Формирование закрученных течений ― то есть таких, в которых поток сохраняет преимущественно продольную направленность с наложением вращательного компонента ― может быть реализовано двумя принципиально различающимися физическими способами:
1) Форсированное (прямоточное) формирование закрученного потока:
Формирование закрученного течения осуществляется за счёт прохождения потока среды (жидкости или газа) сквозь стационарное закручивающее устройство. При этом сам источник закрутки остается неподвижным. За счёт геометрии, структуры и расположения закручивающих элементов поток приобретает тангенциальную составляющую скорости, образуя спиральное движение.
Такой способ можно назвать реактивным или статическим ― используется во множестве промышленных устройств: от циклонных сепараторов и пылеулавливателей до форсунок турбулентного распыления, и вихревых горелок.
Характерные черты форсированного формирования:
– Среда активно нагнетается внешним источником давления (компрессор, насос, вентилятор);
– Закручивание осуществляется при прохождении через фиксированные элементы (лопатки, спирали, жёлоба, ленточные вставки);
– Направления и интенсивность закрутки зависят от конструкции элементов (угол наклона, шаг, ориентация, симметрия);
– Возможна гибкая регулировка путём изменения подачи и скоростного режима через устройство.
2) Динамическое (активное) возбуждение закрученного течения:
В данном способе закручивающее устройство само совершает движение внутри покоящейся или медленно движущейся среды (например, воды или воздуха). За счёт собственного вращения и воздействия на соседнюю массу среды возникает закрученный поток, который следует за движущимися элементами или образуется в создаваемом ими следе.
Данный принцип можно описать как «вихреобразующее движение тела в среде». Он активно используется в таких системах, как:
– Погружные вихревые насосы;
– Аппараты принудительного перемешивания;
– Роторные пастеризаторы;
– Механические генераторы вихрей (в том числе бионические конструкции, имитирующие плавники или крылья, создающие вихревой шлейф).
Особенности динамического формирования:
– Источником кинетической энергии служит движение самого возбуждающего элемента (не обязательно поток среды);
– Могут использоваться как одиночные, так и многовитковые/многолопастные устройства (гребёнки, винтовые системы, логарифмические спирали);
– Закрученный поток появляется как реакция на механическое воздействие тела на среду;
– В условиях жидкости может сохраняться вихревой след после прекращения движения устройства – эффект остаточного движения.
Таким образом, оба способа формирования линейных закрученных течений построены на использовании закручивающего устройства, но различаются физической природой возбуждения потока: в первом случае энергия передаётся через среду форсированным движением, во втором – непосредственно от движущегося тела.
Примеры реализации закручивающих устройств будут рассмотрены в последующих пунктах. В зависимости от требований к создаваемому потоку (скорость, устойчивость, мерность, энергетика), подбирается соответствующая конструкция завихрителя, его расположение, геометрия и схема возбуждения.
В целом, выбор метода формирования линейного закрученного течения зависит от:
– Характера целевого применения (энергетика, сепарация, смешивание);
– Типа отражающей среды (газ, жидкость);
– Необходимой степени закрутки (интенсивность тангенциальной составляющей);
– Наличия или отсутствия внешнего источника давления или привода.
Таким образом, понимание различий между форсированным и динамическим возбуждением потока позволяет более целенаправленно проектировать вихревые системы и адаптировать их под нужные процессы.