Способ торможения газового потока с низким избыточным давлением

Область применения

Способ торможения газового потока с низким избыточным давлением может применяться для торможения газовых потоков, содержащих соосно движущиеся вместе с газовым потоком частицы, которые не являются однородными газовому потоку, например, включения, являющиеся твердым, жидким, плазменным и тому подобным телом или телами. При этом газовый поток выступает в качестве несущего эти частицы (включения) потока.

Назначение

Данный способ предназначен для торможения газовой составляющей несущего потока, и для последующего разделения включений от несущего потока, рекуперации энергии несущего потока газа, разделения частиц с разной массой, а также напыления частиц на любые поверхности за счет движущихся отдельно от этого потока и/или переносимых вместе с газовыми потоками, распределяемыми с помощью предлагаемого способа. Причем включения или частицы могут иметь разнообразную природу, например, твердые частицы различной массы, или жидкость, которая в дальнейшем разделяется на капли, или плазма, а также иные виды включений.

Уровень техники

Из уровня техники известна полезная модель «Дульный тормоз-компенсатор (ДТК)», патент 2 744 219, опубл. 03.03.2021, МПК F41A 21/36, содержащий корпус с последовательно соединенными соосными камерами с рабочими зонами в сквозном канале, снабженном сквозными отверстиями, которые ориентированы перпендикулярно оси ствола. Однако рабочие камеры предназначены для торможения отката ствола оружия, а также для уменьшения или компенсации подброса ствола оружия, использующего для своего функционирования реактивную силу газов.

Данное устройство призвано снижать отдачу от выстрела за счет торможения и разворота газовой струи серией последовательных камер, однако данное устройство не обеспечивает торможение струи с низким давлением, так как при этом устройство не будет работать эффективно, потому что его камеры непосредственно соединены последовательно между собой не предоставляя набегающему газу возможности их обхода (обтекания). По сути своей они являются «сообщающимися сосудами» давление, в которых в процессе истечения газа будет неизбежно выравниваться. При этом после заполнения образовавшихся боковых «карманов» истекающим газом, давление неминуемо выровняется и общее газодинамическое сопротивление системы таких камер будет низким.

Такой способ торможения газового потока с организацией на его пути зоны с прямым скачком уплотнения эффективен только для потоков газа с высоким избыточным давлением (которое будет достаточно для расширения потока до размеров вызывающего прямой скачек уплотнения препятствия и разгона потока до сверхзвуковой скорости) и не будет работать для газовых потоков с низким избыточным давлением, где газы неспособны расшириться до необходимого размера сечения и набрать скорость выше скорости звука.

Известно изобретение «Надульное устройство для гладкоствольного охотничьего оружия», патент RU 2 709 294, опубл. 17.12.2019, МПК F41A 21/30, F41C 7/11, в котором шумоглушитель применяют для слабо мощного огнестрельного оружия, такого как дробовик. Применяют классическую перегородку и множество камер (по меньшей мере, две) в проходящем вдоль внутренней части шумоглушителя линейном трубчатом канале в виде цилиндрического каркаса. Используют перетекание пороховых газов из камеры объемом VI во вторую камеру с большим объемом V2. В процессе этого перетекания при прохождении газов через эту узкую щель происходит снижение силы звука выстрела за счет отвода тепла на корпус надульного устройства и корпус внутренней трубы. Однако при такой организации движении газового потока не произойдет отделения включений от основного газового потока, кроме того, переносимые частицы могут повредить корпус при их непосредственном соприкосновении с корпусом.

Известно изобретение «Способ очистки газов от примесей», патент RU 2 757 240, опубл. 12.10.2021, МПК F25J 3/06, BOID 53/00, BOID 7/02, в котором газовый поток поступает в рабочую камеру, на вход которой дополнительно подают поток твердых частиц. На поверхности твердых частиц происходит десублимация извлекаемых компонентов газа, после чего твердую и газовую фазы разделяют в циклоне. Рабочая камера представляет собой канал переменного сечения, в котором диаметр входного сечения рабочей камеры совпадает с диаметром выходного сечения сопла. Используют для очистки газов, для чего используют управляемую конденсацию. Однако десублимация ядер газа достигается в результате введения твердых частиц в газовый поток, но не для торможения этого газового потока и разделения частиц. Использование устройства не позволит прямолинейно движущимся частицам, которые несет газовый поток, продолжить свое прямолинейное движение в трубчатом канале.

Наиболее близким техническим решением является полезная модель «Глушитель для пневматического оружия», патент RU 206 121, опубл. 24.08.2021, МПК F41A 21/30, в котором за счет наличия сквозного отверстия и быстрого закрытия этого отверстия за пролетевшей пулей, а также изолирования расширяющихся порций газов в отдельных, сравнительно герметичных (расширительных) камерах, осуществляют снижение уровня шума. Однако использование классического способа торможения газового потока устройствами такого типа или применение классического лабиринтного типа не позволит прямолинейно движущимся совместно с потоком инородным телам, которые несет газовый поток, продолжить свое непрерывное прямолинейное движение в трубчатом канале, при условии, что происходит постоянное, непрерывное истечение частиц, а не просто пролет одного тела, например, пули. Кроме того, не обеспечивает разрушение гомогенности распределения расхода газового потока по его сечению с увеличением расхода от центра к периферии газового потока.

Таким образом, способы торможения газового потока при низком избыточном давлении, известные из уровня техники и устройства известного типа, будут либо не применимы для случая торможения газового потока, имеющего неоднородные включения и малое избыточное давление, либо не будут давать той эффективности, которую они могли бы иметь.

Изобретательская задача

Из газовой динамики известно, что самым эффективным способом торможения газового потока является постановка препятствий, которые могут заставить этот поток последовательно выполнить ряд поворотов, например, на препятствиях лабиринтного типа или в пористой среде. При этом, на каждый такой поворот будет затрачиваться часть кинетической энергия газового потока, которая через внутреннее трение будет преобразовываться в потенциальную энергию потока в виде повышения его температуры. Однако, существуют случаи, когда установка таких препятствующих прямолинейному течению потока преград невозможно, в частности, когда вместе с потоком газа, например, в центральной его части, следует тело или тела, для которых требуется обеспечить беспрепятственное прямолинейное прохождение, а увлекающий эти тела газовый поток требуется максимально затормозить и отделить. Для решения такой задачи, например, для случая плоского течения (типа течение реки), сбоку от основного русла можно организовать «карман», геометрические размеры и форма которого обеспечивала бы возможность существования в нем стационарного завихренного циклического течения. В таком «кармане» движущийся поток завихряется под действием центробежной силы и будет вытесняться на периферию «кармана», как в свистке типа «улитка» или в циклонном фильтре. За счет этого эффекта создают на пути основного потока область повышенного давления, которая является препятствием для прохождения потока, тормозя его и направляя в зону меньшего сопротивления. Но зона повышенного давления может быть рассчитана таким образом, чтобы она не являлась существенным препятствием для прохождения частиц (включений), которые перемещаются вместе с газовым потоком, в результате чего они будут продолжать прямолинейное движение вдоль канала. Возможность прохождения частиц прямолинейно через зону повышенного давления обеспечивают за счет массы и скорости этих частиц, которые обладая не сопоставимо бо"лыпим, чем молекулы газа импульсом, продолжат свое прямолинейное движение по инерции. Таким образом, следующее совместно с потоком тело или тела могут продолжить следовать прямолинейно по основному руслу. Рассчитывают давление в рабочей зоне исходя из соотношения масс газовых ядер и массы частиц включения. Для случая объемного течения газового потока с включениями аналогом такого «кармана» будет зона, выполненная вокруг основного канала и имеющая форму тороидальной выемки, в которой завихрение газового потока, попадающего в такой «карман», будет иметь форму тороидального вихря.

Под тороидальным вихрем понимают вынужденное стационарное завихренное течение газа, организованное в тороидальном «кармане», размещенного вокруг основного русла течения. В целом тороидальный вихрь аналогичен завихренному течению газа в свистках типа «улитка», при этом движущийся в этом вихревом течении газ под действием центробежной силы будет стремиться отдалиться от центра своего вращения и «пережать» центральный канал течения основного потока газа, создав тем самым область повышенного давления и динамического сопротивления, а наскакивающий на эту область основной поток будет испытывает торможение. И одновременно будет перенаправлен на периферию.

В таком случае задача торможения газового потока при беспрепятственном прямолинейном прохождении включений, увлекаемых этим потоком, будет решена. Технический результат

Предлагаемое техническое решение обеспечивает следующий технический результат:

- торможение и отведение на периферию газовой составляющей потока без существенного влияния на скорость тел (включений), движущихся соосно и совместно с газовым потоком;

- разрушение гомогенности распределения расхода газового потока по его сечению, с увеличением расхода газа от центра к периферии газового потока; т.е. при огибании препятствия большую часть своей массы поток несет в обход препятствия, и, соответственно общий массовый расход по сечению в центре становится меньше, а по краям больше.

Реализация

Технический результат достигается за счет того, что реализуют способ торможения газового потока, включающий торможение газового потока с низким избыточным давлением, которое составляет не более 10 атм. Для этого осуществляют размещение в корпусе препятствия, ориентированного перпендикулярно газовому потоку и снабженного вихревой камерой, ориентированной соосно продольной оси газового потока. Обеспечивают прохождение одной части газового потока через сквозное отверстие препятствия с вихревой камерой с обеспечением возможности прохождения движущегося соосно вместе с потоком инородного к основному газовому потоку тела или тел за счет сквозного отверстия диаметром dl, выполненного в препятствии. Организуют вынужденное обтекание другой части газового потока снаружи данного препятствия за счет снабжения препятствия вихревой камерой, внутри которой создают завихренное течение газа, при этом обтекание обеспечивают за счет геометрических соотношений внутренней полости вихревой камеры препятствия, создающей внутри нее (вихревой камеры) повышенное сопротивление сквозному протеканию газового потока через сквозное отверстие этого препятствия.

Новым в предложенном техническом решении является то, что корпус трубчатой формы размещают после окончания канала — источника газового потока, образуя сквозной канал. За счет трубчатой формы корпуса, имеющего наружный диаметр больше внутреннего диаметра канала — источника, по меньшей мере, в 3 раза, формируют, по меньшей мере, одну рабочую зону «а», размещенную соосно каналу — источнику перед препятствием с вихревой камерой. При этом в частном случае возможно формировать несколько рабочих зон, размещенных последовательно и соосно каналу — источнику. Для формирования рабочей зоны размещают препятствие с вихревой камерой перпендикулярно сквозному каналу и соосно его оси. При этом сквозное отверстие dl препятствия должно быть не меньше чем диаметр канала источника d и обеспечивают расстояние «Ь» между окончанием канала-источника и передним срезом препятствия с вихревой камерой. Либо, как частный случай, обеспечивают расстояние «h» между соответствующим передним срезом последующего препятствия и заднего среза соседнего препятствия с вихревой камерой. Расстояние «Ь» имеет значение не меньше половины (>=1/2) диаметра «dl» сквозного отверстия в препятствии. За счет этого формируют устойчивое завихрение внутри препятствия при соотношении геометрических размеров вихревой камеры, выполненной в виде объемной шайбы - тороида длиной «L», и равной не менее значения «dl», и диаметром «D» равным не менее двух «db>, которая в передней части снабжена конусообразной наружной поверхностью, а в задней части - плоской поверхноостью или конической или цилиндрической внутренней поверхностью, выполненной со сквозным отверстием диаметром «dl». При этом рабочая зона «а» формируется между окончанием канала-источника газового потока с включениями и передним срезом препятствия с вихревой камерой, в которой набегающий газовый поток имеет повышенное внутреннее газодинамическое сопротивление, препятствующее (внутри камеры) прохождению газового потока через сквозное отверстие «dl». В результате чего газовый поток вынужден разделиться и одна часть газового потока будет вынужденно огибать препятствие, а другая часть газового потока совместно с движущимися в нем включениями (тяжелыми твердыми частицами, обладающими высокой инерцией) будет продолжать движение сквозь отверстие препятствия «dl». Расстояние « >, необходимое для обеспечения газовому потоку возможности повернуть и обогнуть препятствие, рассчитывают исходя из разности давлений внутри газового потока и во вне его, с учетом скорости, плотности и вязкости истекающего газа.

В частном случае возможно формирование длины каждой рабочей зоны не менее половины диаметра отверстия «dl».

Таким образом, внутри вихревой камеры препятствия, за счет выполнения геометрических условий, при соотношении параметров: «d», «dl», «D», «Ь» и «Ь» образовывают стационарный тороидальный вихрь и формируют зону повышенного давления. Эта зона оказывает набегающему потоку повышенное газодинамическое сопротивление, вынуждающее часть набегающего потока отклоняться и огибать это препятствие. Рабочая зона размещается соосно каналу — источнику. Для формирования внутри камеры-препятствия стационарного тороидального завихрения саму камеру выполняют с наружным диаметром «D» численно равным не менее двух диаметров отверстия «dl» в этом препятствии и длиной не менее одного «dl». В рабочей зоне «а» формируется область повышенного давления, которая выполняет роль единого составного препятствия.

В предлагаемом способе, торможение и отклонение газового потока (1), осуществляется выполнением условий возникновения внутри размещенного на оси (X- X) газового потока, препятствия (2) с вихревой камерой (3), перекрывающей отверстие (4) для прохождения тела или тел, движущихся соосно (Х-Х) газовому потоку, области повышенного давления «а» за счет выполнения в препятствия (2) условий возникновения вихревого течения в виде тороидального вихря («б»). Обращенная к набегающему потоку (1) наружная стенка (5) препятствия (2), по возможности, должна иметь обтекаемую (например, коническую) форму. В контексте данной заявки данные препятствия названы препятствиями с вихревой камерой (3). Тогда, в следствии набегания газового потока (1) с включениями на препятствие (2), поток газа будет испытывать повышенное сопротивление продолжению своего прямолинейного движения и будет вынужден огибать это препятствие (2) и отклоняться. При этом возможность беспрепятственного прямолинейного движения движущемуся соосно с газовым потоком (1) телу (телам) будет сохранена. При этом газовый поток (1) перед препятствием (2) в основной части отклоняется (Г), а часть молекул газового потока (1) вместе с включениями (твердыми частицами) проходит за по инерции прямолинейно через отверстие (4) препятствия (2).

В качестве включения или тела может выступать как одно тело, выпускаемое из канала-источника в сквозной канал корпуса, так и масса частиц, например, песок, дробь, или капли в жидкой струе.

Предложенная конструкция иллюстрируется чертежом, который не охватывают всех вариантов исполнения.

На Фиг 1 — показан газовый поток, истекающий из канала — источника и огибающий препятствие.

Реализация способа

Конструкция, реализующая данный способ торможения газового потока, может быть выполнена следующим образом. В цилиндрическом корпусе (6) выполненном, например, в виде трубчатой насадки, имеется подводящий канал (канал-источник) (7), имеющего отверстие (8) диаметром «d», из которого истекает газовый поток (1) с включениями, размещено, по меньшей мере, одно специальное препятствие (2), выполненное как препятствие с вихревой камерой (3). Препятствие (2) с вихревой камерой (3) размещено в корпусе (6) перпендикулярно газовому потоку (1) и соосно его оси (Х-Х), имеет сквозное отверстие (4) для прохождения движущегося соосно вместе с газовым потоком тела (или тел). При этом соотношение геометрических размеров препятствия (2) с вихревой камерой (3) следующее: диаметр отверстия «dl», длина «L» и диаметр «D» вихревой камеры (3) препятствия (2) выполняют условия формирования внутри нее стационарного тороидального завихрения («б»), создающего внутри этой камеры область повышенного давления распространяющуюся навстречу набегающему потоку и формирующую собой рабочую зону («а»). Расстояние «h» до препятствия (2) обеспечивает условия, достаточные для обтекания потоком (1) препятствия (2) с вихревой камерой (3). Препятствие (2) совместно с тороидальным завихрением «б» в вихревой камере (3) образуют одно составное препятствие, перед которым образуется одна рабочая зона («а»), располагающаяся соосно каналу-источнику (7) и корпусу (6). Несколько таких рабочих зон «а» могут быть организованы последовательно и соосно благодаря расположению последовательно нескольких препятствий (2) с вихревыми камерами (3). Расстояние «Ь» между окончанием (отверстием) (8) канала — источника (7) и препятствием (2) с вихревой камерой (3), либо двумя соседними препятствиями с вихревой камерой (3) соответственно, рассчитывают исходя из разности давлений внутри потока газа (1) и вне его, а также скорости, плотности и вязкости истекающего газа, и равно, по меньшей мере, половине диаметра сквозного отверстия «dl» в соответствующем препятствии (2) с вихревой камерой (3). Сквозное отверстие (4) в препятствии (2) с вихревой камерой (3) диаметром «dl» предназначено для беспрепятственного прохождения соосно движущегося с газовым потоком тела (или тел). Внутренний диаметр «D» вихревой камеры (3) препятствия (2) численно равен не менее двух диаметров сквозного отверстия «dl» (4), а длина «Ь» не менее одного «dl», который обычно равен или немного больше диаметра «d» канала-источника (8). Задняя стенка препятствия (2) может быть выполнена плоской. Форма внутренних стенок вихревой камеры (3) препятствия (2) на формирование вихревого течения (тороидального вихря «б») существенного влияния не имеет.

Предложенный способ реализуют следующим образом.

Истекающий из канала — источника (7) в корпус (6) газовый поток (1) попадает в вихревую камеру (3) препятствия (2), завихряется и создает внутри этой камеры тороидальное вихревое течение («б»), молекулы газа в котором, будучи вынужденными двигаться по круговым траекториям, под действием центробежной силы отклоняются и формируют на внешних поверхностях тора (в том числе и обращенных к его центральной части) область повышенного давления распространяющуюся на встречу набегающему потоку и образующему рабочую зону «а», тормозящую истекающий газовый поток.

Минимально возможное расстояние «h» до препятствия (2), необходимое для того, чтобы поток газа (1) мог отклониться и обогнуть препятствие (2) рассчитывают исходя из разности давлений во входном сечении (А-А) точки истечения и в зоне истечения потока, а также скорости, плотности и вязкости истекающего газа и обычно это значение не может быть меньше половины диаметра сечения потока (1).

Поток газа начинает «воспринимать» жесткий корпус препятствия (2) с вихревой камерой (3) и образованной зоной повышенного давления «а», играющей роль виртуального «заполнителя» отверстия (4), как единое целое препятствие (2), оказывающее повышенное динамическое сопротивление движению потока (1) в осевом направлении (Х-Х). В результате поток газа (1) будет вынужден не только тормозиться, но и огибать препятствие (2) снаружи. Таким образом, в части потока (Г), огибающей препятствия (2) с наружи, расход газа окажется больше чем в отверстии (4), т.е. плотность суммарного потока по сечению окажется перераспределенной к стенкам корпуса (6). При этом следующее соосно с потоком тело (или тела) меньшего, чем диаметр «сП» размера имеют возможность продолжить следовать в осевом направлении.

Все параметры могут быть как изначально рассчитаны аналитически, так и подбираться исходя из результатов численного моделирования истечения газов на компьютере методом конечных элементов на основе решения уравнений состояния газа Новье-Стокса.

Помимо эффективного торможения потока, характеризующегося высоким значением коэффициента отношения величины потери скорости потока к длине пути торможения, побочным эффектом, в следствии необходимости потоку огибать препятствие (2) снаружи, также будет разрушение гомогенности распределения расхода газового потока по его сечению (А-А) с увеличением расхода газа вдоль стенок корпуса (6) вместо его оси (Х-Х), что создает дополнительные инженерные удобства для его дальнейшего отведения, торможения, охлаждения, рекуперации и т.п. Следующему по оси (X-X) потока (1) телу или телам появляется возможность сохранять прямолинейное движение.

Проведенные натурные тестовые испытания показали хорошее соответствие результатов практических испытаний, результатам компьютерного моделирования.