Восходящие закрученные потоки воздуха при вертикальном продуве

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Восходящие закрученные потоки воздуха при вертикальном продуве — разновидность искусственных вихрей, формирующихся при вертикальном откачивании воздуха через трубу. Изучаются как лабораторная модель природных вращающихся атмосферных образований — торнадо и тропических циклонов — а также как физическая основа технологии вихревого энергогенератора.[1][2]

Механизм образования вихря[править]

Файл:Схема вихря.png
Рис. 1. Схема возникновения спиральных траекторий частиц воздуха в восходящем закрученном потоке при вертикальном продуве

При вертикальном продуве через трубу вентилятор вытяжного действия создаёт ток воздуха снизу вверх. Из-за разрежения у основания трубы окружающий воздух течёт радиально к центру. Под действием силы Кориолиса радиальный поток отклоняется и приобретает вращательную составляющую, постепенно формируя устойчивый восходящий вихрь с пониженным давлением в центре.[1][3]

Механизм включает четыре последовательных этапа:

  1. Воздух поднимается вверх через трубу (вертикальный сток).
  2. Окружающий воздух течёт радиально к центру трубы.
  3. Под действием силы Кориолиса радиальный поток отклоняется и закручивается.
  4. Формируется вращающаяся область с пониженным давлением в центре.

Численное моделирование[править]

Для описания течения используется полная система уравнений Навье — Стокса для сжимаемого вязкого теплопроводного газа с учётом силы тяжести и силы Кориолиса.[4][5] Расчёты проводятся в прямоугольной области под устьем трубы; начальное состояние соответствует «спокойной атмосфере», в которой плотность и температура убывают с высотой.

Файл:Расчётная область.png
Рис. 2. Расчётная область под трубой при численном моделировании восходящего вихря

Вертикальный продув задаётся как нарастание вертикальной скорости во времени по экспоненциальному закону до заданного максимума. По результатам моделирования получены поля давления, плотности, температуры и скорости, демонстрирующие:[2][5]

  • формирование воронки пониженного давления и плотности в центре потока;
  • рост вертикальной и окружной скоростей при увеличении скорости продува;
  • выход течения на квазистационарный режим.

Поля давления и плотности[править]

Файл:Ранняя и поздняя стадии.png
Рис. 3. Поле давления в расчётной области на начальном этапе моделирования
Файл:Три временных момента.png
Рис. 4. Поле давления в расчётной области на более позднем этапе

Расчёты показывают, что при нарастании скорости продува в центральной части области формируется характерная воронка пониженного давления и плотности, аналогичная структуре природного торнадо.[4][3]

Поля температуры[править]

Файл:Поля температуры.png
Рис. 5. Распределение температуры в расчётной области
Файл:Поля температуры 2.png
Рис. 6. Распределение температуры при развитом вихре — охлаждение в центре потока
Файл:Три временных момента 3.png
Рис. 7. Распределение температуры на квазистационарной стадии

Поля температуры демонстрируют охлаждение воздуха в осевой зоне вихря, характерное для восходящих атмосферных потоков.[6][2]

Поля скорости[править]

Файл:Горизонтальная (3 шага) + вертикальная.png
Рис. 8. Поле горизонтальной и вертикальной скорости воздуха в расчётной области

Анализ полей скоростей подтверждает, что закрутка в придонной части сохраняется заметное время даже после прекращения стока; при этом увеличение скорости продува приводит к пропорциональному росту окружной скорости.[7][8]

Кинетическая энергия потока[править]

Файл:Кинетическая энергия.png
Рис. 9. Временна́я эволюция кинетической энергии потока и её составляющих

Графики кинетической энергии и её составляющих показывают нарастание энергии вращательного движения по мере развития вихря, а также выход на квазистационарный режим, при котором вращательная составляющая стабилизируется на уровне, сопоставимом с поступательной.[5][2]

Лабораторные эксперименты[править]

Экспериментальное подтверждение возможности создания закрученного силой Кориолиса потока воздуха было получено в ряде работ.[7][8] Эксперименты проводились в нескольких сериях — в помещениях и на открытой площадке — с трубами различной длины и поперечного сечения. Во всех схемах применялся вентилятор вытяжного действия, создающий вертикальный сток воздуха снизу вверх. Измерялись скорости воздуха в придонной области и внутри трубы.

Во всех случаях регистрировалась устойчиво положительная закрутка потока — против часовой стрелки в Северном полушарии, — передающаяся из придонного слоя в восходящую часть.[7][8] Результаты хорошо согласуются с данными численного моделирования.[3][6]

Основные выводы экспериментов:

  • закрученный поток является трёхмерным и нестационарным, однако его средние характеристики достаточно стабильны;
  • увеличение скорости вертикального продува приводит к росту окружной скорости воздуха;
  • закрутка в придонной части сохраняется заметное время даже после прекращения стока.

Энергетический потенциал[править]

Сопоставление расчётных и экспериментальных данных показывает, что при диаметре трубы продува не менее 5 м и скорости порядка 15–20 м/с энергия вращательного движения воздуха может превышать половину полной кинетической энергии потока.[9][2] Это рассматривается исследователями как важное условие эффективного использования искусственного вихря в вихревом энергогенераторе.

Связь с природными явлениями[править]

По своим физическим свойствам восходящие закрученные потоки при вертикальном продуве аналогичны природным вихрям: торнадо, смерчу и тропическим циклонам.[1][10] Принципиальное отличие состоит в том, что лабораторный вихрь создаётся в контролируемых условиях и допускает систематическое изменение параметров — скорости продува, диаметра трубы, высоты установки.[3][8]

Примечания[править]

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Баутин С. П. Торнадо и сила Кориолиса. — Новосибирск: Наука, 2008. — 80 с.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 Баутин С. П., Крутова И. Ю., Обухов А. Г. Газодинамическая теория восходящих закрученных потоков. — Екатеринбург: УрГУПС, 2020. — 399 с.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 Баутин С. П., Крутова И. Ю., Обухов А. Г., Баутин К. В. Разрушительные атмосферные вихри: теоремы, расчёты, эксперименты. — Новосибирск; Екатеринбург: Наука; УрГУПС, 2013. — 216 с.
  4. ↑ 4,0 4,1 Баутин С. П., Обухов А. Г. Математическое моделирование разрушительных атмосферных вихрей. — Новосибирск: Наука, 2012. — 152 с.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 Баутин С. П., Обухов А. Г. Численное моделирование трёхмерных нестационарных течений сжимаемого вязкого теплопроводного газа. — Екатеринбург: УрГУПС, 2020. — 287 с.
  6. ↑ 6,0 6,1 Баутин С. П., Крутова И. Ю. Аналитическое и численное моделирование течений газа при учёте действия силы Кориолиса. — Екатеринбург: УрГУПС, 2019. — 182 с.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 Баутин К. В., Баутин С. П., Макаров В. В. Экспериментальное подтверждение возможности создания потока воздуха, закрученного силой Кориолиса // Вестник УрГУПС. — 2013. — № 2 (18). — С. 27—33.
  8. ↑ 8,0 8,1 8,2 8,3 Баутин С. П., Макаров В. В. Создание потока воздуха, закрученного силой Кориолиса при использовании трубы двухметрового диаметра // Вестник УрГУПС. — 2016. — № 4 (32). — С. 39—45.
  9. ↑ Баутин С. П., Дерябин С. Л., Крутова И. Ю., Обухов А. Г. Разрушительные атмосферные вихри и вращение Земли вокруг своей оси. — Екатеринбург: УрГУПС, 2017. — 336 с.
  10. ↑ Баутин С. П., Замыслов В. Е., Обухов А. Г. Численное моделирование разрушения тропического циклона внешним воздействием с разумными энергетическими характеристиками // Вестник национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». — 2021. — том 10. — № 6. — С. 550—557.

Литература[править]

  • Баутин С. П. Торнадо и сила Кориолиса. — Новосибирск: Наука, 2008. — 80 с.
  • Баутин С. П., Обухов А. Г. Математическое моделирование разрушительных атмосферных вихрей. — Новосибирск: Наука, 2012. — 152 с.
  • Баутин С. П., Крутова И. Ю., Обухов А. Г., Баутин К. В. Разрушительные атмосферные вихри: теоремы, расчёты, эксперименты. — Новосибирск; Екатеринбург: Наука; УрГУПС, 2013. — 216 с.
  • Баутин С. П., Дерябин С. Л., Крутова И. Ю., Обухов А. Г. Разрушительные атмосферные вихри и вращение Земли вокруг своей оси. — Екатеринбург: УрГУПС, 2017. — 336 с.
  • Баутин С. П., Крутова И. Ю. Аналитическое и численное моделирование течений газа при учёте действия силы Кориолиса. — Екатеринбург: УрГУПС, 2019. — 182 с.
  • Баутин С. П., Обухов А. Г. Численное моделирование трёхмерных нестационарных течений сжимаемого вязкого теплопроводного газа. — Екатеринбург: УрГУПС, 2020. — 287 с.
  • Баутин С. П., Крутова И. Ю., Обухов А. Г. Газодинамическая теория восходящих закрученных потоков. — Екатеринбург: УрГУПС, 2020. — 399 с.
  • Баутин К. В., Баутин С. П., Макаров В. В. Экспериментальное подтверждение возможности создания потока воздуха, закрученного силой Кориолиса // Вестник УрГУПС. — 2013. — № 2 (18). — С. 27—33.
  • Баутин С. П., Макаров В. В. Создание потока воздуха, закрученного силой Кориолиса при использовании трубы двухметрового диаметра // Вестник УрГУПС. — 2016. — № 4 (32). — С. 39—45.
  • Баутин С. П., Замыслов В. Е., Обухов А. Г. Численное моделирование разрушения тропического циклона внешним воздействием с разумными энергетическими характеристиками // Вестник национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». — 2021. — том 10. — № 6. — С. 550—557.

См. также[править]

Нет категорий
В этой статье не проставлены тематические категории.
Вы можете помочь проекту, найдя их или создав новые, а потом добавив их в статью.
Источник — http://cyclowiki.org/w/index.php?title=Восходящие_закрученные_потоки_воздуха_при_вертикальном_продуве&oldid=2605692