RU2598454C1

RU2598454C1 - Method of vibration control of heterogeneous density hydrodynamic systems in rotary containers

Info

Publication number: RU2598454C1
Application number: RU2015117801/05A
Authority: RU
Inventors: Виктор Геннадьевич Козлов; Алевтина Алексеевна Иванова; Алексей Анатольевич Вяткин
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2016-09-27

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention can be used in chemical industry, in particular, to control heat and mass transfer in chemical processes taking place in rotary containers. Method of vibration control of heterogeneous density hydrodynamic systems in rotary containers is characterized by that the rotary container with heterogeneous density medium is exposed to transverse to the axis of rotation vibrations with cyclic frequency equal to the angular rotation frequency or different from the angular rotation frequency by a small value, which results in development of static or rotating in the container reference system additional induced force field changing the field of inertia centrifugal force, herewith the value and the direction of the induced field are determined by amplitude and phase of the vibrations.

EFFECT: invention provides efficient real-time control of mass distribution, heat transfer rate and intensity of mixing heterogeneous density hydrodynamic systems in rotary containers by means of vibrations and can be used in chemical industry, in particular, to control heat and mass transfer in chemical processes.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение может быть применено в химической промышленности, в частности для управления тепломассопереносом в химических технологических процессах, протекающих во вращающихся контейнерах.The invention can be applied in the chemical industry, in particular for controlling heat and mass transfer in chemical processes occurring in rotating containers.

Известно, что вибрационное воздействие эффективно используется для управления процессами тепломассопереноса в неоднородных гидродинамических системах. Например, при помощи вибраций можно изменять свойства металла (патент RU 93044667). Вибрации облегчают выход газов из жидкого металла, способствуют образованию более однородной структуры металла и введению в металл различных порошковых добавок.It is known that vibration exposure is effectively used to control heat and mass transfer processes in heterogeneous hydrodynamic systems. For example, using vibration, you can change the properties of the metal (patent RU 93044667). Vibrations facilitate the escape of gases from the liquid metal, contribute to the formation of a more uniform metal structure and the introduction of various powder additives into the metal.

Другим примером является вибрационный экстрактор (патент RU 2082385), суть которого заключается в том, что колебательные воздействия на газожидкостную систему с частотой собственных колебаний дают положительный эффект при экстрагировании биологического сырья для получения лекарственных и других препаратов, выражающийся в увеличении выхода экстракта, его обогащения биологически активными компонентами сырья и получении в готовой потребительской форме.Another example is a vibratory extractor (patent RU 2082385), the essence of which is that the vibrational effects on a gas-liquid system with a natural frequency give a positive effect when extracting biological raw materials to obtain medicinal and other drugs, which is expressed in increasing the yield of the extract, its enrichment biologically active components of raw materials and receipt in finished consumer form.

В вышеназванных примерах неоднородные системы подвергаются вибрационному воздействию при отсутствии вращения. Существует ряд примеров, когда неоднородные среды испытывают одновременное влияние вибраций и вращения. К примеру, известен пульсационно-центробежный смеситель (патент RU 2379098), который относится к устройствам смешения гетерогенных сред при помощи мешалок, генерирующих совокупность двух полей - пульсационного и центробежного и позволяет за счет частичного преобразования вращательного движения мешалок в пульсации гетерогенной среды увеличить эффективность использования вводимой в аппарат энергии.In the above examples, heterogeneous systems are exposed to vibration in the absence of rotation. There are a number of examples where inhomogeneous media experience the simultaneous influence of vibration and rotation. For example, a pulsation-centrifugal mixer (patent RU 2379098) is known, which relates to devices for mixing heterogeneous media using mixers that generate a combination of two fields - pulsation and centrifugal and allows, due to the partial conversion of the rotational movement of the mixers into pulsations of a heterogeneous medium, to increase the efficiency of using the introduced into the energy apparatus.

Известен роторный смеситель с механическим вибровозбудителем (патент RU 2297274), содержащий камеру смешивания, ротор с приводом вращения, выполненный с лопастями, вибратор, выполненный в виде тарельчатых пружин с резиновыми амортизаторами, и жестко закрепленный в середине камеры смешивания. Вибратор имеет кривошипно-шатунный механизм, с помощью которого тарельчатые пружины возбуждают колебания частиц в горизонтальном направлении. В смесителе имеется возможность регулировать интенсивность вибрации посредством изменения частоты вращения привода кривошипно-шатунного механизма.Known rotary mixer with a mechanical vibration exciter (patent RU 2297274), containing a mixing chamber, a rotor with a rotary drive, made with blades, a vibrator made in the form of disk springs with rubber shock absorbers, and rigidly fixed in the middle of the mixing chamber. The vibrator has a crank mechanism, with the help of which the Belleville springs excite particle vibrations in the horizontal direction. In the mixer, it is possible to adjust the intensity of the vibration by changing the speed of the drive of the crank mechanism.

Известно управляющее воздействие высокочастотных вибраций на неоднородные по плотности гидродинамические системы, когда осредненные массовые силы генерируются в результате нелинейных эффектов, связанных с колебаниями гидродинамической системы в осциллирующем силовом инерционном поле. Например, вибрационная тепловая конвекция (Gershuni G.Z., Lyubimov D.V. Thermal vibrational convection (Гершуни Г.З., Любимов Д.В. Тепловая вибрационная конвекция). John Wiley & Sons. England. 1998. 358 р.), в том числе вибрационная тепловая конвекция во вращающихся системах (Козлов В.Г. Вибрационная тепловая конвекция во вращающихся полостях. Изв. РАН МЖГ. 2004. №1. С. 5-14), а также осредненные эффекты в колеблющихся многофазных системах (Любимов Д.В., Любимова Т.П., Черепанов А.А. Динамика поверхностей раздела в вибрационных полях. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ. 2003. 216 с.).The control effect of high-frequency vibrations on non-uniform density hydrodynamic systems is known, when averaged mass forces are generated as a result of nonlinear effects associated with vibrations of the hydrodynamic system in an oscillating inertial force field. For example, vibrational thermal convection (Gershuni GZ, Lyubimov DV Thermal vibrational convection (Gershuni G.Z., Lyubimov D.V. Thermal vibrational convection). John Wiley & Sons. England. 1998. 358 p.), Including vibrational thermal convection in rotating systems (VG Kozlov. Vibrational thermal convection in rotating cavities. Izv. RAS MZHG. 2004. No. 1. P. 5-14), as well as averaged effects in oscillating multiphase systems (Lyubimov D.V., Lyubimova T.P., Cherepanov A.A. Dynamics of interface surfaces in vibration fields. - M.: FIZMAT LIT. 2003. 216 p.).

Однако заявленное изобретение принципиально отличается от приведенных выше тем, что силовое поле, создаваемое во вращающейся системе в результате вибраций, не связано с колебаниями гидродинамической системы относительно контейнера, и оно определяет распределение неоднородной по плотности гидродинамической системы, в том числе конвекцию и теплоперенос. Важной особенностью является простота управления величиной и направлением поля за счет изменения амплитуды и фазы вибрационного воздействия.However, the claimed invention differs fundamentally from the above in that the force field created in the rotating system as a result of vibrations is not related to the vibrations of the hydrodynamic system relative to the container, and it determines the distribution of the non-uniform density hydrodynamic system, including convection and heat transfer. An important feature is the simplicity of controlling the magnitude and direction of the field by changing the amplitude and phase of the vibration effect.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в достижении эффективного вибрационного управления неоднородными по плотности гидродинамическими системами разной природы, неизотермическими однородными или многофазными, во вращающихся контейнерах.The problem to which the invention is directed, is to achieve effective vibration control of heterogeneous density hydrodynamic systems of different nature, non-isothermal homogeneous or multiphase, in rotating containers.

Решение задачи достигается за счет того, что способ вибрационного управления неоднородными по плотности гидродинамическими системами во вращающихся контейнерах заключается в вибрационном воздействии на вращающийся контейнер с неоднородной по плотности средой, причем циклическая частота вибраций равна угловой частоте вращения или отличается от угловой частоты вращения на небольшую величину, а направление вибраций перпендикулярно оси вращения. Такие вибрации приводят к созданию статического или вращающегося в системе отсчета контейнера дополнительного наведенного силового поля, изменяющего поле центробежной силы инерции, причем величина и направление наведенного поля определяются амплитудой и фазой вибраций и могут оперативно изменяться. Посредством изменения циклической частоты вибраций относительно угловой частоты вращения покоя достигается вращение поля относительно полости.The solution to the problem is achieved due to the fact that the method of vibration control of non-uniform density hydrodynamic systems in rotating containers consists in vibration exposure to a rotating container with a density-inhomogeneous medium, and the cyclic vibration frequency is equal to the angular frequency of rotation or differs from the angular frequency of rotation by a small amount, and the direction of vibration is perpendicular to the axis of rotation. Such vibrations lead to the creation of a static or rotating in the reference frame container of an additional induced force field that changes the field of centrifugal inertia, and the magnitude and direction of the induced field are determined by the amplitude and phase of the vibrations and can quickly change. By changing the cyclic vibration frequency with respect to the angular rest speed, rotation of the field relative to the cavity is achieved.

Техническим результатом является эффективное управление распределением масс, скоростью теплопередачи и интенсивностью перемешивания неоднородных по плотности гидродинамических систем во вращающихся контейнерах при помощи вибраций.The technical result is the effective control of mass distribution, heat transfer rate and mixing intensity of non-uniform density hydrodynamic systems in rotating containers by means of vibrations.

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1, 2 и 3), описание которых приводится ниже.The invention is illustrated by drawings (Fig. 1, 2 and 3), the description of which is given below.

Заявленный способ осуществляется следующим образом.The claimed method is as follows.

Контейнер произвольной формы (выберем для примера цилиндр кругового сечения радиусом R), заполненный неоднородными по плотности средами (твердые тела в жидкости, жидкость и газ, несмешивающиеся жидкости разной плотности, неоднородно нагретая жидкость), приводится во вращение вокруг заданной оси с угловой частотой Ω_rot при помощи шагового двигателя. При вращении контейнера центробежное поле

, где

- радиус-вектор, перпендикулярный оси вращения контейнера, оказывает на систему стабилизирующее действие и приводит ее в состояние механического квазиравновесия, соответствующее центрифугированному состоянию, когда легкая среда находится у оси вращения, а тяжелая распределяется около стенки контейнера. На фиг. 1 показано поперечное сечение цилиндрического контейнера, заполненного жидкостью, в которую погружены «тяжелое» 1 и «легкое» 2 тела. «Легким» будем называть тело, плотность которого меньше плотности жидкости, а «тяжелым» - тело с плотностью, превышающей плотность жидкости. В центрифугированном состоянии легкое тело 1 радиусом R₀ находится у оси вращения, а тяжелое тело 2 - у стенки контейнера. Для перехода гидродинамической системы в центрифугированное состояние во внешнем силовом поле (в поле силы тяжести) вращение должно быть достаточно быстрым. В условиях пониженной гравитации центрифугирование происходит при медленном вращении.An arbitrary-shaped container (for example, choose a circular cylinder of radius R) filled with non-uniform density media (solids in a liquid, liquid and gas, immiscible liquids of different densities, non-uniformly heated liquids), are rotated around a given axis with an angular frequency Ω _rot using a stepper motor. When the container rotates, the centrifugal field

where

- the radius vector, perpendicular to the axis of rotation of the container, exerts a stabilizing effect on the system and brings it into a state of mechanical quasiequilibrium, corresponding to the centrifuged state, when the light medium is located on the axis of rotation and the heavy medium is distributed near the container wall. In FIG. 1 shows a cross section of a cylindrical container filled with liquid into which the “heavy” 1 and “light” 2 bodies are immersed. We will call “light” a body whose density is less than the density of the liquid, and “heavy” - a body with a density higher than the density of the liquid. In a centrifuged state, light body 1 of radius R ₀ is located at the axis of rotation, and heavy body 2 is located at the container wall. For the hydrodynamic system to transition to a centrifuged state in an external force field (in the field of gravity), the rotation must be fast enough. Under conditions of reduced gravity, centrifugation occurs during slow rotation.

Система, находящаяся в состоянии квазиравновесия, подвергается поперечным оси вращения поступательным вибрациям с циклической частотой Ω_vib при помощи механического либо электродинамического вибратора (фиг. 1, b - амплитуда вибраций, t - время, α - сдвиг по фазе,

- единичный вектор, направленный вдоль оси вибраций). При условии, что циклическая частота вибраций Ω_vib равна угловой частоте вращения Ω_rot, вибрации приводят к формированию статического во вращающейся системе отсчета силового поля

(далее будем называть его наведенным полем), где

- единичный вектор, направленный вдоль наведенного поля. На фиг. 2 показаны центробежное и наведенное силовые поля в системе отсчета контейнера (во вращающейся системе отсчета). Направление

в системе отсчета контейнера определяется разностью фаз между колебаниями контейнера в лабораторной системе отсчета и угловым положением контейнера и определяется выражением

. Здесь

- единичный вектор, направленный вдоль оси х, связанной с полостью декартовой системы координат, выбранной так, что ось z совпадает с осью вращения, а направление оси х отвечает условию

. Наведенное поле нарушает симметрию центробежного силового поля. В результате происходит перераспределение масс в многофазной неоднородной по плотности системе: легкое тело смещается от оси вращения контейнера, а тяжелое тело занимает устойчивое положение у стенки контейнера в определенном месте, соответствующем минимуму потенциальной энергии. На фиг. 3 показано результирующее силовое поле при сложении наведенного и центробежного полей во вращающейся системе отсчета. Результирующее поле является осесимметричным, с осью О, смещенной от оси вращения на расстояние b/2. Величина смещения легкого тела равна b/2, т.е. возрастает с увеличением амплитуды вибраций. В случае b/2+R₀>R легкое тело будет прилегать вплотную к стенке контейнера. Следовательно, изменяя амплитуду вибраций, можно перемещать легкое включение вдоль радиуса. В контейнере кругового сечения легкие и тяжелые включения смещаются в противоположные стороны от оси вращения. В контейнерах некругового сечения смещения включений помимо результирующего силового поля будут также зависеть от формы полости.A system in a state of quasiequilibrium is subjected to translational vibrations transverse to the axis of rotation with a cyclic frequency Ω _vib using a mechanical or electrodynamic vibrator (Fig. _1b - vibration amplitude, t - time, α - phase shift,

is a unit vector directed along the axis of vibrations). Provided that the cyclic vibration frequency Ω _vib is equal to the angular frequency of rotation Ω _rot , the vibrations lead to the formation of a force field static in the rotating reference frame

(hereinafter we will call it the induced field), where

is a unit vector directed along the induced field. In FIG. 2 shows the centrifugal and induced force fields in the container reference system (in a rotating reference system). Direction

in the reference frame of the container is determined by the phase difference between the vibrations of the container in the laboratory reference system and the angular position of the container and is determined by the expression

. Here

- a unit vector directed along the x axis associated with the cavity of the Cartesian coordinate system, chosen so that the z axis coincides with the rotation axis, and the direction of the x axis meets the condition

. The induced field violates the symmetry of the centrifugal force field. As a result, the redistribution of masses occurs in a multiphase system with a heterogeneous density: the light body shifts from the axis of rotation of the container, and the heavy body occupies a stable position near the container wall in a certain place corresponding to the minimum potential energy. In FIG. 3 shows the resulting force field when the induced and centrifugal fields are combined in a rotating reference frame. The resulting field is axisymmetric, with the axis O offset from the axis of rotation by a distance b / 2. The amount of displacement of the lung body is b / 2, i.e. increases with increasing amplitude of vibrations. In the case of b / 2 + R ₀ > R, the light body will abut close to the container wall. Therefore, by changing the amplitude of the vibrations, you can move the light inclusion along the radius. In a circular container, light and heavy inclusions are displaced in opposite directions from the axis of rotation. In containers of a non-circular cross section, the displacements of inclusions, in addition to the resulting force field, will also depend on the shape of the cavity.

Изменение разности фаз α между колебаниями контейнера в лабораторной системе отсчета и угловым положением контейнера позволяет задавать направление наведенного силового поля в системе контейнера, а значит, азимутальное положение фазовых включений, т.е. позволяет переместить легкое фазовое включение (тело, жидкость, газ) по азимуту в нужную точку контейнера, а тяжелое фазовое включение переместить в одно из ее устойчивых положений вдоль периметра контейнера.Changing the phase difference α between the oscillations of the container in the laboratory reference system and the angular position of the container allows you to set the direction of the induced force field in the container system, and therefore the azimuthal position of the phase inclusions, i.e. allows you to move the light phase inclusion (body, liquid, gas) in azimuth to the desired point on the container, and move the heavy phase inclusion to one of its stable positions along the perimeter of the container.

Если контейнер заполнен неоднородной неизотермической жидкостью, то наведенное силовое поле может быть использовано для интенсификации или подавления теплопереноса. Эффект будет зависеть от температурного распределения и фазы вибраций, то есть направления наведенного поля. С увеличением амплитуды вибраций воздействие будет усиливаться.If the container is filled with a non-uniform non-isothermal fluid, then the induced force field can be used to intensify or suppress heat transfer. The effect will depend on the temperature distribution and the phase of the vibrations, i.e. the direction of the induced field. With an increase in the amplitude of vibrations, the effect will increase.

Если циклическая частота вибраций отличается от угловой частоты вращения на небольшую величину ΔΩ=Ω_vib-Ω_rot (что соответствует изменению фазы колебаний со временем по закону α=ΔΩt), то наведенное силовое поле, возникающее под действием вибраций, медленно вращается относительно контейнера с угловой частотой |ΔΩ|. В зависимости от знака ΔΩ поле вращается либо в направлении вращения контейнера, при ΔΩ>0 (что соответствует опережающему вращению в лабораторной системе отсчета), либо в противоположном направлении, при ΔΩ<0 (соответствует отстающему вращению).If the cyclic vibration frequency differs from the angular rotation frequency by a small amount ΔΩ = Ω _vib -Ω _rot (which corresponds to the change in the phase of the oscillations with time according to the law α = ΔΩt), then the induced force field arising under the action of vibrations slowly rotates relative to the container with the angular frequency | ΔΩ |. Depending on the sign of ΔΩ, the field rotates either in the direction of rotation of the container, for ΔΩ> 0 (which corresponds to leading rotation in the laboratory reference system), or in the opposite direction, for ΔΩ <0 (corresponds to lagging rotation).

Описанные эффекты не связаны с полем силы тяжести и с успехом могут быть использованы в технологических процессах, проходящих в условиях невесомости.The described effects are not related to the field of gravity and can be successfully used in technological processes taking place in zero gravity.

Далее представлены конкретные примеры осуществления изобретения.The following are specific examples of carrying out the invention.

Пример 1. Цилиндрический плексигласовый контейнер радиусом R=35 мм и длиной 280 мм заполняют водой и помещают в него легкое цилиндрическое тело радиусом R₀=20 мм. Герметично закрытый контейнер закрепляют горизонтально на столике вибратора и приводят во вращение с угловой скоростью Ω_rot при помощи шагового двигателя. После центрифугирования системы, когда легкое тело занимает устойчивое положение на оси вращения под действием центробежной силы, столику, на котором закреплен контейнер, сообщают поперечные оси вращения вибрации с циклической частотой Ω_vib. Вибрации сообщают при помощи механического вибратора, задающего поступательные вибрации в горизонтальном направлении. Частоту и амплитуду вибраций изменяют в диапазоне: ƒ_vib≡Ω_vib/2π=2-5, b=1-40 мм. Опыты проводят при различных значениях скорости вращения ƒ_rot≡Ω_rot/2π=3 и 4 об/с. При равенстве частот Ω_vib и Ω_rot тело смещается от оси вращения контейнера и занимает статическое в системе отсчета полости положение. Величина смещения тела зависит от амплитуды вибраций и равна b/2, т.е. возрастает с увеличением b. При амплитудах, превышающих 30 мм, т.е. когда b/2+R₀>R, легкое тело вплотную прилегает к стенке контейнера.Example 1. A cylindrical plexiglass container with a radius of R = 35 mm and a length of 280 mm is filled with water and a light cylindrical body with a radius of R ₀ = 20 mm is placed in it. The sealed container is fixed horizontally on a table vibrator and is rotated with an angular velocity Ω _rot using a stepper motor. After centrifugation of the system, when the light body occupies a stable position on the axis of rotation under the action of centrifugal force, the transverse axis of rotation of the vibration with a cyclic frequency Ω _{vib is} reported to the stage on which the container is _mounted . Vibrations are reported using a mechanical vibrator that sets the translational vibrations in the horizontal direction. The frequency and amplitude of vibrations vary in the range: ƒ _vib ≡Ω _vib / 2π = 2-5, b = 1-40 mm. The experiments are carried out at different values of the rotation speed ƒ _rot ≡Ω _rot / 2π = 3 and 4 rpm. If the frequencies Ω _vib and Ω _{rot are} _equal , the body shifts from the container rotation axis and occupies a static position in the reference frame of the cavity. The magnitude of the body displacement depends on the amplitude of the vibrations and is equal to b / 2, i.e. increases with increasing b. At amplitudes exceeding 30 mm, i.e. when b / 2 + R ₀ > R, the light body is adjacent to the container wall.

Если циклическая частота вибраций отличается от угловой частоты вращения на небольшую величину (2-3%), то тело совершает круговое движение с частотой ΔΩ=Ω_vib-Ω_rot, в системе отсчета полости. При Ω_vib-Ω_rot>0 направление азимутального движения тела в системе отсчета полости совпадает с направлением вращения полости в лабораторной системе отсчета, то есть тело совершает опережающее азимутальное перемещение. Область отрицательных значений ΔΩ соответствует отстающему движению тела.If the cyclic vibration frequency differs from the angular rotation frequency by a small amount (2-3%), then the body performs a circular motion with a frequency ΔΩ = Ω _vib -Ω _rot , in the reference frame of the cavity. For Ω _vib -Ω _rot > 0, the direction of the azimuthal motion of the body in the reference frame of the cavity coincides with the direction of rotation of the cavity in the laboratory reference frame, that is, the body performs an advanced azimuthal movement. The region of negative ΔΩ values corresponds to the lagging body movement.

Пример 2. Рассмотрим герметичный цилиндрический плексигласовый контейнер радиусом R=18 мм и длиной 187 мм, заполненный водным раствором медного купороса (для обеспечения внутреннего разогрева жидкости при прохождении через жидкость электрического тока; напряжение подводится к электропроводным фланцам). Боковая граница контейнера поддерживается при постоянной температуре за счет обдува воздухом или орошения термостатированной жидкостью. Контейнер располагают горизонтально, жестко закрепляют на столике вибратора и приводят в относительно быстрое вращение. Скорость вращения Ω_rot задается при помощи шагового двигателя. Затем через жидкость пропускают переменный электрический ток промышленной частоты, задающий мощность внутреннего тепловыделения. После установления в системе стационарного распределения температуры столику, на котором закреплен контейнер, сообщают поперечные оси вращения горизонтальные поступательные вибрации с циклической частотой Ω_vib при помощи механического вибратора. Частоту и амплитуду вибраций изменяют в диапазоне: ƒ_vib≡Ω_vib/2π=2-5 Гц, b=1-30 мм. Опыты проводят при скорости вращения ƒ_rot≡Ω_rot/2π=2, 3 и 4 об/с.Example 2. Consider a sealed cylindrical plexiglass container with a radius of R = 18 mm and a length of 187 mm filled with an aqueous solution of copper sulfate (to ensure internal heating of the liquid when an electric current passes through the liquid; voltage is supplied to the electrically conductive flanges). The lateral boundary of the container is maintained at a constant temperature due to blowing with air or irrigation with a thermostated liquid. The container is placed horizontally, rigidly fixed to the vibrator table and brought into relatively rapid rotation. The rotation speed Ω _rot is set using a stepper motor. Then an alternating electric current of industrial frequency is passed through the liquid, which sets the power of internal heat generation. After the stationary temperature distribution is established in the system, the table on which the container is fixed is informed of the transverse axis of rotation by horizontal translational vibrations with a cyclic frequency Ω _vib using a mechanical vibrator. The frequency and amplitude of the vibrations vary in the range: ƒ _vib ≡Ω _vib / 2π = 2-5 Hz, b = 1-30 mm. The experiments are carried out at a rotation speed of ƒ _rot ≡Ω _rot / 2π = 2, 3 and 4 rev / s.

При быстром вращении под действием центробежной силы в полости устанавливается осесимметричное температурное распределение с максимумом на оси вращения. При этом жидкость находится в состоянии устойчивого равновесия в осесимметричном поле центробежной силы. В области частот Ω_vib, отличных от Ω_rot более чем на 5%, конвекция в полости отсутствует, вибрации не оказывают влияния на теплоперенос, температура жидкости на оси Т соответствует теплопроводному режиму теплопереноса и практически не изменяется с частотой вибраций. Вибрации оказывают значительное влияние на состояние неизотермической жидкости в узкой области частот, близких к частоте вращения. Температура жидкости на оси Т значительно уменьшается в этой области, что свидетельствует о возникновении конвективных течений. Конвекция связана с генерацией в полости наведенного поля

, которое приводит к нарушению симметрии центробежного поля. В рассмотренной постановке центробежное силовое поле в отсутствие вибраций отвечает условию равновесия осесимметричного температурного распределения. В зависимости от величины наведенного поля температура Т может понизиться в несколько раз, что соответствует повышению интенсивности теплопереноса также в несколько раз.With rapid rotation under the action of centrifugal force, an axisymmetric temperature distribution is established in the cavity with a maximum on the axis of rotation. In this case, the liquid is in a state of stable equilibrium in the axisymmetric field of centrifugal force. In the range of frequencies Ω _vib other than Ω _{rot by} more than 5%, there is no convection in the cavity, vibrations do not affect heat transfer, the temperature of the liquid on the T axis corresponds to the heat-conducting heat transfer mode and practically does not change with the vibration frequency. Vibrations have a significant effect on the state of a non-isothermal fluid in a narrow frequency range close to the rotational speed. The fluid temperature on the T axis decreases significantly in this region, which indicates the occurrence of convective flows. Convection is associated with the generation of an induced field in the cavity

, which leads to a violation of the symmetry of the centrifugal field. In the considered formulation, the centrifugal force field in the absence of vibrations corresponds to the equilibrium condition of the axisymmetric temperature distribution. Depending on the magnitude of the induced field, the temperature T can decrease several times, which corresponds to an increase in the intensity of heat transfer by several times.

Таким образом, при помощи вибраций, за счет изменения частоты и амплитуды при заданной угловой частоте вращения контейнера, можно управлять распределением масс, скоростью теплопередачи, а также обеспечивать перемешивание неоднородных по плотности гидродинамических систем во вращающихся контейнерах.Thus, by means of vibrations, due to changes in the frequency and amplitude at a given angular frequency of rotation of the container, it is possible to control the distribution of masses, the rate of heat transfer, as well as to ensure the mixing of non-uniform density hydrodynamic systems in rotating containers.

Claims

The method of vibration control of density-inhomogeneous hydrodynamic systems in rotating containers, characterized in that the rotating container with a density-inhomogeneous medium is exposed to transverse axis of rotation by vibrations with a cyclic frequency equal to the angular frequency of rotation or different from the angular frequency of rotation by a small amount, which lead to the creation of a static or rotating in the frame reference system of the container additional induced force field, changing the centrifugal field oh inertia force and the magnitude and direction of the induced field determined by the amplitude and vibration phase.