие, движение частиц в ней хаотическое. Простым наглядным примером турбулентной струи служит струя дыма, выпускаемая курильщиком в воздух — она клубится, перемешивается с воздухом и разрушается в непосредственной близости от своего начала. При этом затопленная струя — это струя текучей среды, вытекающая в окружающее пространство, заполненное средой с таким же агрегатным состоянием. Т. е., если струя воды вытекает в аквариум, заполненный водой или любой другой жидкостью, то имеется затопленная струя воды. При этом говорить о полностью ламинарной струе в физически осязаемом смысле не совсем верно — любая струя на некотором расстоянии от отверстия, из которого вытекает, начнёт разрушаться (начнётся переход к турбулентности). Важным является, на каком расстоянии от отверстия это происходит. Поэтому, когда используется термин «ламинарная струя», следует понимать, что речь идет про ламинарный участок струи — участок до начала перехода к турбулентности.The basis of the invention is the task to develop a device for the formation of laminar jets of fluid, the design of which will achieve a technical result, which is to reduce turbulent pulsations in the stream to create laminar flooded jets of fluid, the maximum length of the laminar sections of which can reach from 5.5 to 7 jet diameters, while the claimed device will be characterized by compactness and ease of implementation. The term “laminar flooded stream” or simply “laminar stream” means a stream that does not mix with the environment, the flow in it remains layered. A turbulent jet is the opposite concept, the movement of particles in it is chaotic. A simple visual example of a turbulent jet is a stream of smoke released by a smoker into the air - it swirls, mixes with air and collapses in the immediate vicinity of its beginning. In this case, a flooded stream is a stream of a fluid flowing out into an environment filled with a medium with the same aggregate state. That is, if a stream of water flows into an aquarium filled with water or any other liquid, then there is a flooded stream of water. At the same time, it is not entirely true to speak of a completely laminar jet in a physically tangible sense - any jet at some distance from the hole from which it flows will begin to collapse (the transition to turbulence will begin). It is important at what distance from the hole this occurs. Therefore, when the term “laminar stream” is used, it should be understood that we are talking about the laminar section of the stream — the section before the transition to turbulence.
Поставленная задача решается тем, что разработано устройство для формирования ламинарных струй текучей среды, включающее впускной канал, цилиндрическое средство снижения турбулентности потока текучей среды и выпускной канал, соединенные между собой по потоку текучей среды, при этом выпускной канал представляет собой диффузор, диаметр выходного сечения которого больше его длины по меньшей мере в два раза, а на выходе диффузора установлена по меньшей мере одна сетчатая перегородка. Специально подобранные геометрия диффузора и сопротивление сетчатой перегородки обеспечивают сохранение потока текучей среды внутри диффузора ламинарным. Указанная сетчатая перегородка тормозит поток и направляет его к стенкам канала. Также данная перегородка позволяет сделать отрыв потока локальным, ламинарным, чтобы он не приводил к росту уровня пульсаций в потоке, если отрыв все-таки происходит. Проходя через сетчатую перегородку, поток текучей среды выравнивается, а крупные пульсации исчезают. При такой реализации разработанное устройство для формирования ламинарных струй текучей среды позволяет создать несмешивающуюся с окружающей средой струю, длина которой составляет от 1,5 до 7 выходных диаметров диффузора при числах Рейнольдса от 1000 до 20000. При этом длина заявленного устройства составляет 1-3 диаметра струи, которую оно формирует. Для предотвращения отрыва потока от стенки диффузора при резком его расширении в выходном сечении и установлена сетчатая перегородка.The problem is solved in that a device has been developed for forming laminar jets of a fluid, including an inlet channel, a cylindrical means for reducing the turbulence of a fluid stream and an outlet channel, interconnected by a fluid stream, while the outlet channel is a diffuser, the diameter of the outlet cross section of which at least two times its length, and at least one mesh partition is installed at the outlet of the diffuser. Specially selected geometry of the diffuser and the resistance of the mesh screen ensure that the fluid flow inside the diffuser is laminar. The specified mesh partition inhibits the flow and directs it to the walls of the channel. Also, this partition allows you to make the separation of the flow local, laminar, so that it does not lead to an increase in the level of pulsations in the flow, if separation does occur. Passing through the mesh septum, the fluid flow is leveled, and large ripples disappear. With this implementation, the developed device for forming laminar jets of fluid allows you to create a stream immiscible with the environment, the length of which is from 1.5 to 7 output diameters of the diffuser with Reynolds numbers from 1000 to 20,000. The length of the claimed device is 1-3 diameter of the jet which it forms. To prevent separation of the flow from the diffuser wall during its sharp expansion in the output section, a mesh partition is installed.
Предпочтительно отношение длины диффузора к диаметру его выходного сечения составляет 1:3.Preferably, the ratio of the length of the diffuser to the diameter of its output section is 1: 3.
Также предпочтительно диаметр выходного сечения диффузора больше диаметра его входного сечения по меньшей мере в два раза.It is also preferable that the diameter of the outlet cross section of the diffuser is at least twice the diameter of its inlet cross section.
Предпочтительно отношение диаметров входного и выходного сечений диффузора составляет 1:3.Preferably, the ratio of the diameters of the inlet and outlet sections of the diffuser is 1: 3.
При указанных соотношениях размеров диффузора поток текучей среды на выходе из диффузора является осесимметричным, интенсивность турбулентных пульсаций остается одинаково малой — составляет менее 0,8 % — как и после прохождения цилиндрического средства снижения турбулентности потока текучей среды.Given the ratios of the dimensions of the diffuser, the fluid flow at the outlet of the diffuser is axisymmetric, the intensity of the turbulent pulsations remains equally low — less than 0.8% —as after passing through a cylindrical means of reducing the turbulence of the fluid flow.
В одном из предпочтительных вариантов исполнения цилиндрическое средство снижения турбулентности потока текучей среды представляет собой патрубок, на входе в который установлена металлическая решетка, а за решеткой установлена втулка, на торцах которой закреплены металлические сетки. Основное назначение средства снижения турбулентности потока текучей среды — это снижение интенсивности пульсаций скорости поступающего в устройство потока текучей среды до такого уровня, при котором осуществляется ламинарное, слоистое течение. Благодаря приведенной конструкции средства снижения турбулентности, поток текучей среды выравнивается, проходя через разбивающую вихри металлическую решетку, установленную до втулки, и затем ламинаризируется, проходя через металлические сетки, установленные на втулке.In one of the preferred embodiments, the cylindrical means of reducing the turbulence of the fluid flow is a pipe, at the entrance to which a metal grill is installed, and a sleeve is installed behind the grill, at the ends of which a metal grid is fixed. The main purpose of the means of reducing the turbulence of the fluid flow is to reduce the intensity of the pulsations of the velocity of the fluid flowing into the device to a level at which a laminar, layered flow occurs. Due to the design of the turbulence reducing means, the fluid flow is leveled through a vortex-breaking metal grate installed up to the sleeve, and then laminarized through a metal mesh mounted on the sleeve.
В одном из предпочтительных вариантов реализации заявляемого изобретения металлическая решетка представляет собой гексагональную решетку с круглыми отверстиями диаметром 0,6 мм и отношением площади отверстий к площади решетки 0,8. Использование решетки с указанным профилем позволяет при прохождении её потоком текучей среды сделать входящий поток равномерным и обеспечить низкую интенсивность пульсаций в потоке.In one of the preferred embodiments of the claimed invention, the metal lattice is a hexagonal lattice with round holes with a diameter of 0.6 mm and a ratio of the area of the holes to the area of the lattice of 0.8. Using a lattice with the specified profile makes it possible to make the incoming stream uniform and ensure a low pulsation intensity in the stream when it passes through a fluid stream.
Вышеуказанные характеристики металлической решетки улучшают показатели ламинарности потока, проходящего сквозь нее.The above characteristics of the metal lattice improve the laminarity of the flow passing through it.
Целесообразной является установка втулки в центральной части цилиндрического средства снижения турбулентности потока текучей среды. При относительно небольших размерах устройства данное расположение втулки является наиболее оптимальным для увеличения эффективности снижения интенсивности турбулентности потока.It is advisable to install the sleeve in the Central part of the cylindrical means of reducing the turbulence of the fluid flow. With the relatively small dimensions of the device, this location of the sleeve is most optimal for increasing the efficiency of reducing the intensity of turbulence in the flow.
Наиболее предпочтительно устанавливать втулку на расстоянии по меньшей мере 0,25·D (D — выходной диаметр диффузора) от металлической решетки. It is most preferable to install the sleeve at a distance of at least 0.25 · D (D is the output diameter of the diffuser) from the metal grill.
Целесообразной является установка диффузора на расстоянии по меньшей мере 0,5·D от втулки, где D — выходной диаметр диффузора.It is advisable to install the diffuser at a distance of at least 0.5 · D from the sleeve, where D is the output diameter of the diffuser.
Предпочтительно длина втулки составляет по меньшей мере 0,417·D, где D — выходной диаметр диффузора.Preferably, the sleeve length is at least 0.417 · D, where D is the outlet diameter of the diffuser.
Вышеуказанные расстояния, а также длина втулки, были определены опытным путем и позволяют достичь наиболее эффективного снижения интенсивности турбулентности потока.The above distances, as well as the length of the sleeve, were determined empirically and allow us to achieve the most effective reduction in the intensity of turbulence of the flow.
Целесообразным является выполнение металлической сетки тканой.It is advisable to perform a woven metal mesh.
Предпочтительно нити тканой металлической сетки выполнить из нержавеющей стали. Такая сетка обладает такими положительными характеристиками как небольшой вес, стойкость к перепадам температур, длительный срок эксплуатации без деформаций и разрушений, что положительно влияет на эксплуатационные и технические характеристики как отдельного элемента, так и устройства в целом.Preferably, the threads of the woven metal mesh are made of stainless steel. Such a grid has such positive characteristics as light weight, resistance to temperature extremes, long life without deformation and damage, which positively affects the operational and technical characteristics of both an individual element and the device as a whole.
В одном из предпочтительных вариантов реализации тканая металлическая сетка на втулке имеет следующие характеристики: выполнена из нержавеющей стали, размер ячеек 40 мкм, диаметр нити 30 мкм. Просветность такой сетки позволяет получить требуемый уровень снижения турбулентных пульсаций.In one of the preferred embodiments, the woven metal mesh on the sleeve has the following characteristics: made of stainless steel, mesh size 40 μm, filament diameter 30 μm. The transparency of such a grid makes it possible to obtain the required level of reduction in turbulent pulsations.
В предпочтительном варианте реализации заявляемого устройства сетчатая перегородка на выходе из диффузора представляет собой группу металлических тканых сеток.In a preferred embodiment of the inventive device, the mesh screen at the outlet of the diffuser is a group of metal woven grids.
Предпочтительно металлическая тканая сетка содержит латунную сетку и нержавеющую стальную сетку.Preferably, the metal woven mesh comprises a brass mesh and a stainless steel mesh.
Также предпочтительно диаметр нити латунной сетки находится в диапазоне 0,046 – 0,054 мм, а диаметр нити нержавеющей стальной сетки — в диапазоне 0,026 – 0,034 мм.It is also preferred that the diameter of the brass wire thread is in the range of 0.046 to 0.054 mm and the diameter of the stainless steel wire thread is in the range of 0.026 to 0.034 mm.
Металлическая тканая сетка с вышеуказанными характеристиками будет являться наиболее предпочтительной для успешного создания помехи для отрыва потока от стенок диффузора и сохранять течение на выходе из него ламинарным, создавая при этом необходимый профиль скорости.A metal woven mesh with the above characteristics will be most preferable for successful interference with the flow separation from the walls of the diffuser and keep the flow at the outlet from it laminar, while creating the necessary velocity profile.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью следующих графических материалов.The invention is illustrated using the following graphic materials.
Фиг. 1 — вид спереди устройства для формирования ламинарных струй текучей среды.FIG. 1 is a front view of a device for forming laminar jets of a fluid.
Фиг. 2 — общий вид втулки.FIG. 2 - general view of the sleeve.
Фиг. 3 — безразмерный вид профиля скорости струи — зависимости скорости от радиальной координаты — в сечении струи, расположенном на расстоянии 5 мм от выхода из диффузора. FIG. 3 is a dimensionless view of the jet velocity profile — the dependence of velocity on the radial coordinate — in the jet section located at a distance of 5 mm from the exit of the diffuser.
Фиг. 4 — форма профиля канала диффузора.FIG. 4 is a profile form of a diffuser channel.
Фиг. 5 — результаты термоанемометрических измерений профилей скорости в потоке на расстоянии 5 мм от выхода из устройства для различных скоростных режимов.FIG. 5 - the results of hot-wire measurements of velocity profiles in the stream at a distance of 5 mm from the exit of the device for various speed modes.
Фиг. 6 — результаты термоанемометрических измерений пульсаций скорости в потоке на расстоянии 5 мм от выхода из устройства для различных скоростных режимов.FIG. 6 - the results of hot-wire measurements of velocity pulsations in the stream at a distance of 5 mm from the output of the device for various speed modes.
Фиг. 7 — зависимость длины ламинарного участка струи от числа Рейнольдса.FIG. 7 - dependence of the length of the laminar section of the jet on the Reynolds number.
Фиг. 8 — результаты термоанемометрических измерений профилей скорости в потоке на расстояниях, соответствующих длинам ламинарных участков на данных скоростных режимах.FIG. 8 shows the results of hot-wire measurements of velocity profiles in a stream at distances corresponding to the lengths of laminar sections at given speed conditions.
Фиг. 9 – результаты термоанемометрических измерений пульсаций скорости в потоке на расстояниях, соответствующих длинам ламинарных участков на данных скоростных режимах.FIG. 9 - the results of hot-wire measurements of velocity pulsations in the stream at distances corresponding to the lengths of laminar sections at these speed modes.
Фиг. 10 — лазерная визуализация ламинарной струи до перехода к турбулентности.FIG. 10 - laser visualization of the laminar jet before the transition to turbulence.
Фиг. 11 — лазерная визуализация ламинарной струи до перехода к турбулентности.FIG. 11 - laser visualization of the laminar jet before the transition to turbulence.
На фиг. 1 представлен вид спереди устройства для формирования ламинарных струй текучей среды, включающего впускной канал 1, цилиндрическое средство снижения турбулентности потока текучей среды, представляющее собой патрубок 2 с установленными в нём решеткой 3 и втулкой 4, диффузор 5 с сетчатой перегородкой 6 на выходе.In FIG. 1 is a front view of a device for forming laminar jets of a fluid including an
На фиг. 2 представлен общий вид втулки 4, на торцах которой закреплены металлические сетки 7.In FIG. 2 shows a General view of the
На фиг. 3 показан безразмерный вид наиболее предпочтительного профиля скорости на выходе из устройства. U — скорость в данной точке. Umax — скорость на оси струи, r — координата, отсчитываемая вдоль радиуса струи от её центра, R — радиус струи (выходного сечения диффузора).In FIG. 3 shows a dimensionless view of the most preferred velocity profile at the outlet of the device. U is the speed at a given point. U max is the velocity on the axis of the jet, r is the coordinate measured along the radius of the jet from its center, R is the radius of the jet (output section of the diffuser).
На фиг. 4 представлена геометрическая форма профиля канала диффузора. Эта форма, очерчиваемая гиперболой, и значение сопротивления сетчатой перегородки на выходе из диффузора подбираются варьированием для данного числа Рейнольдса струи так, чтобы внутри диффузора не происходил отрыв потока от стенки (либо, если отрыв все-таки происходит, чтобы он был локальным, ламинарным, не приводящим к росту уровня пульсаций в потоке) и безразмерный вид профиля скорости был близок к виду, показанному на фиг. 3. In FIG. 4 shows the geometric shape of the profile of the diffuser channel. This shape, outlined by a hyperbola, and the resistance value of the mesh screen at the outlet of the diffuser are selected by varying for a given Reynolds number of the jet so that there is no flow separation from the wall inside the diffuser (or, if the separation nevertheless occurs, so that it is local, laminar, not leading to an increase in the level of pulsations in the flow) and the dimensionless form of the velocity profile was close to that shown in FIG. 3.
На фиг. 5 представлены результаты термоанемометрических измерений профилей скорости на расстоянии 5 мм от выхода из устройства при различных скоростных режимах (различных числах Рейнольдса Re=(ρ∙D∙vav)/μ, где ρ, μ — плотность и динамический коэффициент вязкости воздуха, D — диаметр струи (то же, что диаметр выходного сечения диффузора), vav — средняя по сечению скорость струи). In FIG. Figure 5 presents the results of hot-wire anemometric measurements of velocity profiles at a distance of 5 mm from the exit from the device at various speed conditions (different Reynolds numbers Re = (ρ ∙ D ∙ v av ) / μ, where ρ, μ is the density and dynamic coefficient of viscosity of air, D - jet diameter (the same as the diameter of the outlet cross section of the diffuser), v av is the average jet velocity over the cross section).
На фиг. 6 приведены результаты термоанемометрических измерений профилей пульсаций скорости на расстоянии 5 мм от выхода из устройства для тех же скоростных режимов (различных чисел Рейнольдса Re=(ρ∙D∙vav)/μ, где ρ, μ — плотность и динамический коэффициент вязкости воздуха, D — диаметр струи (то же, что диаметр выходного сечения диффузора), vav — средняя по сечению скорость струи).In FIG. Figure 6 shows the results of hot-wire measurements of velocity pulsation profiles at a distance of 5 mm from the device exit for the same speed modes (different Reynolds numbers Re = (ρ ∙ D ∙ v av ) / μ, where ρ, μ is the density and dynamic coefficient of air viscosity, D is the jet diameter (the same as the diameter of the outlet cross section of the diffuser), v av is the average jet velocity over the cross section).
На фиг. 7 представлена зависимость длины ламинарного участка струи от числа Рейнольдса для одного из вариантов реализации устройства. Длина ламинарного участка Llam отложена вдоль оси ординат в безразмерном виде — отнесена к диаметру струи D, равному для данного варианта реализации устройства 120 мм.In FIG. 7 shows the dependence of the length of the laminar portion of the jet on the Reynolds number for one embodiment of the device. The length of the laminar section L lam is plotted along the ordinate axis in a dimensionless form - assigned to the jet diameter D equal to 120 mm for this embodiment of the device.
На фиг. 8 представлены результаты термоанемометрических измерений профилей скорости для семи рассмотренных на фиг. 5 и фиг. 6 скоростных режимов. Расстояние, на котором для каждого скоростного режима измерены профили скорости и пульсаций, соответствует длине ламинарного участка струи для данного режима (данного числа Рейнольдса).In FIG. 8 shows the results of hot-wire measurements of velocity profiles for the seven considered in FIG. 5 and FIG. 6 speed modes. The distance at which the velocity and ripple profiles are measured for each speed mode corresponds to the length of the laminar section of the jet for this mode (given Reynolds number).
На фиг. 9 представлены результаты термоанемометрических измерений пульсаций скорости для семи рассмотренных на фиг. 5 и 6 скоростных режимов. Расстояние, на котором для каждого скоростного режима измерены профили пульсаций скорости, соответствует длине ламинарного участка струи для данного режима (данного числа Рейнольдса).In FIG. 9 shows the results of hot-wire measurements of velocity pulsations for the seven considered in FIG. 5 and 6 speed modes. The distance at which the velocity pulsation profiles were measured for each speed mode corresponds to the length of the laminar section of the jet for this mode (a given Reynolds number).
На фиг. 10 представлена лазерная визуализация ламинарной струи до перехода к турбулентности. Длина ламинарного участка Llam составляет ~ 5,5 диаметров струи (т.е. Llam = 660 мм при варианте реализации устройства с выходным диаметром диффузора D=120 мм). Визуализация выполнена с помощью засеяния входного потока жидкими частицами водно-глицериновой смеси и подсветки струи в плоскости оси с помощью лазерного светового ножа. Число Рейнольдса струи на данной фотографии равно 7240.In FIG. 10 shows laser visualization of a laminar jet before transition to turbulence. The length of the laminar section L lam is ~ 5.5 jet diameters (i.e., L lam = 660 mm with a device embodiment with an output diffuser diameter D = 120 mm). Visualization was performed by sowing the input stream with liquid particles of a water-glycerin mixture and highlighting the jet in the axis plane with a laser light knife. The Reynolds number of the jet in this photograph is 7240.
На фиг. 11 представлена лазерная визуализация участка струи до перехода к турбулентности, когда длина ламинарного участка составляет 7 диаметров струи, т.е. 840 мм (вариант реализации устройства, при котором для данного режима — Re = 10100 — профиль канала диффузора таков, что не происходит локальный ламинарный отрыв внутри диффузора).In FIG. 11 shows a laser visualization of the jet section prior to the transition to turbulence, when the length of the laminar section is 7 jet diameters, i.e. 840 mm (an embodiment of the device in which for this mode — Re = 10100 — the profile of the diffuser channel is such that there is no local laminar separation inside the diffuser).
Для измерения поля скорости потока текучей среды использован термоанемометр DISA 56C01 CTA, сигнал с которого передавался на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и обрабатывался. Скорость и турбулентные пульсации измерены проволочными датчиками малого размера Dantec Dynamics 55P11, закрепленными на устройстве перемещения. Длина нити датчика составляла 1,25 мм, а толщина — 5 мкм. Для калибровки датчика измерена зависимость напряжения сигнала термоанемометра от скорости потока текучей среды в месте установки датчика. Поток текучей среды создан с помощью калибровочной установки 55D41/42 измерительного комплекса DISA. При этом скорость потока была определена с помощью наклонного спиртового дифференциального манометра G1634, измеряющего перепад давления между входом в сужающуюся часть сопла и измерительной областью. Чувствительность манометра — 0,0125 мм водяного столба. Для расчета скорости использованы формулы, приведенные в описании калибровочной установки. Так, для скоростей меньших 50 м/с To measure the field of the fluid flow rate, a DISA 56C01 CTA hot-wire anemometer was used, the signal from which was transmitted to an analog-to-digital converter (ADC) and processed. Velocity and turbulent pulsations are measured with small-sized Dantec Dynamics 55P11 wire gauges mounted on a moving device. The sensor thread was 1.25 mm long and 5 μm thick. To calibrate the sensor, the dependence of the signal voltage of the hot-wire anemometer on the flow rate of the fluid at the installation location of the sensor was measured. The fluid flow was created using the calibration installation 55D41 / 42 of the DISA measuring complex. In this case, the flow rate was determined using an inclined alcohol differential pressure gauge G1634, which measures the pressure drop between the entrance to the tapering part of the nozzle and the measuring region. The sensitivity of the pressure gauge is 0.0125 mm water column. To calculate the speed, the formulas used are those given in the description of the calibration setup. So, for speeds less than 50 m / s
где U — скорость потока воздуха в м/с, g — ускорение свободного падения в м/с2,
Полученная зависимость с помощью метода наименьших квадратов с погрешностью в доли процента аппроксимирована аналитической функцией, после чего найдена обратная зависимость, связывающая напряжение сигнала термоанемометра со скоростью. Точность последующих измерений определялась точностью измерения скорости по показаниям дифференциального манометра при тарировке и при скорости на уровне 2 м/с составляла 3–4 %. Поскольку погрешность вызвана главным образом погрешностью тарировки датчика, она систематическая для каждой серии измерений. В результате погрешность измерения относительных пульсаций скорости на порядок меньше приведенных выше значений. Визуализация струи выполнена с помощью светоотражающих частиц, лазера KLM-532/h-5000 и видеокамеры. The obtained dependence using the least squares method with an error of a fraction of a percent is approximated by an analytical function, after which an inverse relationship is found that relates the voltage of the signal of the hot-wire anemometer to speed. The accuracy of subsequent measurements was determined by the accuracy of measuring the speed according to the readings of the differential pressure gauge at calibration and at a speed of 2 m / s was 3-4%. Since the error is mainly caused by the calibration error of the sensor, it is systematic for each series of measurements. As a result, the error in measuring relative velocity pulsations is an order of magnitude smaller than the above values. The jet was visualized using reflective particles, a KLM-532 / h-5000 laser, and a video camera.
Заявляемое изобретение реализуется следующим образом.The claimed invention is implemented as follows.
В качестве цилиндрического средства снижения турбулентности потока текучей среды используют патрубок 2, на входе в который устанавливают металлическую решетку 3, а за решеткой устанавливают втулку 4, на торцах которой закрепляют металлические сетки 7. Установку металлической решетки 3, втулки 4 и закрепление металлических сеток 7 производят любым удобным и технологически возможным способом. Металлические сетки 7, натянутые на втулку 4, выполняют из нержавеющей стали. Металлическая решетка 3 представляет собой гексагональную решетку с круглыми отверстиями. Далее к патрубку 2 присоединяют диффузор 5, расширяющийся на длине одного своего входного диаметра приблизительно в три раза. Диффузор 5 присоединяют к патрубку 2 любым удобным и технологически возможным способом. На выходе из диффузора 5 устанавливают сетчатую перегородку 6. Также возможен вариант реализации, при котором возможна установка нескольких сетчатых перегородок (на фиг. 1 не показан). Текучую среду, например, воздух, подают в устройство по впускному каналу 1. Устройство устанавливают на различных высокоточных производствах, например, медицинском или техническом, для организации газодинамических завес, создающих области с заданными свойствами по чистоте и составу внутри другой газовой среды.As a cylindrical means of reducing the turbulence of the fluid flow, a
Таким образом, заявляемое изобретение, благодаря своему конструктивному исполнению, уменьшает турбулентные пульсации в потоке и формирует начальный профиль скорости струи, что позволяет создать затопленные струи, максимальная длина ламинарных участков которых достигает от 5,5 до 7 диаметров струи, при этом заявленное изобретение характеризуется компактностью и простотой реализации.Thus, the claimed invention, due to its design, reduces turbulent pulsations in the flow and forms an initial jet velocity profile, which allows you to create flooded jets, the maximum length of the laminar sections of which reaches from 5.5 to 7 jet diameters, while the claimed invention is compact and ease of implementation.
Claims (20)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018105755A RU2681618C1 (en) | 2018-02-15 | 2018-02-15 | Compact device for the formation of laminar jets of a flow medium |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018105755A RU2681618C1 (en) | 2018-02-15 | 2018-02-15 | Compact device for the formation of laminar jets of a flow medium |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2681618C1 true RU2681618C1 (en) | 2019-03-11 |
Family
ID=65806153
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018105755A RU2681618C1 (en) | 2018-02-15 | 2018-02-15 | Compact device for the formation of laminar jets of a flow medium |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2681618C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU200774U1 (en) * | 2020-02-05 | 2020-11-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Ламинарные струи" | INSTALLATION FOR CREATION OF A LOCAL CLEAN ZONE WITH A POSITIONING VECTOR OF ACTION |
| RU206604U1 (en) * | 2021-03-01 | 2021-09-17 | Всеволод Олегович Бондарев | COMPACT UNIT FOR CREATING A FLAT LOCAL CLEAN ZONE |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1790558A3 (en) * | 1991-05-05 | 1993-01-23 | Koзюk Oлeг Bячecлabobич | Cavitation reactor |
| US5213260A (en) * | 1991-07-03 | 1993-05-25 | Steven Tonkinson | Nozzle for producing laminar flow |
| RU2207449C2 (en) * | 2000-08-23 | 2003-06-27 | Сергей Борисович Осипенко | Device for acting onto flow of fluid medium |
| US8959900B2 (en) * | 2012-03-26 | 2015-02-24 | GM Global Technology Operations LLC | Exhaust aftertreatment system for internal combustion engine |
| EA026634B1 (en) * | 2009-09-17 | 2017-04-28 | Компани Женераль Дез Этаблиссман Мишлен | OBTAINING COMPOSITION MATERIAL BASED ON LATEX COAGULATE FOR TIRE MATERIAL COMPOSITION |
-
2018
- 2018-02-15 RU RU2018105755A patent/RU2681618C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1790558A3 (en) * | 1991-05-05 | 1993-01-23 | Koзюk Oлeг Bячecлabobич | Cavitation reactor |
| US5213260A (en) * | 1991-07-03 | 1993-05-25 | Steven Tonkinson | Nozzle for producing laminar flow |
| RU2207449C2 (en) * | 2000-08-23 | 2003-06-27 | Сергей Борисович Осипенко | Device for acting onto flow of fluid medium |
| EA026634B1 (en) * | 2009-09-17 | 2017-04-28 | Компани Женераль Дез Этаблиссман Мишлен | OBTAINING COMPOSITION MATERIAL BASED ON LATEX COAGULATE FOR TIRE MATERIAL COMPOSITION |
| US8959900B2 (en) * | 2012-03-26 | 2015-02-24 | GM Global Technology Operations LLC | Exhaust aftertreatment system for internal combustion engine |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU200774U1 (en) * | 2020-02-05 | 2020-11-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Ламинарные струи" | INSTALLATION FOR CREATION OF A LOCAL CLEAN ZONE WITH A POSITIONING VECTOR OF ACTION |
| RU206604U1 (en) * | 2021-03-01 | 2021-09-17 | Всеволод Олегович Бондарев | COMPACT UNIT FOR CREATING A FLAT LOCAL CLEAN ZONE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3838598A (en) | Capillary flow meter | |
| EP3745095A1 (en) | Throttling component and rectification and flow measurement device | |
| Güzel et al. | Observation of laminar–turbulent transition of a yield stress fluid in Hagen–Poiseuille flow | |
| JPH02263117A (en) | Flowmeter | |
| RU2681618C1 (en) | Compact device for the formation of laminar jets of a flow medium | |
| JP2016531302A (en) | Reduced-diameter fitting flow meter with lunge | |
| Ismail et al. | Experimental evaluation for the feasibility of test chamber in the open-loop wind tunnel | |
| Wong et al. | Phase-averaged velocity in a fluidic precessing jet nozzle and in its near external field | |
| US4040293A (en) | Fluid flow measuring device | |
| CN109724764B (en) | Experimental device and method for evaluating wind tunnel flow field noise | |
| EP2971802A2 (en) | Eliminating turbulence in wall-bounded flows by distorting the flow velocity distribution in a direction perpendicular to the wall | |
| Huang et al. | Flow and mixing characteristics of swirling double-concentric jets subject to acoustic excitation | |
| Noui-Mehidi et al. | Velocity distribution downstream of an asymmetric wide-angle diffuser | |
| Kuo et al. | The formation of elliptical wakes | |
| Grandchamp et al. | Near field round jet flow downstream from an abrupt contraction nozzle with tube extension | |
| RU2157975C2 (en) | Portable device for local measurement of pressure | |
| Daubner et al. | Experimental investigation of five parallel plane jets with variation of Reynolds number and outlet conditions | |
| Lee et al. | Low kinetic-energy loss oscillating-triangular-jet nozzles | |
| CN110388972A (en) | Non-equal-diameter ultrasonic flowmeter series verification device and method | |
| CN105115549A (en) | Large-diameter multi-throat flow meter | |
| Noui-Mehidi et al. | Velocity distribution in an asymmetric diffuser with perforated plates | |
| RU200774U1 (en) | INSTALLATION FOR CREATION OF A LOCAL CLEAN ZONE WITH A POSITIONING VECTOR OF ACTION | |
| CN1595071A (en) | Detachable combined dynamic pressure for flow and pressure measurement | |
| RU206604U1 (en) | COMPACT UNIT FOR CREATING A FLAT LOCAL CLEAN ZONE | |
| Peixinho | Flow in a slowly divergent pipe section |