Устройство для создания ламинарных течений с низким уровнем начальной турбулентности

Устройство для создания ламинарных течений с низким уровнем начальной турбулентности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области аэродинамики и ко многим отраслям народного хозяйства, в которых возникает необходимость создания воздушных ламинарных завес с минимальными свойствами перемешивания с окружающей средой. Это могут быть чистые рабочие места (чистой зоны), которые крайне необходимы в медицине, микроэлектронике, производстве лекарственных препаратов и др. Стандартное решение такой задачи - это организация «чистой комнаты», что является дорогостоящим мероприятием и в зависимости от класса чистоты составляет от 400 $/кв.м. Одним из способов уменьшения затрат является создание локальных чистых зон с определенным классом чистоты воздушной среды. Как правило, чистая зона - это изолированное пространство в виде бокса [1].

Наиболее близким к заявленному устройству является способ формирования профиля скорости пограничного слоя в аэродинамических трубах с помощью мелкоячеистых сеток [2]. Его недостатками являются сложность воссоздания необходимого для пограничного слоя уровня и масштабов пульсаций и наличие при этом интенсивных процессов турбулентного перемешивания.

Создание ламинарных воздушных завес с отсутствием перемешивания с окружающей средой - непростая задача, поскольку резкое изменение скорости у границы завесы приводят к смешению с внешними массами.

Применение заявленного устройства приводит к уменьшению или отсутствию перемешивания ламинарной завесы с внешней средой.

Указанный результат достигается тем, что ресивер с охлажденной средой расположен на входе вертикального канала, в конце которого установлен набор мелкоячеистых сеток, имеющих переменное по сечению канала гидравлическое сопротивление, обеспеченное подбором размеров и количества ячеек сетки. А также размещением отсасывающего устройства на расстоянии порядка 10 диаметров выходного отверстия от выхода из канала вниз по потоку.

Отличительными признаками заявленного устройства являются:

- расположение ресивера с охлажденной средой на входе вертикального канала;

- установление на выходе из канала набора мелкоячеистых сеток с переменным по сечению канала гидравлическим сопротивлением за счет подбора размеров и количества ячеек сетки;

- установление на расстоянии порядка 10 диаметров выходного отверстия от выхода из канала вниз по потоку отсасывающего устройства.

Расположение ресивера с относительно охлажденной средой на входе вертикального канала приводит к ускорению струйного течения и способствует его ламиниризации. В ресивере достаточно понизить температуру среды на 1 градус. Установление на выходе из канала набора мелкоячеистых сеток с переменным по сечению канала гидравлическим сопротивлением за счет подбора размеров и количества ячеек сетки позволяет сформировать нужный ламинарный профиль скорости и существенно понизить уровень начальных возмущений в набегающем потоке.

Установление на расстоянии порядка 10 диаметров выходного отверстия от выхода из канала вниз по потоку отсасывающего устройства позволяет формировать ламинарное течение с минимальными процессами перемешивания и повторно использовать уже очищенные от примесей потоки.

Сущность устройства поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3, а также нижеследующим описанием. На фиг.1 представлена схема устройства.

Ресивер обозначен поз.1, поз.2 обозначен набор сеток на выходе из канала, поз.3 обозначено отсасывающее устройство.

Проверка заявленного устройства для получения ламинарной завесы без смешивания с внешней средой неоднократно проверялась в эксперименте. На фиг.2 представлено обычное струйное течение без сеток и без отсасывающего устройства с интенсивным турбулентным перемешиванием. На фиг.3 - фотография ламинарной струи с сетками и с отсасывающим устройством. Течение при этом ламинарное и устойчивое. На границах струи ввиду отсутствия завихренности перемешивание с внешней средой отсутствует.

Экспериментально также подтверждено, что размещение препятствия в зону завесы не нарушает устойчивости ламинарного течения и не приводит к перемешиванию на границе струи.

Представленные фотографии подтверждают работоспособность данного устройства.

Физическое объяснение обнаруженного эффекта связано с двумя эффектами. Первый эффект обусловлен созданием ламинарного профиля скорости с широкими слоями смешения на границах струи, для которых характерно нарастание крупномасштабных возмущений порядка 10 толщин слоя смешения. Мелкие, наиболее опасные возмущения при этом не нарастают.

Второй эффект обусловлен созданием ускоряющихся ламинарных струй, которые оказываются устойчивыми и в которых отсутствует интенсивное турбулентное перемешивание на границах струй.

Данный способ создания ламинарных зон позволяет без больших затрат организовывать чистые рабочие места.

Источники информации

1. «Чистые помещения» под ред. Федотова А.Е., Асинком, 2003 г., 756 стр.

2. Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения. Методы и приборы. М., Наука, 1964.

Устройство для создания ламинарных течений с низким уровнем начальной турбулентности с помощью мелкоячеистых сеток, отличающееся тем, что ресивер с охлажденной средой расположен на входе перед вертикальным выходным каналом, в конце которого установлен набор мелкоячеистых сеток с переменным по сечению гидравлическим сопротивлением за счет подбора размеров и количества ячеек сеток, на расстоянии порядка 10 диаметров выходного отверстия канала установлено отсасывающее устройство.