Как приручить смерч

Наука и новые технологии Э. В. Борисов, кандидат технических наук

Природа смерчей основана на преобразовании воздушных потоков в единый закрученный поток, обладающий огромной энергией. Смерч - это природное бедствие, связанное с огромными материальными и людскими потерями. Как использовать принцип, заложенный в этом природном явлении, на пользу человечеству?

В работах академика Р. А. Серебрякова (см., например, «Энергетика и промышленность России», № 7, 2003 г.) указаны некоторые направления использования принципа формирования смерчеобразных и вихреобразных потоков в энергетике и промышленности. Именно этот принцип используется при создании таких инноваций, как вихревые холодильники, вакуум-насосы, пневмотурбины, гидравлические теплогенераторы, вихревые эжекторные насадки и т.п.

Однако можно указать и на ряд других приложений этого принципа в энергетике. Рассмотрим некоторые из них. Работы, проводимые при участии ведущего эксперта отдела развития «ТД ЧЭАЗ» кандидата технических наук Э. В. Борисова (на фото), указывают, по крайней мере, на еще два перспективных направления использования этого принципа.

Сам принцип создания искусственных смерчеобразных и вихреобразных потоков был разработан несколько лет назад. Как нам известно, основной творческий вклад в развитие теоретических и прикладных аспектов этого направления в науке сделан отечественными учеными, и прежде всего академиком Р. А. Серебряковым. Именно в соавторстве с ним был разработан и запатентован (патент № 2002981) способ формирования смерчеобразного потока. Способ основан на делении потока воздушных масс на струи, их закручивании и слиянии в единый смерчеобразный поток. Идея способа иллюстрируется на примере устройства, содержащего сужающийся кожух, в основании которого выполнены щели для ввода потока воздуха в криволинейные направляющие, проекция которых на основание кожуха соответствует спирали Архимеда, а на перпендикулярную ему плоскости - кривую второго порядка. Концы криволинейных направляющих равномерно распределены по стенкам более узкой, чем основание кожуха, области слияния.

При этом радиальная координата произвольной точки траектории частицы изменяют по линейной зависимости, а азимутальную координату изменяют по закону y=К(Х*Х - 2Х), где К - коэффициент, пропорциональный скорости движения сплошной среды у основания области слияния. Значение коэффициента К зависит от большого числа факторов и устанавливается экспериментально.

Благодаря тому, что слияние струй производится при равномерном распределении их концов по границам области слияния, обеспечиваются оптимальные условия взаимодействия струй при образовании закрученных потоков. Это приводит к уменьшению потерь энергии при образовании закрученного потока и, следовательно, к ее увеличению в сформированном смерчеобразном потоке.

Газ, жидкость или иная многокомпонентная смесь под воздействием избыточного давления, например естественного потока воздуха, через щели поступает в криволинейные направляющие и, закручиваясь в них, сливается в смерчеобразный поток в области слияния. При этом чем круче движение струй в направляющих, тем круче движение струй вдоль продольной составляющей.

Однако при движении струй в направляющих, с одной стороны, происходит формирование условий для наилучшей отдачи энергии сплошной среды в энергию закрученного потока, но, с другой стороны, происходит потеря энергии струи в направляющих. Экспериментальные исследования показали, что в начале формирования струй на расстоянии от оси, равной высоте области слияния, обеспечивается оптимальная длительность движения струй по направляющим, при которой обеспечивается максимальная отдача энергии сплошной среды в энергию закрученного потока.

Этот мощный поток может быть использован для вращения ротора генератора электрической энергии или иного устройства, содержащего вращающиеся рабочие элементы, поэтому одно из перспективных направлений использования этого способа формирования закрученных струй связано с его применением в гидро- или ветрогенераторах.

Эффект от использования закрученных потоков в этом случае проявляется в том, что вращение лопастей, например ветрогенератора, производится не под воздействием относительно небольшой доли энергии фронтального потока, определяемой площадью лопастей, а под воздействием энергии фронтального потока от значительно большей площади, которая пропорциональна суммарной площади щелей кожуха. Кроме того, воздействующий на вращающиеся лопасти поток уже будет иметь закручивающую структуру, а динамическое разряжение закрученного потока придаст ему дополнительную динамическую энергию. Указанные факторы и позволяют повысить мощность ветрогенераторов.

Проведенные эксперименты указывают и на такой дополнительный эффект использования закрученного потока в ветрогенераторах, как низкая чувствительность к изменению скорости и направления ветра в естественных природных условиях.

Несколько позже были проведены теоретические и экспериментальные исследования приложения этого принципа в устройствах слива жидкости, например, для слива топлива на ТЭЦ, слива из цистерн, танкеров, нефтехранилищ. Экономически выгодно сокращать время слива, но эффект ускорения слива желательно достигать без существенных дополнительных материальных затрат. С учетом этих требований были разработаны и запатентованы способ слива и устройство для его осуществления.

Устройство внешне похоже на представленное выше. Оно выполнено воронкообразным с вертикальными образующими в виде трактрис и цилиндрическим выходным участком. Внутри корпуса выполнены лопасти, которые разделяют жидкость на потоки и закручивают их в направлении, противоположном направлению кореолесова ускорения. Такое направление закручивания выбрано для того, чтобы при малом объеме оставшейся жидкости обеспечивалось ухудшение условий засасывания воздуха в выпускное отверстие, что в меньшей степени снижает интенсивность слива, чем при естественных условиях совпадения направления закручивания с направлением кореолесова ускорения.

Форма каждой из лопастей выбрана в виде кривой, начало которой расположено на продольной оси, а зависимость модуля величины угла поворота, лежащего в интервале от 0 до 270 градусов, выбрана в форме трактрисы с параметром разности входного радиуса корпуса и радиуса выходного участка. Проведенные эксперименты без дополнительной оптимизации форм лопастей подтвердили наличие ожидаемого ускорения слива жидкости благодаря эффекту создания динамического разряжения и снижения статического давления в области слива. Ожидается, что экспериментальная и теоретическая доводка подобных устройств для конкретного вида жидкостей и сосудов даст эффект ускорения слива на 15-20 процентов. При этом само устройство слива, которое может быть выполнено в виде недорогой насадки на сливное отверстие, технологически несложно изготовить и использовать.

Особенно выгодно применение этого устройства перевозчикам различных видов жидкости - увеличивается оборот подвижного состава (автоцистерн, ж/д цистерн, танкеров) и потребителю услуг по перевозке за счет уменьшения стоимости фрахта, ж/д тарифов и т.д.

Представляется, что объемы теоретических и экспериментальных исследований в направлении использования для практических применений принципа формирования вихревых и смерчеобразных потоков желательно серьезно увеличить. Целесообразно объединить разрозненные усилия отдельных ученых и изобретателей путем создания комплексного центра исследований и внедрения описанных эффектов. Вихри и смерчи ждут серьезных инвестиций.

Логин:
Пароль:
Запомнить меня
Регистрация
Забыли свой пароль?
Войти как пользователь: