АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Новое направление в ветроэнергетике и гидроэнергетике: |
Главная >>
Физика процесса концентрации >>
Контакты >>
Дополнительно:
Перспективные направления и
ресурсы российской электроэнергетики >>
Cамообеспечение в коттеджах >>
Проект «Да здравствует
любовь» >>
НЕМНОГО О ФИЗИКЕ ПРОЦЕССА КОНЦЕНТРАЦИИ ПОТОКОВ
На самом деле в конфузорах никакой в нашем понимании концентрации потока не происходит, так как такого физического явления нет (точнее оно не первично). Зато в гидродинамике есть другие известные явления, как эффект эжекции и эффект Коанды. Эти эффекты позволяют обойтись без закона Бернулли, который в свете последних лет подвергается большому сомнению, причем не без оснований (Бернулли не знал о явлении эжекции, открытой ещё через 130 лет, которое не позволяет правильно измерить давление в движущейся жидкости с помощью жидкостного манометра).
Эжекция – это процесс смешения двух каких-либо сред, в котором одна среда, находясь под давлением, оказывает воздействие на другую и увлекает ее в требуемом направлении.
Эффект Коанды – физическое явление, заключающееся в том, что струя жидкости или газа, вытекающая из сопла, стремится отклониться по направлению к стенке и при определённых условиях прилипает к ней. Это объясняется тем, что боковая стенка препятствует свободному поступлению воздуха с одной стороны струи, создавая вихрь в зоне пониженного давления.
В случае с конфузором поток, проходящий через его выходное отверстие, так как не встречает сопротивления, является наиболее быстрым и благодаря эффекту эжекции увлекает с собой дополнительно практически столько же воздуха. Уплотняясь и расширяясь на выходе конфузора, поток разгоняется на 15–20%. Создав дополнительное разряжение на выходе конфузора с помощью потоков, обтекающих конфузор с внешней стороны, мы сможем поднять скорость выходного потока еще до 20–30%.
Составляя уравнение неразрывности потока (весь поток должен пройти через концентратор), получим следующее соотношение:
где р1, р2 – плотность воздуха до концентратора и после, S1, S2 – площадь входного и выходного отверстия концентратора, V1, V2 – скорость потока до концентратора и после, M – масса потока. Из уравнения видно, что поток может не только ускоряться (возрастает его скорость), но и уплотняться. А уплотняться он сможет более эффективно при использовании концентраторов спирального типа. Когда мы используем в качестве концентратора спиральную конструкцию, поток испытывает при движении центробежное ускорение, причём постоянно увеличивающееся до очень существенных величин (до 10–20 «g», ускорений свободного падения). Ничего странного нет, если при таких ускорениях поперечные размеры потока уменьшаются, и он, концентрируясь, уплотняется и разгоняется. На выходе концентратора необходимо поставить диффузор как на трубе Вентури, чтобы поток не потерял напора и получил нужное направление. В этом диффузоре на сжатый (уплотнённый) поток перестают действовать центробежные силы, и поток, расширяясь до плотности воздуха в рабочей камере ветрогенератора, ещё больше разгоняется. Надо понимать, что достаточное уплотнение потока и уровень концентрации невозможно получить на маленьких моделях, так как уплотнение воздуха происходит под собственным весом потока, который возрастает при ускорениях. И если поток маленький (лёгкий), то сжаться он существенно не сможет.
Исходя из особенностей работы спирального концентратора, можно понять, что его сопротивление должно быть меньше (даже значительно меньше), чем у любых прочих конструкций. Интересно, что в случае, если мы сможем уплотнить поток выше определенной величины, например в количество раз S2/S1 (это если скорость потока не изменяется, а на самом деле эта величина гораздо меньше), то получим концентратор с отрицательным сопротивлением – воздух будет туда даже засасываться (как у Шауберга). Кстати, это объясняет устойчивость и стабильность таких вихревых структур, как смерч (торнадо). Случайно возникший вихревой поток становится устойчивым и может увеличить свою силу и мощность, если его скорости будет достаточно для возникновения эффекта всасывания. Благодаря этому эффекту и возникает энергетическая подпитка смерча.
Из закона сохранения энергии мы можем даже оценить скорость потока на выходе концентратора:
Отсюда
Из уравнения видно, что если на выходе концентратора мы создадим разрежение с помощью инжекционных устройств (р2 станет меньше чем р1), скорость пока возрастёт, а, значит, увеличится эффективность концентратора и ветроустановки в целом. Вряд ли возможно создание концентраторов, имеющих достаточно маленькое сопротивление при разности площадей входного и выходного отверстий более чем 10–16 раз. Поэтому, исходя из формулы, получаем, что скорость выходного потока будет превышать скорость входного потока максимум в 2,0–2,5 раза.
Чтобы поднять эффективность концентратора конфузорного типа до требуемых величин, нужно придать входящему потоку вихревую составляющую спиралевидными направляющими на внутренней стенке конфузора, – необходимо что-то типа рассекателя в средней части, отбрасывающего поток на стенки конфузора. Как будет работать эта конструкция не известно, но в плане технологии реализации она уже совсем не простая.
Всё-таки проще, наверное, сделать концентратор в виде сопла Савельева, взяв в качестве рассекателя тело аэродинамической формы, а форму стен конфузора сделать спиралеобразной.
В качестве идеального концентратора лучше всего подойдёт сужающаяся труба, причём закрученная в пространственную логарифмическую спираль. Поток внутри трубы должен также закручиваться при движении вдоль трубы, вокруг её оси. Для этого внутренняя поверхность трубы должна иметь спиральные направляющие, либо сама труба должна иметь сложное сечение (например, как на рис. 1) и сама должна быть закручена в спираль. Опять мы пришли к трубе Шауберга (двойная спираль), сделать которую технологически сложно и дорого.
Рис. 1. Возможные сечения трубы.
Следует иметь в виду, что для более эффективного использования спиралевидных концентраторов нужно учитывать силу Кориолиса для выбора направления закручивания спирали (по часовой стрелке или против).
В случае концентрации гидропотоков ни о каком уплотнении и речи быть не может (жидкость и сотней «g» не сожмёшь). При концентрации гидропотоков надо учитывать, что в зависимости от конструкции может возрастать не только скорость выходного потока, но и его потенциальная энергия (уровень потока станет выше уровня реки). Как лучше концентрировать – создать перепад или только увеличить скорость – зависит от конструкции используемой гидротурбины. Вариантов реализации окончательной фазы отъёма энергии у реки много, но не забудьте о геликоидной турбине Горлова как о наиболее эффективной при слабых течениях.
Данная модель объясняет процесс концентрации достаточно поверхностно, но будьте снисходительны, ведь даже объяснение подъёмной силы крыла в аэродинамике до сих пор маловразумительно.
© ООО «Вингс», 2008–2014 | Хостинг: beget.ru | Создание сайта: mcprogramming.ru