Способ торможения сверхзвукового газового потока

Область применения

Способ торможения сверхзвукового газового потока может применяться для торможения сверхзвуковых газовых потоков, содержащих соосно движущиеся вместе с газовым потоком такие частицы, которые являются не однородными ему, например, включения, являющиеся твердым, жидким, плазменным и тому подобным телом или телами. При этом газовый поток выступает в качестве несущего их потока.

Назначение

Данный способ предназначен для торможения газовой составляющей несущего сверхзвукового потока, и для последующего разделения, рекуперации и тому подобного действия относительно включений или частиц, движущихся отдельно в этом потоке и переносимые соосно вместе с ним в данном газовом потоке. Причем включения или частицы могут иметь разнообразную природу, например, твердые частицы, жидкость, которая в дальнейшем разделяется на капли, плазма или иные виды включений.

Уровень техники

Из уровня техники известна полезная модель «Глушитель для пневматического оружия», патент RU 206 121, опубликован 24.08.2021, МПК F41A 21/30, в котором имеется расширительная камера и установленный внутри упругий элемент, который расположен частично на заходящей внутрь расширительной камеры втулке, жёстко закреплённой в выходном торце расширительной камеры соосно стволу оружия., при этом внешние размеры упругого элемента меньше внутреннего размера расширительной камеры. Глушитель используют для пневматического оружия и он исключает выдувание упругого элемента из расширительной камеры. Однако данный глушитель не работает на сверхзвуковых газовых потоках и не использует эффект возникновения скачка уплотнения. Известно изобретение «Способ очистки газов от примесей», патент RU2 757 240, МПК F25J3/06, B01D53/00, B01D7/02, опубликован 12.10.2021, в котором для очистки газов используют подачу исходного газового потока с одновременной подачей потока твердых частиц в сверхзвуковое сопло и расширение газа с охлаждением при его истечении со сверхзвуковой скоростью. Позволяет получить управляемую конденсацию паров, имеющихся в газе с десублимацией извлекаемых компонентов. Однако процесс разделения газовой и твердой фаз требует его проведения при температурах, значительно ниже температуры окружающей среды и последующее применение циклотрона для разделения твердых и газовых частиц. При этом разрушения гомогенности распределения плотности газового потока по его сечению непосредственно при истечении газового потока с частицами не происходит.

Известно изобретение «Способ напыления покрытия на изделие из натурального камня или из металлического материала», патент RU 2489519, МПК С23С24/04, В05В7/14, В44СЗ/02, В82В1/00, опубликовано 10.08.2013, которое позволяет осуществлять в процессе фрагментацию частиц, размером 5-200 мкм, а также агрегатирование из нескольких высокодисперсных частиц размером 0,03- 4,99 мкм за счет формирования сверхзвукового газопорошкового потока с ускорением его до сверхзвукового потока, в котором формируют газопорошковый поток, который дополнительно подвергают ударной механоактивации при соударении с частично экранирующей преградой. Этим достигают разрушения гомогенности распределения плотности газового потока по его сечению. Однако способ слишком сложен и его используют для напыления покрытий на поверхности изделий холодным газодинамическим напылением, в том числе на поверхностях художественных изделий и объемных форм. Не позволяет получить торможение газовой составляющей сверхзвукового газового потока без существенного влияния на скорости потока тел, движущихся соосно и совместно с газовым потоком.

В классическом способе торможения газового потока в устройствах лабиринтного типа, несущий газ и увлекаемые им тела тормозятся одинаково, на выходе газовая составляющая потока и движущиеся частицы будут иметь одинаковую скорость, что затрудняет последующее разделение этих частиц.

Классический способ торможения потока в устройствах туннельного типа требует устройство туннеля большого габарита как по длине, так и по диаметру. Это продиктовано тем, что запускание потока в длинную трубу требует бо'лыпего диаметра, чем диаметр самого потока. Известен также способ торможения сверхзвукового потока с помощью прямого скачка уплотнения, который образуется в газовой смеси на (перед) сплошных поперечных перегородках, где тормозятся все компоненты потока, как включения, так и газовая составляющая, что не позволяет увлекаемым потоком телам (включениям) продолжить свой путь. Однако для задачи, например, рекуперации, нельзя обеспечить движение этих включений за перегородкой без газовой составляющей потока, используя, например, эффект гравитации, действующей на эти частицы (включения).

В известном циклонном способе разделения потока используют эффект различия инертных масс, составляющих смешанный поток, а не выборочное снижение их скорости.

В соответствии с вышесказанным, способы торможения сверхзвукового газового потока, известные из уровня техники и устройства известного типа, будут либо не применимы для случая торможения газового потока, имеющего неоднородные включения, либо не будут давать той эффективности, которую они могли бы иметь.

Также к недостаткам известных конструкций относится то, что они имеют массо-габаритные характеристики, далекие от желаемых для реальных конструкций.

Известно изобретение «Дульный тормоз артиллерийского орудия», патент RU 2766 237, МПК F41A21/36, F41A 21/32, опубликован 10.02.2022, в котором имеется конструкция параболической формы, в сечении поделенной внутри несущими перегородками на четыре сектора, в каждом из которых имеются расширительные камеры с окнами, имеющие впереди передние вертикальные стенки. Позволяет уменьшить давление газов и ударную звуковую нагрузку, повысить усилия торможения отката. Используют закон Паскаля, по которому в замкнутой полости давление газа во все стороны одинаково, поэтому газовый поток перенаправляется и отток газов из ствола снижает первичное давление на выходе через дульный срез. Однако не использует прямой скачек уплотнения, поэтому не обеспечивает торможение газовой составляющей сверхзвукового газового потока без существенного влияния на скорости движущихся вместе с потоком тел, в данном случае снаряда.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение «Дульный тормоз-компенсатор (ДТК)», патент RU2 744 219, МПК F41A 21/36, F41A 21/30, опубликовано 03.03.2021, в котором имеется трубчатая насадка, в которой отверстия в рабочих зонах камер размещены таким образом, чтобы при установке на конец ствола оружия они были ориентированы перпендикулярно оси ствола. Используют для уменьшения реактивной составляющей от газов. Позволяет уменьшить или исключить отдачу ствола при выстреле. Однако не обеспечивает разрушение гомогенности распределения плотности газового потока по его сечению с увеличением плотности от центра к периферии газового потока.

Изобретательская задача

Из газовой динамики известно, что самым эффективным способом торможения сверхзвуковой газовой струи является организация условий, при которых на пути распространения этой струи формируется скачек уплотнения. Например, скачек уплотнения будет формироваться при набегании сверхзвуковой струи на плоскую преграду. Однако, существуют случаи, когда такую преграду монолитной выполнить невозможно, в частности, когда вместе с газовой струей, например, в центральной ее части, следует тело или тела, для которых требуется обеспечить беспрепятственное прямолинейное прохождение, а увлекающий эти тела газовый поток, в котором вместе с ним движется тело, требуется максимально затормозить и отделить. За счет этого эффекта газ тормозится и рассеивается, а включения (тела) движутся дальше с заданной скоростью.

Под скачком уплотнения понимают относительно узкую область, фактически зону разрыва потока, в которой в движущемся со сверхзвуковой скоростью газе резко возрастает давление и температура, а скорость движения газов падает до скорости, ниже скорости звука, при этом поток газа испытывает торможение.

Так же из газодинамики известно, что если два или несколько препятствий расположить особым образом в непосредственной близости друг от друга, то при определенных геометрических соотношениях размеров этих препятствий и расстояний между ними границы зон торможения, создаваемые этими препятствиями в потоке газа, образуют зоны повышенного давления у каждого препятствия и эти зоны могут соприкоснуться. В расчетном случае в потоке газа перед группой таких препятствий формируется один общий скачек уплотнения, аналогичный скачку уплотнения, который бы возник в газовом потоке в случае расположения одного препятствия, выполненного как одно целое из этой группы препятствий. В таком случае, задача по обеспечению беспрепятственного прямолинейного прохождения включений, увлекаемых этим потоком будет решена.

Технический результат

Предлагаемое техническое решение обеспечивает следующий технический результат: - торможение газовой составляющей сверхзвукового газового потока без существенного влияния на скорости потока тел, движущихся соосно и совместно с газовым потоком;

- разрушение гомогенности распределения плотности газового потока по его сечению, с увеличением плотности от центра к периферии газового потока;

Реализация

Технический результат достигается за счет того, что реализуют способ торможения сверхзвукового газового потока, включающий размещение в корпусе шайбы-прерывателя перпендикулярно сверхзвуковому газовому потоку и соосно его оси, прохождение части сверхзвукового потока через сквозное отверстие шайбы- прерывателя с возможным прохождением через сквозное отверстие шайбы- прерывателя движущееся соосно вместе с потоком инородного к основному газовому потоку тела или тел, перед шайбой-прерывателем в набегающем газовом потоке формируют скачок уплотнения, прерывающий сверхзвуковое течение частиц газа в этом газовом потоке за счет соотношения геометрических размеров «d» и «D» шайбы- прерывателя. Новым в способе является то, что корпус размещают после окончания канала-источника сверхзвукового потока, образуя сквозной канал, за счет корпуса трубчатой формы формируют, по меньшей мере, одну рабочую зону, размещенную соосно каналу-источнику или несколько рабочих зон, размещенных последовательно и соосно каналу-источнику, для чего шайбу-прерыватель размещают в рабочей зоне соосно сквозному каналу, обеспечивая расстояние «Ь» между окончанием канала и шайбой-прерывателем либо соседними шайбами-прерывателями, имеющее значение не меньше половины диаметра «d» сквозного отверстия в шайбе-прерывателе, а для формирования предшествующего шайбе-прерывателю скачка уплотнения шайбу- прерыватель выполняют с наружным диаметром «D» численно равным не менее 2х диаметров отверстия «d» в этой шайбе-прерывателе. При этом рабочая зона «а» образуется при набегании сверхзвукового газового потока на шайбу-прерыватель с одновременным созданием препятствия для газо-отражения набегающего газового потока, обеспечивая формирование в пространстве перед шайбой - прерывателем в набегающем сверхзвуковом газовом потоке скачка уплотнения. Расстояние «Ь» между окончанием канала и шайбой-прерывателем либо соседними шайбами-прерывателями рассчитывают исходя из разности давлений внутри потока и во вне его, а также скорости, плотности, вязкости и температуры истекающего газа и расстояние равно, по меньшей мере, половине диаметра отверстия «d». В частном случае формируют длину каждой рабочей зоны не менее половины диаметра отверстия «d» шайбы-прерывателя.

В предлагаемом способе, торможение сверхзвукового газового потока, осуществляется выполнением условий возникновения перекрывающего отверстие для прохождения потока тел, движущихся соосно газовому потоку, скачка уплотнения. Образование (создание) скачка уплотнения осуществляется путем установки препятствий на расчетном расстоянии, достаточном для обеспечения возможности формирования скачка уплотнения перед каждым препятствием, именуемого как диск Маха. Организация расчетного расстояния не менее половины диаметра отверстия, из которого истекает газовый поток с включениями, и равное расстоянию от границы этого отверстия до специального препятствия, размещенного на пути газового потока. В качестве специального препятствия применяют, например, плоскую шайбу или серию шайб с наружным диаметром не менее чем два диаметра проходного отверстия шайбы. В контексте данной заявки данные шайбы названы шайбы-прерыватели. Тогда, в следствии взаимодействия газового потока с включениями с частями этого препятствия, в набегающем на препятствие газовом потоке будет формироваться общий, перекрывающий центральное проходное отверстие специального препятствия (шайбы - прерывателя), скачек уплотнения, что будет приводить к торможению газового потока. При этом будет сохранена возможность беспрепятственного прямолинейного движения движущемуся соосно с газовым потоком тела (телам).

В качестве 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 чертежами, которые не охватывают всех вариантов исполнения.

На Фиг1 - показаны результаты компьютерного моделирования картины распределения полей скорости и давления для случаев взаимодействия сверхзвуковой струи газа по давлению: а) с цельным препятствием в виде диска б) с препятствием в виде шайбы, геометрия которой рассчитана с соблюдением условия, описанного выше, в) с препятствием в виде шайбы, геометрия которой рассчитана без соблюдения условия, описанного выше, при этом показана картина взаимодействия потока с шайбой, у которой отверстие излишне больше диаметра истечения газового потока.

На Фиг. 2 - показаны результаты компьютерного моделирования картины распределения полей скорости и давления для случаев взаимодействия сверхзвуковой струи газа по скорости: а) с цельным препятствием в виде диска б) с препятствием в виде шайбы, геометрия которой рассчитана с соблюдением условия, описанного выше, в) с препятствием в виде шайбы, геометрия которой рассчитана без соблюдения условия, описанного выше, при этом показана картина взаимодействия потока с шайбой, у которой отверстие излишне больше диаметра истечения газового потока.

На Фиг. 3 - показана шайба-прерыватель а) плоской формы; б) конусообразной формы; в) чашеобразной формы.

Реализация способа

Конструкция реализующая данный способ торможения сверхзвукового газового потока может быть выполнена следующим образом. В цилиндрическом корпусе (1) выполненном, например, в виде трубчатой насадки, имеется подводящий канал (канал-источник) (2), имеющего отверстие (3), из которого истекает сверхзвуковой газовый поток с включениями, размещено, по меньшей мере, одно специальное препятствие, выполненное как шайба-прерыватель (4). Шайба- прерыватель (4) размещена в корпусе (1) перпендикулярно сверхзвуковому газовому потоку и соосно его оси, имеет сквозное отверстие (5) для прохождения движущегося соосно вместе с газовым потоком тела (или тел). При этом соотношение геометрических размеров шайбы-прерывателя: диаметр отверстия «d», диаметр «D» шайбы-прерывателя (4) и расстояния «Ь» до нее обеспечивает формирование перед ней в набегающем потоке газа скачка уплотнения (6), прерывающего сверхзвуковое течение газа в этом потоке. Скачок уплотнения (6) создает одну рабочую зону «а» (7), располагающуюся соосно каналу-источнику (2) и корпусу (1). Несколько таких рабочих зон могут быть организованы последовательно и соосно благодаря расположению последовательно нескольких шайб-прерывателей (4). Расстояние «h» между окончанием (отверстием) (3) канала - источника (2) и шайбой-прерывателем (4), либо двумя соседними шайбами-прерывателями (4) рассчитывают исходя из разности давлений внутри потока газа и вне его, а также скорости, плотности, вязкости и температуры истекающего газа и равно, по меньшей мере, половине диаметра сквозного отверстия «d» в соответствующей шайбе-прерывателе (4). Сквозное отверстие в шайбе-прерывателе «d» предназначено для беспрепятственного прохождения соосно движущегося с газовым потоком тела (или тел). Шайба- прерыватель (4) имеет наружным диаметр «D», численно равный не менее 2х диаметров сквозного отверстия «d». Также шайба-прерыватель может соединяться с дополнительным газо-направляющим элементом «юбкой» предназначенным для принудительного отвода газа на периферию к стенке корпуса Фиг 36, либо снабжена газо-отражающими буртиками, как показано на Фиг Зв. Шайба-прерыватель (4) может быть выполнена в различных исполнениях. Так на Фиг. За показан шайба-прерыватель (4) в виде плоской детали, на Фиг 36 в виде конусной чаши, а на Фиг. Зв - показана шайба-прерыватель тарельчатого вида. Форма продолжения шайбы-прерывателя на получение единого прямого скачка уплотнения не влияет.

Предложенный способ реализуют следующим образом.

Истекающий из канала-источника (2) в корпус (1) недорасширенный сверхзвуковой газовый поток расширяется, и наскакивая на специальное препятствие в виде шайбы-прерывателя (4) уплотняется и формирует в пространстве перед ней стабильный скачек уплотнения (6), тормозящий истекающий газовый поток.

Под термином «Недорасширенный сверхзвуковой газовый поток» понимают общеупотребительный термин, означающий поток с избыточным давлением по отношению к окружающей среде.

Как физическое явление, скачек уплотнения описан, например, в [Мхитарян А. М. Аэродинамика. М: «Машиностроение», 1976.]

Эффектом скачка уплотнения объясняется то, что при торможении сверхзвукового газового потока, когда частицы газа переходят из области пониженного давления в область повышенного давления, происходит скачкообразное (разрывное) изменение параметров, т. е. возникновение поверхности разрыва, называемой скачком уплотнения. Поверхности разрыва могут быть плоскими или криволинейными и по- разному ориентированными к направлению вектора скорости. Если поверхность разрыва нормальна к скорости потока, то скачок уплотнения называется прямым, иначе - косым. Скачок уплотнения (или ударная волна) сопровождается резким уменьшением скорости и повышением давления, плотности и температуры с потерей кинетической энергии в газовом потоке. Скачки уплотнения возникают не только при свободном истечении газа из сопла реактивного двигателя в атмосферу, но также и, например, при сверхзвуковом течении газа внутри канала.

Минимально возможное расстояние до препятствия «Ь», необходимое для того, чтобы поток газа мог сформировать скачек уплотнения (6) (также называемое «расстоянием первой бочки») рассчитывают исходя из разности давлений во входном сечении точки истечения и в зоне истечения потока, а также скорости, плотности, вязкости и температуры истекающего газа и обычно это значение не может быть меньше половины диаметра сечения потока. Если препятствием (4), на которое набегает сверхзвуковой поток, является тонкостенное кольцо с толщиной стенок менее половины внутреннего диаметра (см Фиг. 1-2 «в»), то на краях такого кольца будут формироваться короткие быстро рассасывающиеся косые скачки уплотнения, «опираясь» на которые газовый поток будет отклоняться и огибать препятствие с обеих сторон. Однако основная часть массы газа в потоке при этом будет иметь распределение согласно закону Гаусса и продолжит двигаться со сверхзвуковой скоростью в центральной части потока.

Если сверхзвуковой поток набегает на препятствие (4) в виде толстостенного кольца (Фиг 1-2 «б»), толщина стенок которого рассчитана таким образом, чтобы зоны повышенного давления от косых скачков уплотнения, образовавшихся на его краях, успели «встретиться» до момента своего разрушения и соединиться в его центре (обычно это происходит при толщине стенок равной или более половины внутреннего диаметра), то это приводит в формированию одного большого общего скачка уплотнения перед всей торцевой поверхностью кольца (подобного скачку уплотнения, который бы формировался в случае, если бы препятствие было не кольцом, а цельным диском (Фиг 1-2 «а»)), т.е. поток начинает «воспринимать» такое кольцо как цельное препятствие с виртуальным «заполнителем» отверстия (5), в котором служит повышенное давление препятствующее протеканию потока в осевом направлении, в результате чего, текущий поток газа будет вынужден не только тормозиться, но и огибать препятствие снаружи, таким образом, что в суммарном потоке после огибания препятствия плотность оказывается перераспределенной в сторону периферийных областей потока с законом распределения плотности подобным закону обратного распределения Гаусса. При этом следующее соосно с потоком тело (или тела) меньшего чем диаметр «d» 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 очень эффективного торможения потока, характеризующегося высоким значением коэффициента отношения величины потери скорости потока к длине пути торможения, побочным эффектом, в следствии необходимости потоку огибать препятствие снаружи, также будет разрушение гомогенности распределения плотности газового потока по его сечению с увеличением плотности газового потока после прохождения препятствия от центра к его периферии, что создает дополнительные инженерные удобства для его дальнейшего отведения, торможения, охлаждения, рекуперации и т.п. Следующие по оси потока тело или тела продолжат двигаться прямолинейно. Проведенные натурные тестовые испытания показали хорошее соответствие результатов практических испытаний, результатам компьютерного моделирования.