УПНАВС-РИД – 2 (установка приготовления нанодисперсных активных вяжущих смесей) на базе роторного-измельчителя диспергатора кавитационно-диссипационного действия (РИД-2).

Производство РИДов

О явлении КВАНТОВОЙ ГИДРОДИНАМИКи:

Задачи гидродинамической неустойчивости обсуждались еще в конце прошлого века Рейнольдсом и Рэлеем, над решением проблемы возникновения турбулентности работали и продолжают работать многие ученые, однако количественной теории возникновения турбулентности до сих пор не существует [1,2].

Предложено несколько моделей возникновения турбулентности. Наиболее долгоживущей оказалась модель Л. Ландау, в соответствии с которой [2] при числе Рейнольдса Re = Re₁ рождается предельный цикл с частотой w₁, при Re₂ > Re₁ становится неустойчивой мода с частотой w₂, и возникают двупериодические колебания, затем появляются новые частоты и т.д. Возникающие в результате такой цепочки превращений (бифуркаций) сложные автоколебания и представляют собой турбулентность.

Согласно гипотезе Л. Ландау, нерегулярное поведение есть результат бесконечного каскада бифуркаций, где течение быстро приобретает сложный и запутанный характер, а состояние системы выглядит апериодическим (затухающим), в ней собственные колебания невозможны вследствие больших потерь энергии [1].

Автоколебания – незатухающие колебания, которые могут существовать в колебательной системе при отсутствии периодических внешних воздействий (в отличие от вынужденных колебаний) за счет наличия в системе активного элемента, восполняющего неизбежные в реальной системе потери энергии. Амплитуда и период автоколебаний определяются свойствами самой системы [3]. Автоколебания присущи таким системам, как механические, электрические, акустические и т.д.

Для получения устойчивой турбулентности в гидродинамической системе необходимо ликвидировать апериодичность потока, потери энергии и добиться стационарных амплитуд.

С этой целью был предложен оригинальный гидроударный резонатор, настраивающийся на частоту автоколебаний гидродинамического потока, представляющий собой полость переменного сечения.

На этой основе сконструирован и изготовлен аппарат «РИД-2» – автономная резонансная гидроударная система, представляющая собой систему гидроударных резонаторов в виде каналов переменного сечения, установленных по окружностям цилиндрических ротора и статора. При этом ротор установлен концентрично внутри статора [4]. В конструкции статора предусмотрены кавитационные пазухи в виде расширяющихся отверстий – конфузоров (рис.1).

Гидроударные резонаторы ориентированы вдоль тока жидкости, в которой возникновение турбулентности достигается при периодическом перекрывании канала резонатора в зоне скачкообразного повышения давления за счет прямых гидравлических ударов. В целом это сложная колебательная система, где задающим генератором является ротор, создающий поле скоростей и давлений, а передающей средой – жидкость.

В рамках математической и физической моделей роторного аппарата гидроударного действия рассмотрены значения импульсов давления торможения (гидравлических ударов) при внезапном перекравании гидродинамического потока в каналах полостей переменного сечения, равных или превышающих значения разрыва сплошности среды.

Импульс давления прямого гидравлического удара в соответствии с формулой Е. И. Жуковского равен DR = r(v₀ – v) a (I)

где DR – увеличение давления, Н/м², r – плотность жидкости, кг/ м³, v₀, v – средняя скорость потока до перекрытия каналов резонаторов и после них, м/с, a – скорость распространения ударной волны вдоль канала резонатора м/с, равная скорости звука в жидкости при абсолютно жестких стенках гидроударных резонаторов.

Подставляя r = 1000кг/м³, v₀ = 100 м/с (определяется параметрами установки), v = 0, a = 1440 м/с, получаем DR = 1,4* 10⁸Н/м². Это значительно выше величины разрыва сплошности среды.

В моменты прерывания гидродинамического потока – системы упругой деформации вязкой жидкости – происходит резкое падение скорости и увеличение давления с одновременным смешением всех слоев жидкости во всем объеме каналов и полостей с возникновением многочисленных вихрей, представляющих собой рождение турбулентности.

Поскольку гидравлические удары следуют непрерывно с постоянным значением импульсов давления, то в полостях гидроударных резонаторов образуются чередующиеся зоны сжатие-разрежение, способствующие дополнительному смешению каждой порции жидкости.

Данные экспериментов могут быть использованы для создания количественной теории возникновения устойчивой турбулентности. При равенстве частот автоколебаний жидкости, генератора нелинейных колебаний и гидроударного резонатора амплитуда импульсов колебаний в резонаторе увеличивается до «стационарного» и поддерживается постоянной, незатухающей, за счет обратной связи, осуществляемой изменением частоты или оборотов вращающегося ротора.

Частота прерывания потока устанавливается так, чтобы в первый полупериод канал резонатора был открыт, а во второй и последующие закрыт. Поступившие в первые полупериоды импульсы за счет резонанса принимают максимальную величину амплитуды и уходят в противоположную сторону. Спектр частоты становится дискретным, а возникающая турбулентность устойчивой, т.е. управляемой.

Энергия гидродинамического потока как бы разбивается на порции, иначе говоря, квантуется, причем значение диссипации энергии потока также соответствует описываемой теории в рамках гипотез А. Колмогорова [2] в части определения энергетического параметра e - каскадной передачи энергии от крупномасштабных составляющих турбулентности ко все более мелкомасштабным.

Практическая значимость управляемой турбулентности – это в первую очередь широкое поле интенсификации массообменных процессов в системах жидкость-жидкость, жидкость - твердое тело, позволяющее активно внедрять новейшие технологии на базе аппарата «РИД-2». Так, уже создаются новые концепции тонкого измельчителя минералов и эмульгирования несмешивающихся жидкостей.

Создание аппарата, позволяющего получать управляемую турбулентность и практически использовать это явление, свидетельствует о возможности создания количественной теории турбулентности и нового направления – квантовой гидродинамики.

Установка приготовления смесей УПНАВС - РИД -2 - последняя, усовершенствованная модель генератора нелинейных колебаний и гидроударного резонатора кавитационно - диссипационного действия роторного типа с учётом развития опыта, знаний, технологий и новых материалов на сегодняшний день. Кроме этого РИД-2 в комбинации со вставкой в виде модернизированного сопла Лаваля позволяет максимально использовать в технологических процессах - кавитацию.