Passive methods of coherent vortical structures control in vortex chambers. Part 1. Spectral evaluation of efficiency

Володимир Миколайович Турик, Віктор Олександрович Кочін

Abstract


Background. Investigation of the limited flow structure and possibilities of its control in vortex chambers as elements of power units and manufacturing machinery for its working processes optimal setting.

Objective. The quest of more perfect methods of control by energy carrying coherent vortical structures (ECVS) that have essential influence on processes of mass, momentum and energy transfer in swirling flows and therefore determine the efficiency of installation work.

Methods. The frequency-spatial regions of ECVS, in which the correct statistical analysis of directed actions on its by artificial disturbing eddy formations is possible, are determined by means of visualization and hot-wire measuring of kinematic characteristics of wall current in the test vortex chamber. The disturbing eddy formations are generated in rectangular groove or in three hemispherical dimples of defined dimensions which are built directly in intake nozzle of chamber with adherence to necessary conditions of mutual susceptibility of vortical structures. Numerical processing of measured signals was carried out by fast Fourier transform algorithm.

Results. Small by energy controlling actions to input flow cause substantial rise of power spectral density of velocity fluctuations on the most energy carrying frequencies – approximately in 2–11.5 times depending on eddy-generator type and frequency band, including the “transfer” of energy density to the most large-scale eddy components of ECVS. This fact detects in ECVS all signs of typical open nonlinear dynamical system: existence of resonant modes with sharpening, when the energy feed from controlling vortices and its equiphase perception by Görtler-Ludwieg vortices take place not on full mode spectrum, but selectivity, only for certain harmonic components.

Conclusions. It has been proved experimentally the possibility of effective and low-powered control by macro- and microstructure of swirling flows. It opens the perspective of elaboration of new in principle methods for intensification of the transportable substances transfer in cylinders of internal-combustion engines, in vortex burners, combustors, chambers of rocket engines, furnaces, plasmatrons, mixers, chemical reactors, nuclear power plants etc.


Keywords


Coherent vortical structures; Control; Vortex chamber; Hot-wire measurements; Probability density distribution; Vortices mutual susceptibility;Power spectral density of velocity fluctuations

References


H. Schlichting, Theory of Boundary Layer. Moscow, Russia: Nauka, 1974, 712 p. (in Russian).

Ye.I. Nikiforovich, “Asymptotic space-time properties of boundary layers over curved surfaces”, Prykladna Hidromekhanika, vol. 1(73), no. 1, pp. 38–51, 1999 (in Russian).

A.A. Khalatov et al., Heat Transfer and Fluid Flow in the Fields of Centrifugal Forces, vol. 3, Swirling Flows. Kyiv, Ukraine: Institute of Engineering Thermophysics of National Academy of Sciences of Ukraine, 2000, 474 p. (in Russian).

P.A. Eibeck and J.K. Eaton, “Heat transfer effects of a longitudinal vortex embedded in a turbulent boundary layer”, Tep­lo­peredacha, no. 1, pp. 14–24, 1987, (in Russian).

A. Hupta et al., Swirling Flows. Moscow, USSR: Mir, 1987, 588 p. (in Russian).

Ye.P. Suhovich, “Turbulent mixing of swirling jets”, Izvestija Akademii Nauk Latvijskoj SSR. Ser. Fizicheskih i Tehnicheskih Nauk, no. 1, pp. 72–80, 1982 (in Russian).

A.V. Sudarev and V.A. Mayev, Combustion Chambers of Gas Turbine Installations. Leningrad, USSR: Nedra, 1990, 274 p. (in Russian).

M.A. Goldshtick, Swirling Flows. Novosibirsk, USSR: Nauka, Siberian Branch, 1981, 366 p. (in Russian).

S.S. Kutateladze et al., Aerodynamics and Heat and Mass Exchange in Bounded Vortex Flows. Novosibirsk, Institute of Thermophysics, Academy of Sciences of the USSR, Siberian Branch, 1987, 283 p. (in Russian).

R.A. Makarenko and V.N. Turick, “Kinematics of flow in a dead end part of a vortex chamber”, Int. J. Fluid Mechanics Res., vol. 31, no. 3, pp. 299–306, 2004.

V.N. Turick, “Coherent vortical structures in bounded swirling flows”, Visnyk Cherkas'koho Derzhavnoho Tekhnolohichnoho Universytetu, no. 2, pp. 58–67, 2004 (in Russian).

V.V. Babenko and V.N. Turick, “Breadboard model of flow in the vortex chamber”, Prykladna Hidromekhanika, vol. 10(82), no. 3, pp. 3–19, 2008 (in Russian).

U.T. Bödewadt, “Die Drehströmung über festem Grund”, Z. Angew. Math. Mech., no. 20, ss. 241–253, 1940.

V.A. Kochin and V.N. Turick, “Methodical features of the hot-wire experimental investigation of flow structure in vortex chamber”, Vestnik NTUU “KPI”. Mashinostroenie, no. 47, pp. 54–57, 2005 (in Russian).

V.I. Subbotin et al., Hydrodynamics and Heat Transfer in Nuclear Powerful Equipment (Foundation of Calculations). Moscow, USSR: Atomizdat, 1974, 408 p. (in Russian).

V.V. Babenko et al., “The method of control by flows mixing intensity in vortex chamber”, UA Patent 55789, Dec. 27, 2009 (in Ukrainian).

V.N. Turick et al., “Velocities in boundary layer over the plate with semicylindrical dimple”, Naukovi Visti NTUU “KPI”, no. 4, pp. 46–54, 2008 (in Russian).

V.V. Babenko et al., “Vortices generation in local dimples”, Visnyk Donets'koho Natsional'noho Universytetu. Ser. A. Pryrodnychi Nauky, no. 2, pp. 33–40, 2009 (in Russian).

V.V. Babenko et al., “Visualization of flow nearly hemispherical dimples”, Prykladna Hidromekhanika, vol. 12(84), no. 4, pp. 3–25, 2010 (in Russian).

J. Bendat and A. Piersol, Random Data. Moscow, USSR: Mir, 1989, 540 p. (in Russian).

V.P. Starr, Physics of Negative Viscosity Phenomena. Moscow, USSR: Mir, 1971, 261 p. (in Russian).

V.S. Anishchenko, Introduction to Nonlinear Dynamics. Moscow, Izhevsk, Russia: Institute of Computer Researches, 2002, 144 p. (in Russian).

Yu.L. Klimontovich, Turbulent Motion and Structure of Chaos. Moscow, USSR: Nauka, 1990, 320 p. (in Russian).

Ye.N. Knyazeva and S.P. Kurdyumov, Basis of Synergetics. Synergetic World Outlook. Moscow, Russia: Komkniga, 2005, 240 p. (in Russian).

L.G. Loitsyansky, Mechanics of Fluid and Gas. Moscow, USSR: Nauka, 1987, 840 p. (in Russian).


GOST Style Citations


  1. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Пер. с нем. – М.: Наука, 1974. – 712 с.
      
  2. Никифорович Е.И. Асимптотические пространственно-временные свойства пограничных слоев над искривленными поверхностями // Прикладна гідромеханіка. – 1999. – 1(73), № 1. – С. 38–51.
     
  3. Халатов А.А., Авраменко А.А., Шевчук И.В. Теплообмен и гидродинамика в полях центробежных массовых сил. Т. 3. Закрученные потоки. – К.: Ин-т техн. теплофизики НАН Украины, 2000. – 474 с.
     
  4. Эйбек П., Итон Дж. Влияние продольного вихря, погруженного в турбулентный пограничный слой, на теплообмен //  Теплопередача. – 1987. – № 1. – С. 14–24.
     
  5. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки / Пер. с англ. – М.: Мир, 1987. – 588 с.
     
  6. Сухович Е.П. Турбулентное смешение ограниченных закрученных струй // Изв. АН Латв. ССР. Сер. физич. и техн. наук. – 1982. – № 1. – С. 72–80.
     
  7. Сударев А.В., Маев В.А. Камеры сгорания газотурбинных установок. Интенсификация горения. – Л.: Недра, 1990. – 274 с.

  8. Гольдштик М.А. Вихревые потоки. – Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1981. – 366 с.
     
  9. Кутателадзе С.С., Волчков Э.П., Терехов В.И. Аэродинамика и тепломассообмен в ограниченных вихревых потоках. – Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1987. – 282 с.
     
  10. Makarenko R.A., Turick V.N. Kinematics of flow in a dead end part of a vortex chamber // Int. J. Fluid Mechanics Res. – 2004. – 31, № 3. – P. 299–306.
     
  11. Турик В.Н. Когерентные вихревые структуры в ограниченных закрученных потоках // Вісник Черкаського держ. тех­нологічного ун-ту. – 2004. – № 2. – С. 58–67.
     
  12. Бабенко В.В., Турик В.Н. Макет вихревых структур при течении потока в вихревой камере // Прикладна гідромеханіка. – 2008. – 10(82), № 3. – С. 3–19.
     
  13. Bödewadt U.T. Die drehströmung über festem grund // Z. Angew. Math. Mech. – 1940. – № 20. – S. 241–253.
     
  14. Кочин В.А., Турик В.Н. Особенности методики проведения термоанемометрического эксперимента при исследовании структуры течений в вихревой камере // Вестник НТУУ “КПИ”. Машиностроение. – 2005. – Вып. 47. – С. 54–57.
     
  15. Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках (основы расчета) / В.И. Субботин, М.Х. Ибрагимов, П.А. Ушаков и др. – М.: Атомиздат, 1974. – 408 с.
     
  16. Спосіб керування інтенсивністю змішування потоків у вихровій камері: Пат. 55789, Україна, МПК (2009) B01F 5/00, F15D 1/00 / В.В. Бабенко, В.М. Турик, Д.Є. Мілюков; заявник і патентовласник Інститут гідромеханіки НАН Украї­ни. – № u 2010 07222. – Опубл. 27.12.2010, Бюл. № 24. – 8 с.
     
  17. Швидкості в примежовому шарі над пластиною з напівциліндричним заглибленням / В.М. Турик, В.В. Бабенко, В.А. Воскобійник, А.В. Воскобійник // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 2008. – № 4. – С. 46–54.
     
  18. Генерация вихрей в локальних углублениях / В.В. Бабенко, В.А. Воскобойник, В.Н. Турик, А.В. Воскобойник // Вісник Донецького нац. ун-ту. Сер. А. Природничі науки. – 2009. – Вип. 2. – C. 33–40.
     
  19. Визуализация обтекания полусферических углублений / В.В. Бабенко, В.П. Мусиенко, В.Н. Турик, Д.Е. Милюков // Прикладна гідромеханіка. – 2010. – 12 (84), № 4. – С. 3–25.
     
  20. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных / Пер. с англ. – М.: Мир, 1989. – 540 с.
     
  21. Старр В.П. Физика явлений с отрицательной вязкостью / Пер. с англ. – М.: Мир, 1971. – 261 с.
     
  22. Анищенко В.С. Знакомство с нелинейной динамикой. – М.; Ижевск: Ин-т компьютерных исследований, 2002. – 144 с.
     
  23. Климонтович Ю.Л. Турбулентное движение и структура хаоса. – М.: Наука, 1990. – 320 с.
     
  24. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Основания синергетики. Синергетическое мировидение – М.: Комкнига, 2005. – 240 с.
     
  25. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. – М.: Наука, 1987. – 840 с.




DOI: https://doi.org/10.20535/1810-0546.2015.6.56084

Refbacks

  • There are currently no refbacks.


Copyright (c) 2017 NTUU KPI