RU2660766C1

RU2660766C1 - Method for excitation of internal waves in electric conducting stratified fluids

Info

Publication number: RU2660766C1
Application number: RU2017131795A
Authority: RU
Inventors: Александр Давидович Литвин; Марина Анатольевна Полетаева; Ирина Васильевна Стецюк
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр"
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2018-07-09

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to means of experimental hydromechanics, in particular to methods for creating artificial waves within an electroconductive fluid (wavemakers). Method is proposed for exciting internal waves in electrically conductive stratified fluids by creating a disturbing pycnocline directed liquid flow, the perturbing pycnocline flow of the liquid has a sign-alternating direction (up and down) due to the Ampere force arising from the interaction of the alternating current flowing between the electrodes installed in parallel on the inner side of the side walls of the basin, with the magnetic field of a permanent magnet mounted on the outside of the end wall of the pool.

EFFECT: reduction of nonlinear distortions of internal waves and reduction of energy consumption.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к средствам экспериментальной гидромеханики, в частности к способам создания искусственного волнения внутри электропроводящей жидкости (волнопродукторам). Данный способ может быть применен для исследования волновых процессов внутри жидкости, для исследования взаимодействия поверхностных волн с внутренними волнами, а также для создания стационарных и нестационарных потоков в электропроводящей жидкости. Он может быть использован при поведении экспериментов в лабораторных условиях для небольших опытовых бассейнов.The invention relates to experimental hydromechanics, in particular to methods for creating artificial waves inside an electrically conductive liquid (wave generators). This method can be used to study wave processes inside a liquid, to study the interaction of surface waves with internal waves, as well as to create stationary and unsteady flows in an electrically conductive liquid. It can be used in the conduct of experiments in laboratory conditions for small experimental pools.

Известны способы для возбуждения внутренних волн в стратифицированных жидкостях: механические, тепловые, воздушные и др. Как правило, все они размещаются внутри объема жидкости, в котором возбуждаются внутренние волны. В качестве аналогов выбраны следующие способы возбуждения волн:Known methods for exciting internal waves in stratified fluids: mechanical, thermal, air, etc. As a rule, they are all located inside the volume of the liquid in which the internal waves are excited. The following wave excitation methods were selected as analogues:

«Волнопродуктор опытовых бассейнов», Абатуров С.Б., Ефимов Г.А., авторское свидетельство №307935, кл. В63В 9/08, от 01.07.1971. В данном устройстве реализуется механический способ возбуждения внутренних волн с помощью волнообразующего щита, связанного с приводом через механическую передачу, возбуждающую колебания щита.“The full-product of experimental pools”, Abaturov SB, Efimov GA, copyright certificate No. 307935, class. B63B 9/08, 07/01/1971. This device implements a mechanical method of exciting internal waves using a wave-forming shield connected to the drive through a mechanical transmission that excites the shield vibrations.

Недостатком известного решения является то, что при движении волнообразующего щита возникают турбулентные течения, которые искажают форму формируемой волны, что вызывает увеличение нелинейных искажений.A disadvantage of the known solution is that when the wave-forming shield moves, turbulent flows arise that distort the shape of the generated wave, which causes an increase in non-linear distortions.

«Волнопродуктор», Богатырев С.Д., Медведев Л.Н. и др., авторское свидетельство SU 1070438, кл. G01М 10/00, от 29.11.1982 г. Работа этого устройства основана на способе изменения плавучести трубы, помещенной в области пикноклина, путем заполнения ее водой с последующим ее вытеснением воздухом.“The Wave Producer”, Bogatyrev S.D., Medvedev L.N. and others, copyright certificate SU 1070438, cl. G01M 10/00, dated 11.29.1982. The operation of this device is based on a method for changing the buoyancy of a pipe placed in the pycnocline region by filling it with water and then displacing it with air.

Недостатком известного решения является то, что этот способ требует больших энергозатрат и не позволяет возбуждать внутренние волны в высокочастотной области в связи с большой инерционностью колеблющегося тела.A disadvantage of the known solution is that this method requires large energy costs and does not allow to excite internal waves in the high-frequency region due to the large inertia of the oscillating body.

Наиболее близким по существу к предлагаемому изобретению и принятым за прототип является способ с использованием теплового нагревателя, расположенного под пикноклином (SU 1543275 от 15.02.1990 г., G01M 10/00), принцип работы которого основан на уменьшении плотности жидкости в области нагревателя и создании потока жидкости, направленного вверх, что вызывает возмущение границы раздела слоев жидкостей с различной плотностью и возникновение внутренних волн.The closest to the present invention and adopted as a prototype is a method using a heat heater located under a pycnocline (SU 1543275 from 02.15.1990, G01M 10/00), the principle of which is based on reducing the density of the liquid in the region of the heater and creating liquid flow upward, which causes disturbance of the interface between the layers of liquids with different densities and the appearance of internal waves.

Недостатками известного решения являются размещение нагревательного элемента внутри жидкости, создание возмущающего потока жидкости, направленного только вверх, большое потребление энергии и нагрев жидкости. Все эти недостатки искажают картину волнового поля внутренних волн и приводят к увеличению нелинейных искажений формируемых волн. Кроме того, нагрев жидкости приводит к нестационарным условиям проведения эксперимента.The disadvantages of the known solutions are the placement of the heating element inside the liquid, the creation of a disturbing fluid flow directed only upward, high energy consumption and heating of the liquid. All these shortcomings distort the picture of the wave field of internal waves and lead to an increase in nonlinear distortions of the generated waves. In addition, heating of the liquid leads to unsteady conditions of the experiment.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение нелинейных искажений внутренних волн и снижение потребляемой энергии.An object of the present invention is to reduce non-linear distortion of internal waves and to reduce energy consumption.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе возбуждения внутренних волн в электропроводящих стратифицированных жидкостях путем создания возмущающего пикноклин потока жидкости имеются следующие отличия: возмущающий пикноклин поток жидкости имеет знакопеременное направление (вверх и вниз) за счет силы Ампера, возникающей при взаимодействии знакопеременного тока, протекающего между электродами, установленными параллельно на внутренней стороне боковых стенок бассейна, с магнитным полем постоянного магнита, установленного на внешней стороне торцевой стенки бассейна.The problem is solved due to the fact that in the method of exciting internal waves in electrically conductive stratified fluids by creating a pycnocline perturbing fluid flow, there are the following differences: the pycnocline perturbing fluid flow has an alternating direction (up and down) due to the Ampere force arising from the interaction of an alternating current flowing between the electrodes mounted in parallel on the inner side of the side walls of the pool, with a magnetic field of a permanent magnet mounted on the outside of the pool end wall.

В предлагаемом способе нет нагрева жидкости, отсутствуют конструкции внутри жидкости, где формируются внутренние волны, а возмущающий поток имеет знакопеременное направление (вверх и вниз).In the proposed method there is no heating of the liquid, there are no structures inside the liquid where internal waves are formed, and the disturbing flow has an alternating direction (up and down).

В отличие от прототипа в предлагаемом способе нет никаких конструкций внутри бассейна, искажающих форму формируемой внутренней волны, а возмущающий пикноклин поток имеет знакопеременное направление (вверх и вниз).Unlike the prototype, in the proposed method there are no structures inside the pool that distort the shape of the generated internal wave, and the perturbing pycnocline flow has an alternating direction (up and down).

Сущность изобретения заключается в том, что возмущающий поток, вызывающий колебания границы раздела слоев жидкости с различной плотностью (пикноклин), создается силой Ампера, возникающей при взаимодействии знакопеременного тока, протекающего между электродами в жидкости, и магнитным полем постоянного магнита. Предлагаемый способ реализуется с помощью электродов, установленных параллельно на внутренней стороне боковых стенок бассейна, источника знакопеременного напряжения и постоянного магнита, установленного на внешней стороне торцевой стенки бассейна.The essence of the invention lies in the fact that the disturbing flux, which causes oscillations of the interface of the fluid layers with different densities (pycnocline), is created by the Ampere force arising from the interaction of the alternating current flowing between the electrodes in the fluid and the magnetic field of a permanent magnet. The proposed method is implemented using electrodes mounted in parallel on the inner side of the side walls of the pool, a source of alternating voltage and a permanent magnet mounted on the outer side of the end wall of the pool.

Сущность изобретения поясняется чертежами - Фиг. 1 (вид сверху) и Фиг. 2 (вид сбоку), на которых представлена схема реализации способа возбуждения внутренних волн и приняты следующие обозначения:The invention is illustrated by drawings - Fig. 1 (top view) and FIG. 2 (side view), which shows a diagram of the implementation of the method of excitation of internal waves and the following notation:

1 - источник знакопеременного напряжения;1 - source of alternating voltage;

2 - электроды;2 - electrodes;

3 - бассейн;3 - pool;

4 - направление тока;4 - current direction;

5 - вектор магнитной индукции постоянного магнита;5 - vector of magnetic induction of a permanent magnet;

6 - постоянный магнит;6 - permanent magnet;

7 - направление силы Ампера;7 - Ampere force direction;

8 - граница раздела жидкостей (пикноклин);8 - liquid interface (pycnocline);

9 - нижний слой жидкости;9 - the lower layer of liquid;

10 - верхний слой жидкости.10 - the upper layer of liquid.

Предлагаемый способ возбуждения внутренних волн заключается в том, что электроды 2 установлены параллельно на внутренней стороне боковых стенок бассейна 3 и подсоединены к источнику знакопеременного напряжения 1, постоянный магнит 6 установлен с внешней стороны торцевой стенки бассейна 3.The proposed method of exciting internal waves is that the electrodes 2 are installed in parallel on the inner side of the side walls of the pool 3 and are connected to a source of alternating voltage 1, a permanent magnet 6 is installed on the outside of the end wall of the pool 3.

Бассейн 3 или его торцевая стенка, на внешней стороне которой установлены постоянный магнит 6, выполнены из немагнитного материала для того, чтобы магнитное поле проникало в объем жидкости, где протекает знакопеременный ток. Источник знакопеременного напряжения 1 формирует ток, изменяющийся по направлению, амплитуде и частоте. Электроды 2, через которые протекает ток, установлены параллельно на внутренней стороне боковых стенок бассейна 3, на линии границы раздела слоев жидкостей 8 с различной плотностью. Постоянный магнит 6 установлен на внешней стороне торцевой стенки бассейна 3.The pool 3 or its end wall, on the outer side of which a permanent magnet 6 is mounted, is made of non-magnetic material so that the magnetic field penetrates into the volume of the liquid, where an alternating current flows. The source of alternating voltage 1 generates a current that varies in direction, amplitude and frequency. The electrodes 2, through which the current flows, are installed in parallel on the inner side of the side walls of the pool 3, on the boundary line of the layers of liquids 8 with different densities. A permanent magnet 6 is mounted on the outside of the end wall of the pool 3.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.The proposed method is as follows.

Напряжение от источника знакопеременного напряжения 1 подается на электроды 2, расположенные внутри бассейна 3. Ток, протекающий в жидкости между электродами 2, взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита 6, направление вектора магнитной индукции 5 которого перпендикулярно направлению тока 4, при этом возникает сила Ампера, которая в зависимости от направления тока 4 меняет свое направление 7 и создает в вертикальном направлении знакопеременный возмущающий поток, возбуждающий внутреннюю волну на границе раздела 8 двух слоев 9 и 10 жидкостей разной плотности. Изменяя частоту и амплитуду источника знакопеременного напряжения 1, можно возбуждать внутренние волны в широком диапазоне частот и амплитуд.The voltage from the alternating voltage source 1 is supplied to the electrodes 2 located inside the pool 3. The current flowing in the liquid between the electrodes 2 interacts with the magnetic field of the permanent magnet 6, the direction of the magnetic induction vector 5 of which is perpendicular to the direction of current 4, and an Ampere force which, depending on the direction of current 4, changes its direction 7 and creates in the vertical direction an alternating disturbing flow that excites an internal wave at the interface 8 of two layers 9 and 10 Liquids of different densities. By changing the frequency and amplitude of the source of alternating voltage 1, it is possible to excite internal waves in a wide range of frequencies and amplitudes.

Таким образом, при использовании предлагаемого способа возбуждения внутренних волн в электропроводящих стратифицированных жидкостях за счет отсутствия конструкций внутри объема жидкости, где формируется внутренняя волна, и создания знакопеременного возмущающего пикноклин потока за счет силы Ампера (без нагрева жидкости) формируется внутренняя волна с малыми нелинейными искажениями при меньших энергозатратах, что обеспечивает достижение поставленной задачи и выгодно отличает его от прототипа.Thus, when using the proposed method of exciting internal waves in electrically conductive stratified fluids due to the lack of structures inside the fluid volume where the internal wave is generated and creating an alternating pycnocline disturbing flow due to the Ampere force (without heating the fluid), an internal wave is formed with small nonlinear distortions at lower energy consumption, which ensures the achievement of the task and compares it favorably with the prototype.

Предлагаемый способ возбуждения внутренних волн в электропроводящих стратифицированных жидкостях заключается в формировании внутренней волны с малыми нелинейными искажениями, уменьшении энергии, затрачиваемой на создание возмущающего потока, и генерировании внутренних волн в широком диапазоне частот и амплитуд и может быть использован, например, для исследования взаимодействия внутренних волн с поверхностным волнением.The proposed method for exciting internal waves in electrically conductive stratified liquids consists in generating an internal wave with small nonlinear distortions, reducing the energy spent on creating a disturbing flow, and generating internal waves in a wide range of frequencies and amplitudes and can be used, for example, to study the interaction of internal waves with surface excitement.

Источники информацииInformation sources

1 - «Волнопродуктор», Богатырев С.Д., Медведев Л.Н. и др., авторское свидетельство SU 1070438, кл. G01М 10/00, от 29.11.1982 г.1 - “Wave Product”, Bogatyrev S.D., Medvedev L.N. and others, copyright certificate SU 1070438, cl. G01M 10/00, dated 11.29.1982

2 - «Теоретические основы электротехники». Учебное пособие. Г.В. Носов, Е.О. Кулешова, В.А. Колчанова; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 216 с.2 - "Theoretical foundations of electrical engineering." Tutorial. G.V. Nosov, E.O. Kuleshov, V.A. Kolchanova; National Research Tomsk Polytechnic University. - Tomsk: Publishing House of Tomsk Polytechnic University, 2011. - 216 p.

3 - «Курс общей физики». Том 2. Электричество и магнетизм, учебник. Савельев И.В. 2-е изд., перераб. - М.: Наука, Гл. ред. физ-мат. лит., 1982. - 496 с.3 - "The course of general physics." Volume 2. Electricity and magnetism, a textbook. Saveliev I.V. 2nd ed., Revised. - M.: Science, Ch. ed. physical mat. lit., 1982.- 496 p.

Claims

A method of exciting internal waves in electrically conductive stratified fluids by creating a pycnocline perturbing directed fluid flow, characterized in that the pycnocline perturbing fluid flow has an alternating direction (up and down) due to the Ampere force arising from the interaction of an alternating current flowing between electrodes mounted in parallel on the inner side of the side walls of the pool, with a magnetic field of a permanent magnet mounted on the outside of the end wall of the bass yuna.