Расчет эффекта Ранка-Хилша

О.Н. Аликина, Е.Л. Тарунин (Пермь)

Эффект Ранка-Хилша или вихревой эффект состоит в разделении закрученного потока газа, подаваемого в трубку, на два. Разделение потоков реализуется в простом устройстве, названном его первооткрывателем Ж. Ранком вихревой трубой (ВТ). Один из потоков (приосевой) имеет температуру ниже температуры входящего потока, а другой (периферический) – выше. Эффект до сих пор привлекает внимание исследователей: как теоретиков, так и экспериментаторов. Величина эффекта температурного разделения вычисляется как разность между температурами торможения на выходах вихревой трубки.

Проведены исследования ламинарного двумерного течения на основе полных уравнений для вязкого идеального теплопроводного газа. Исследования проводились на основе разностного метода и позволили выяснить эффект температурного разделения в зависимости от различных параметров задачи и метода. К числу основных параметров задачи относятся число Рейнольдса, задаваемый перепад давления (отношение давлений на входе и выходах вихревой трубки), длина вихревой трубки, величина и угол наклона соплового входа, размеры выходных отверстий (дроссельного и диафрагменного).

Отметим, что выполненные вычислительные эксперименты требуют больших затрат машинного времени из-за сложности задачи и большого числа параметров.

Вычислительные эксперименты показали, что эффект температурного разделения увеличивается:

·         при увеличении числа Рейнольдса со 150 до 450 и достигает своего максимального значения в »300К при числе Рейнольдса равном 450;

·         при увеличении длины трубки вдвое повышается на 12%;

·         при увеличении угла наклона входного потока;

·         при увеличении величины диафрагменного выхода и при уменьшении зазора дроссельного выхода.

Значительное влияние на величину доли холодного потока оказывает увеличение длины вихревой трубки (увеличивается на 17%), и увеличение радиусов дросселя и диафрагмы (повышается на 20%).

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ-Урал № 02-01-96402) и Американского фонда гражданских исследований и развития (грант № РЕ-009-0).