Численное исследование течения в вихревой камере с кольцевой преградой на нижней торцевой стенке

В работе представлены результаты численного исследования течения в осесимметричной вихревой камере при наличии кольцевой преграды на торцевой стенке. Число Рейнольдса, определяемое по величине среднерасходной скорости в тангенциальных щелях завихрителя и радиусу камеры составляет Re = 3,4·10⁴. Путем прямого сеточного разрешения пространственных масштабов течения вязкого несжимаемого воздуха получены данные о распределении статического давления на стенках камеры, а также поля скорости во внутреннем объеме. Расчеты проведены как для камеры с гладкой нижней торцевой стенкой, так и при наличии на ней кольцевой преграды. Диаметр преграды варьировался и относительно диаметра выходного отверстия камеры принимал значение 1D, 2D и 3,43D. Высота преграды сохранялась неизменной и в каждом рассмотренном случае составляла 0,3D. Анализ влияния преграды проведен путем сопоставления результатов с распределениями в камере с гладкой торцевой стенкой. Установлено, что размещение преграды приводит к росту статического давления вблизи оси и увеличению сопротивления камеры, оказывая при этом влияние на сдвиговые напряжения в торцевом пограничном слое и закономерности движения среды во всем объеме вихревой камеры.

1. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки. М.: Мир, 1987. 588 с.

2. Seibold F., Ligrani P., Weigand B. Flow and heat transfer in swirl tubes – A review // Int. J. Heat and Mass Transfer. 2022. Vol. 187. P. 122455-1–122455-26.

3. Смульский И. И. Аэродинамика и процессы в вихревых камерах. Новосибирск: Наука, 1992. 301 с.

4. Алексеенко С. В., Куйбин П. А., Окулов В. Л. Введение в теорию концентрированных вихрей. Москва; Ижевск: Ин-т компьютерных исследований, 2019. 504 с.

5. Касим М. Н. Экспериментальное исследование масообменных характеристик вихревых распыливающих массообменных аппаратов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2014. Т. 70, № 7. С. 46–50.

6. Гольдштик М. А., Сорокин В. Н. О движении частицы в вихревой камере // Прикладная механика и техническая физика. 1986. № 6. С.149–152.

7. Kotas T. J. Turbulent boundary layer flow on the end wall of a cylindrical vortex chamber // Proc. of the Institution of Mechanical Engineers. 1975. Vol. 189. No. 1. P. 305–315.

8. Volchkov E. P., Semenov S. V., Terekov V. I. Heat Transfer and Shear Stress at the End Wall of Vortex Chamber // Experimental Thermal and Fluid Science. 1991.Vol. 4. P. 546–557.

9. Гольдштик М. А. Процессы переноса в зернистом слое // Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т теплофизики им. С. С. Кутателадзе. Новосибирск: Ин-т теплофизики СО РАН, 2005. 358 с.

10. Гольдштик М. А. Вихревые потоки. Новосибирск: Наука. 1981. 366 с.

11. Сорокин В. В. Несжимаемое течение в короткой вихревой камере с гиперболическими стенками // Теплофизика и аэромеханика. 2005. Т. 12, № 4. С. 615–622.

12. Feng M., Gui C., Zhou Y., Lei Z. Numerical study on performance optimization and flow mechanism of a new cyclone separator // Green Chemical Engineering. 2025. Vol. 6. No. 1. P. 76–84. DOI 10.1016/j.gce.2024.03.006

13. Zhang Y., Li K., Zhang K., Zhu G., Sun Z., Shi J. Research on the Flow Field Characteristics of the Industrial Elliptical Cyclone Separator // Separations. 2025. Vol. 12. No. 50. DOI 10.3390/separations12020050

14. Escudier. M. P. Observations of the flow produced in a cylindrical container by a rotating end wall // Experiments in Fluids. 1984. Vol. 2. P. 189–196.

15. Valentime D. T., Jahnke C. C. Flows induced in a cylinder with both end walls rotating // Physics of Fluids. 1994. Vol. 6. No. 8. P. 2702–2710.

16. Piva. M., Meiburg E. Steady axisymmetric flow in an open cylindrical container with a partially rotating bottom wall // Physics of Fluids. 2005. Vol. 17. P. 063603-1–063603-12.

17. Hyder S. H., Shtern V., Fazle H. Control of vortex breakdown by addition of near-axis swirl // Physics of Fluids. 2003. Vol. 15. No. 2. Р. 271–279.

18. Yu P., Lee T. S., Zeng Y., Low H. T. Characterization of flow behavior in an enclosed cylinder with a partially rotating end wall // Physics of Fluids. 2007. Vol. 19. No. 5. Article 057104.

19. Семенов С. В. Аэродинамика и теплообмен в торцевом пограничном слое вихревой камеры: дис. … канд. техн. наук: 01.04.14. Новосибирск, 1987. 182 с.

20. Кудрявцев В. М., Васильев А. П., Кузнецов В. А. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. М.: Высш. шк., 1983. 703 с.

21. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука. 1978. 736 с.

22. Pope S. B. Turbulent Flows. Cambridge University Press. 2000. 807 p.

23. Скибина Н. П., Терехов В. В., Терехов В. И. Сравнительный анализ структуры течения в осесимметричной вихревой камере с использованием URANS-подхода и прямого численного моделирования // Теплофизика и аэромеханика. 2025. Т. 32, №5. С. 957–972.