Экспериментальные исследования линейных и кольцевых концентрированных вихрей

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ................................................................ 6
Список основных публикаций автора по теме диссертации................ 17
Глава 1. ИССЛЕДОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ
КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ВИХРЕЙ........................................20
Закрученное течение в вихревой камере ..........................23
1.1. Время образования концентрированного вихря в замкнутой камере 28
1.2. Автоколебания, возникающие при истечении закрученной струи ....35
Частота автоколебаний при истечении закрученной струи ..........35
Постановка экспериментов........................................37
Результаты экспериментов .......................................39
1.3. Гидродинамический механизм генерации колебаний при истечении закрученной струн ..................................................44
1.4. Прецессия вихревою ядра в цилиндрических камерах...............50
1.5. Кумуляция завихренности в прямоугольном бассейне с наклонным дном
при резком замедлении вращения..................................56
Постановка экспериментов и полученные результаты................57
Численные расчеты эволюции завихренности при резком замедлении иачачьного вращения бассейна ...................................60
1.6. Заключение ....................................................62
Глава 2. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА КОЛЬЦЕВОГО ВИХРЯ 65
2.1. Теоретические модели кольцевого вихря .........................68
Модели кольцевого вихря в идеальной жидкости....................70
Модель турбулентного кольцевого вихря...........................73
2.2. Экспериментальное исследование структуры реального кольцевого вихря .. 77
Постановка экспериментов........................................77
Методика измерений осесимметричного поля скорости кольцевого
вихря с помощью термоанемометрических датчиков .................79
Тарировка датчиков..............................................83
2
3
Оценки погрешностей измерения поля скорости с помощью
термоанемометрических датчиков.......................................88
Погрешности определения модуля скорости..............................90
Погрешности определения проекций скорости ...........................91
2.3. Поле скорости кольцевого вихря......................................94
2.4. Структура линий тока кольцевого вихря...............................97
2.5. Завихренность. Ядро вихря. Циркуляция скорости......................98
2.6. Динамические характеристики кольцевого вихря...................... 104
Импульс и энергия кольцевого вихря................................. 104
Диссипация энергии кольцевого вихря................................ 105
Потери энергии при движении кольцевого вихря и хорошо
обтекаемого твердого тела.......................................... 107
2.6. Другие исследования струкгуры кольцевого вихря ................... 109
2.7. Замечания об экспериментальных методах исследований
поля скорости течений ............................................. 114
2.8. Заключение ....................................................... 118
Глава 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕМЕЙСТВА КОЛЬЦЕВЫХ ВИХРЕЙ,
ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ ИСТЕЧЕНИИ ЗАТОПЛЕННОЙ СТРУИ ... 119
3.1. Постановка экспериментов ......................................... 120
Генератор кольцевых вихрей ........................................ 120
3.2. Критерии, определяющие процесс формирования кольцевого вихря ..... 123
3.3. Параметры кольцевого вихря........................................ 124
3.4. Методики определения параметров вихревого кольца ................. 125
3.5. Зависимость параметров вихревого кольца от длины струи
(от продолжительности истечения струи)............................. 127
О явлении формирования цепочки кольцевых вихрей при больших значениях длины струи.............................................. 128
3.6. Зависимость параметров вихревого кольца от числа Рейнольдса струи 134
Ламинарные и турбулентные кольцевые вихри.......................... 134
Турбулентность вблизи ядра вихря................................... 138
3.7. Зависимость параметров кольцевого вихря от угла конусности
внешней поверхности сопла.......................................... 145
3
4
3.8. Сравнение с экспериментом некоторых выводов теоретических
моделей вихревого кольца ......................................... 146
3.9. Заключение ...................................................... 148
Глава 4. ФОРМИРОВАНИЕ КОЛЬЦЕВОГО ВИХРЯ..................................... 150
4.1. Генерация кольцевого вихря при импульсивном движении круглою диска 150
4.2. Формирование кольцевого вихря при истечении затопленной струи ... 153
Процесс формирования кольцевого вихря при истечении
затопленной струи................................................. 153
4.3. Модель формирования кольцевого вихря............................. 158
Условие сохранения вихревого импульса............................. 159
Условие сохранения циркуляции скорости ........................... 161
Геометрическое соотношение ....................................... 163
Зависимость радиуса, циркуляции и импульса вихревого кольца
от длины струи ................................................... 164
Радиус ядра кольцевого вихря ..................................... 166
Поступательная скорость кольцевого вихря ......................... 169
Энергия кольцевого вихря ......................................... 171
4.4. Заключение ...................................................... 171
Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ КОЛЬЦЕВЫХ ВИХРЕЙ ДЛЯ ТУШЕНИЯ
ПОЖАРОВ ГАЗОНЕФТЯНЫХ ФОНТАНОВ .................................... 173
5.1. Возникновение и характеристики мощных газонефтяных фонтанов..... 173
5.2. Горение газонефтяных фонтанов. Условия стабилизации и срыва
пламени с горящих сгруй........................................... 175
5.3. Определение расхода недораширенных газовых фонтанов
по высоте факела.................................................. 177
Высота факела при горении нормально расширенной изобарической
газовой струи..................................................... 177
Особенности истечения и горения нсдорасширснной газовой струи .... 179
Зависимость высоты факела от расхода недорасширенной
газовой струи..................................................... 181
4
5
5.4. Физические основы тушения диффузионного факела воздушным
кольцевым вихрем ............................................. 185
Опыты по тушению пламени газовых струй (фонтанов) ............ 188
5.5. Принципы масштабного моделирования и расчета огнетушащих средств .. 1%
5.6. Тушение кольцевым вихрем реальных пожаров на скважинах...... 198
5.7. Заключение ..................................................200
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................202
ЛИТЕРАТУРА.............................................................205
5
6
ВВЕДЕНИЕ
Объектом исследований в настоящей работе являются наиболее интенсивные виды вихревых течений жидкостей и газов — линейные и кольцевые концентрированные вихри. Характерной особенностью концентрированных вихрей является локализация завихренности (ротора скорости) в трубкообразных областях пространства практически цилиндрической формы, внутри которых жидкость вращается вокруг оси трубки практически как твердое тело, а вне трубки вращательное движение быстро спадает с удалением от трубки до нулевого значения. Таким образом, концентрированный вихрь представляет собой совокупность вихревой трубки с приближенно постоянной завихренностью в ней и внешнего слабо завихренного вращательного течения вокруг вихревой трубки. Прноссвая завихренная область течения обычно называется ядром вихря. В ядре вихря, кроме вращательного движения, может существовать и осевое течение, в этом случае концентрированный вихрь представляет собой закрученную струю.
Наиболее распространенным в природе типом концентрированных вихрей являются линейные вихри. К ним относятся вихри в земной атмосфере, проявляющиеся в виде смерчей, торнадо, тайфунов и ураганов [Наливкин, 1969], а также вихревые структуры, наблюдаемые в атмосферах других планет, например, известное «красное пятно» на Юпитере, существующее в течение сотен лет. Разнообразны проявления линейных вихрей в водных средах и при обтекании внешним потоком твердых тел. В технике течения с концентрированными вихрями создаются искусственно и используются в практических целях: для перемешивания и сепарации примесей в жидкостях и газах, для стабилизации пламени в камерах сгорания, для диспергирования порошков [Гупта и др., 1987]. Основные результаты исследований линейных концентрированных вихрей изложены в многочисленных журнальных публикациях и монографиях, среди которых можно отмстить [Алексеенко и др., 2003; Волчков и др., 1985; Багрянцев и др., 1980; Никулин, 1980, 1983, 1992-0,6, 1995].
Одним из замечательных видов концентрированных вихрей является кольцевой вихрь, который представляет собой замкнутую в кольцо вихревую трубку. Если большинство линейных концентрированных вихрей начинаются или заканчиваются на твердых стенках, то кольцевой вихрь может существовать в неограниченной жидкости
7
или на большом удалении от поверхностей, ограничивающих жидкую среду. Характерной особенностью кольцевого вихря является то, что кроме вращательного движения жидкости вокруг тороидального ядра вихревого кольца, само вихревое кольцо и некоторый объем жидкости, охватывающей вихревое кольцо, совершают, как единое тело, поступательное движение в направлении, перпендикулярном плоскости кольца.
Свойства вихревых движений жидкости и газа проявляются в концентрированных вихрях в наиболее явной форме, поэтому исследования формирования, структуры и динамики концентрированных вихрей имеют большое научное значение. Помимо научного значения, исследования концентрированных вихрей представляют и практический интерес ввиду широкого проявления таких течений в природе и в технике. Известными примерами концентрированные вихрей в природе, являются интенсивные атмосферные вихри— смерчи, торнадо, ураганы и кольцевые вихри, образующиеся при взрывных извержениях вулканов [Иаливкип, 1969; Шулейкин, 1978; Тараканов, 1980; Хргиан, 1978; Idso, 1975; Hsu, Fattahi, 1976: Онуфриев, 1967], а также вихри в водных средах - водовороты, вихревые воронки на поверхности воды. Течения с концентрированными вихрями являются также основой действия разнообразных технических устройств: вихревых камер и трубок [Ranquc, 1933; Меркулов, 1956; Косснков, 1983], циклонных камер для сжигания топлив, устройств для перемешивания и сепарации примесей в жидкостях и газах, для диспергирования порошков и размельчения твердых частиц [Гулта и др., 1987; Найденов, 1974; Резняков, 1974; Гольдштик, 1981; Штым, 1985; Багрянцев, Терехов, 1985; Кутателадзе и др., 1987; Volchkov ct al., 1993; Терновский, Кутепов, 1994; Алексеенко, Окулов, 1996;]. Концентрированные вихри образуются также на концах крыльев самолетов и при отрыве потока с острых кромок летательных аппаратов и кораблей.
Систематические научные исследования вихревых течений и динамики концентрированных вихрей проводятся с середины XIX столетия. Начальным толчком к этим исследованиям послужила работа основоположника теории вихревых движений жидкости Гельмгольца [Helmholtz, 1858], который провел и ряд экспериментальных наблюдений образования и движения некоторых видов концентрированных вихрей. Задачи формирования и движения концентрированных вихрей привлекали внимание
8
многих классиков механики и физики [Helmholtz, 1858; Kelvin, 1867-a,b; Reynolds, 1876; Thomson, Nevvall, 1885; Прандтль, Титьенс, 1933, 1935; Жуковский, 1947; Ламб, 1947; Прандтль, 1949; Taylor, 1953; Зоммерфельд, 1954; Фейнман и др., 1966; Кирхгоф, 1962; Лаврентьев, Шабат, 1973; Бэтчелор, 1973].
На актуальность исследований структуры, процессов формирования и движения концентрированных вихрей и поиска новых областей их практического применения было обращено внимание еще в середине XX века М.А.Лаврентьевым. Исследования кольцевых и линейных концентрированных вихрей, проведенные в последующие годы в Институте гидродинамики [Ахметов, Кисаров, 1966; Ахметов, 1994; 2001,2007, 2007, 2008-л,б, 2008а,б; Akhmetov, 2009; Ахметов и др. 1980-л,б, 1981-л,б, 1988; Ахметов, Тарасов, 1983, 1986; Akhmetov, Lugovtsov, Maletin, 1999; Ахметов, Луговцов, 2002; Ахметов, Никулин, Остапенко, 2005, 2006-л,б; Ахметов, Никулин, Гаврилов, 2007; Akhmetov, Nikulin, 2006; Ахметов, Никулин, 1999, 2004-л,б, 2008, 2009, 2010; Akhmetov et al. 1999; Ахметов, 2001, 2002, 2007, 2008-а,б, 2009; Луговцов А, Луговцов Б, Тарасов В, 1969; Луговцов А, Луговцов Б, 1971; Луговцов, 1970, 1974, 1976, 1979; Lugovtsov, 1976; Владимиров, 1973, 1977, 1979; Владимиров, Рыбак, 1976, 1978; Владимиров, Тарасов, 1979-а,б, 1980; Владимиров и др., 1980; Никулин, 1980, 1983, 1992-л,б, 1995; Ссиницкий 1973, 1975-л,б, 1980, 1981; Тарасов, 1973, 1975-л,б; Тарасов, Якушев, 1974] привели к решению большинства поставленных задач и позволили, в частности, получить достаточно полное представление о структуре, законах формирования и движения реальных кольцевых вихрей. На основе этих исследований был разработан новый высокоэффективный способ тушения пожаров мощных газонефтяных фонтанов на скважинах с помощью воздушных кольцевых вихрей.
Большой вклад в развитие представлении о структуре и динамике линейных концентрированных вихрей внесли работы сотрудников Института теплофизики СО РАН. Обзорное изложение этих результатов со ссылками на оригинальные статьи многих авторов представлено в книге [Алексеенко, Куйбин, Окулов, 2003].
Актуальность работы. И течение длительного времени исследования концентрированных вихрей проводились, в основном, теоретически в рамках схемы идеальной жидкости. Результаты экспериментальных исследований, полученные главным образом, путем визуализации течения, способствовали выяснению
9
качественной картины формирования и движения концентрированных вихрей. Однако до последнего времени не существовало достаточно полного представления о структуре и динамике интенсивных атмосферных вихрей, что осложняло и создание теоретических моделей этих вихрей. Практически не существовало исследований внутренней структуры и законов формирования реальных кольцевых вихрей, и зависимости параметров и характеристик кольцевых вихрей от условий их формирования. Не существовало также теоретических и достаточно полных экспериментальных данных об основном этапе существования кольцевого вихря — о движении и эволюции сформировавшегося кольцевого вихря в вязкой среде. Недостаточная изученность концентрированных вихрей, возникающих в природе и в технических устройствах, объясняется сложной нестационарной трехмерной структурой большинства вихрей. В то же время очевидна актуальность исследований структуры, законов образования и движения концентрированных вихрей с цслыо прогнозирования условий возникновения и движения интенсивных атмосферных вихрей, определения их характеристик и разработки методов направленного воздействия на них. Результаты исследований течений с концентрированными вихрями востребованы также в связи с практическими применениями таких течений. Поэтому экспериментальные исследования динамики концентрированных вихрей, проявляющихся в природных условиях и в технических устройствах, имеют важное научное и практическое значение.
Целями диссертационной работы являются: определение времени
формирования, исследования автоколебаний и прецессии линейных вихрей при истечении закрученных струй, и определение интенсивности вторичных вихрей, возникающих при резком торможении вращения заполненного жидкостью бассейна с наклонным дном. Целью работы является также экспериментальное исследование гидродинамической структуры реальных кольцевых вихрей и установление зависимости характеристик кольцевого вихря от условий его формирования. Одной из задач работы является построение теоретической модели формирования кольцевого вихря и получение аналитических формул для расчета параметров вихря. Целью работы является также поиск новых областей практического применения концентрированных вихрей, одним из результатов работы в этом направлении является
10
разработка высокоэффективного способа тушения пожаров мощных газонефтяиых фонтанов на скважинах с помощью воздушных кольцевых вихрен.
Методы исследований. Некоторые закономерности формирования и движения линейных и кольцевых вихрей определялись путем фото и киносъемки визуализированных структур течений.
Гидродинамическая структура кольцевых вихрей исследована измерениями поля скорости вихря с помощью тсрмоапсмометричсской аппаратуры.
Предложенная в работе теоретическая модель формирования кольцевого вихря основана на гидродинамических законах сохранения.
Научная новизна работы. Все результаты работы, выносимые на защиту, являются новыми и опережают мировой уровень.
Получены неизвестные ранее экспериментальные данные о формировании и динамике линейных вихрей.
Впервые определена гидродинамическая структура реального кольцевого вихря измерениями поля скорости вихря с помощью термоансмометричсских датчиков.
Впервые определены параметры целого семейства кольцевых вихрей, образующихся при импульсном истечении затопленной струи, и установлены зависимости характеристик кольцевого вихря от критериев, характеризующих условия его формирования.
Впервые на основе применения гидродинамических законов сохранения разработана модель формирования кольцевого вихря при истечении затопленной струи. На основе этой модели получены аналитические формулы дтя расчета параметров кольцевого вихря в зависимости от критериев, определяющих условия формирования вихря, и показано, что результаты расчетов по этим формулам хорошо согласуются с экспериментом.
Разработай новый высокоэффективный способ тушения пожаров газонефтяных фонтанов с помощью воздушных кольцевых вихрей, который использован при тушении реальных пожаров на аварийно фонтанирующих скважинах.
Практическая значимость работы. Предложенные в работе результаты исследований имеют практическое значение.
11
На основе исследований времени формирования линейного вихря в замкнутой камере предложен новый способ экстренной вентиляции загрязненной атмосферы больших помещений с помощью линейного вихря.
Результаты исследований автоколебаний вихря, возникающего при истечении закрученной струн, могут быть использованы при создании безрезонаторных вихревых генераторов звука и как способ измерения расхода трубных течений.
Выявлены новые виды прецессии вихря и показано, что прецессия вихря в камерах определяется выходными условиями истечения закрученных струн. Эти результаты могут быть использованы для анализа причин возникновения вредных пульсаций и вибраций, возникающих при некоторых режимах работы гидравлических и газовых турбин.
Результаты исследований гидродинамической структуры и законов формирования кольцевых вихрей могут быть использованы для получения кольцевого вихря с заданными характеристиками. На основе результатов этих исследований разработан новый высокоэффективный способ тушения пожаров мощных газонефтяных фонтанов. Этот способ использован при тушении реальных пожаров на аварийно фонтанирующих скважинах, когда попытки тушения этих пожаров с помощью известных методов оказывались безуспешными.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением испытанных экспериментальных методов, подробным описанием условий проведения опытов, а также методов анализа и интерпретации полученных результатов. Измерения поля скорости вихрей проводилось с помощью термоанемометрнчсских датчиков, характеристики которых определялись непосредственной тарировкой. Представлен подробный анализ точности измерений осесимметричного поля скорости кольцевого вихря. Достоверность фактов, полученных путем визуализации структуры и движения вихрей, обеспечена наглядностью представленных иллюстративных материалов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:
конференции «Проблемы развития нефтегазового комплекса Сибири»
(Новосибирск, 1980);
V Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Алма-Ата,
1981);
IX Всесоюзной научно-практической конференции (Москва, 1988);
12
IX Всероссийском съезде но теоретической и прикладной механике (Нижний-Новгород, 2006), Новгород, 2006);
Всесоюзной конференции “Современные вопросы информатики,
вычислительной техники и автоматизации” (Москва, 1985);
IV Всесоюзном семинаре по гидромеханике и тепломассообмену в невесомости (Новосибирск, 1987);
IX Всесоюзной научно-практической конференции “Проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов народного хозяйства” (Москва, 1988);
1-ом Всесоюзном семинаре “Оптические методы исследования потоков” (Новосибирск, 1989);
Международной конференции “Prevention of hazardous fires and explosions” (Новосибирск, 1999);
VIII и IX Международных научно-технических конференциях “Оптические методы исследования потоков” (Москва, 2005, 2007);
Международном симпозиуме “Actual problems of physical hydro-aero dynamics” (Новосибирск, 1999);
Школе-семинаре “Физика нефтяного пласта” (Новосибирск, 2002), Международной конференции “Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей” (Новосибирск, 2004), а также на научных семинарах:
Института гидродинамики СО РАН (семинар Отдела физической гидродинамики, руководитель - д. т. и. профессор Г.С. Мигиренко, 1966,
1969); семинар Отдела взрывных процессов, руководитель-д.ф.-м.н. академик В.М. Титов, 1980; семинар Теоретического отдела, руководитель- д.ф.-млi. академик Л.В. Овсянников, 1983, 1986; семинар Отдела прикладной гидродинамики, руководитель-д.ф.-м.н. чпен-корреспондснт РАН В.В. Нухначсв, 1994,2001,2011;
Института теплофизики СО РАН, (руководитель - д.ф.-м.н. профессор М. А. Гольдштик, 1975; руководитель -д.ф.-м.н. академик В.Е. Накоряков, 2011);
Института теоретической и прикладном механики СО РАН (руководитель-д.ф.-м.н. профессор В.В. Козлов, 2004).
13
Тема диссертационной работы соответствует “Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации“ - “08 - Энергетика и энергосбережение“ (утверждены указом президента РФ от 21.05.2006), а также “Основным направлениям фундаментальных исследовании Российской академии наук”: “1.1.7-Математическое моделирование”; “2.2.2 - Механика жидкости, газа и плазмы, твердого тела, нсидсальных и многофазных сред”.
Отдельные разделы работы выполнялись при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Сибирского отделения РАН. Автор диссертации являлся руководителем гранта РФФИ № 07-01-83 (2007); участником грантов РФФИ № 05-01-01081 (2006); № 08-08-00577 (2008-2010) и международного гранта «NATO grant Sfl* “Agents Decontamination*’ № 9811461»; междисциплинарного проекта СО РАН №131 (2006); руководителем блока Интеграционного проекта СО РАН №25 (2003-2004).
Результаты работы четыре раза были отмечены среди основных достижений СО РАН в 1983, 2001,2006 и 2007 гг., а в 2006 году - среди основных достижений РАИ.
Публикации. Слисок публикаций автора по теме диссертации приведем в конце Введения и состоит из 27 работ (из них 15 статей в российских журналах из списка ВАК, 1 - в международном сборнике научных статей, 1 монография, изданная на русском языке в РФ, 1 монография, изданная на английском языке в Германии, и 3 изобретения). В публикациях автора достаточно полно изложены основные результаты диссертационной работы.
Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнялась в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российском академии наук. Результаты, опубликованные в [9, 10, 11, 16, 20, 21, 27J из представленного в конце Введения списка работ, получены без соавторов. В работе [1] постановка задачи и проведение экспериментов принадлежат автору, расчетная обработка полученных экспериментальных данных и подготовка работы к публикации выполнены совместно с соавтором. Работы [2-6] выполнены совместно группой соавторов, значительная часть идей и результатов, полученных при проведении исследований в этих работах, принадлежит автору. Результаты работ [7, 10, 17, 18, 22-25] получены совместно с соавторами.
14
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Во введении и в начале каждой главы приведены обзоры ранее опубликованных работ по теме исследования. Диссертация изложена на 218 страницах и содержит 101 рисунок. Цитируемый список литературы состоит из 198 наименований.
В первой главе представлены результаты экспериментальных исследований формирования, структуры и динамики линейных концентрированных вихрей.
1. Определено время формирования концентрированного вихря в замкнутой камере, и предложен новый способ экстренной вентиляции загрязненной атмосферы больших помещений с помощью линейного вихря.
2. Исследованы закономерности периодических автоколебаний, возникающих при истечении закрученных струй. На основе экспериментальных результатов получена эмпирическая формула для расчета доминирующей частоты колебаний.
3. Установлен гидродинамический механизм, порождающий автоколебания при истечении закрученной струи.
3. Выявлены новые типы прецессии линейного вихря при истечении закрученной струи из вихревой камеры и показано, что прецессия вихря в камере определяется выходными условиями из камеры. Полученные результаты могут быть использованы при анализе причин возникновения опасных вибраций при работе гидравлических турбин и при их конструировании.
4. Исследовано явление формирования концентрированных вихрей во вращающемся водном бассейне с наклонным дном после резкого замедления его вращения. Установлено, что величина завихренности в возникающих при этом концентрированных вихрях может превышать начальную однородную завихренность в бассейне почти на порядок. Таким образом, показано, что происходит своеобразная кумуляция завихренности, заключающаяся в том, что завихренность, первоначально одинаковая во всем бассейне, существенно усиливается в процессе эволюции в отдельных линейных вихрях меньшего размера. Установлено, что интенсивность вращательного движения во вторичных вихрях оказывается достаточной, чтобы индуцировать вертикальные конвективные течения, начинающиеся с самого дна бассейна. Указано, что эти вертикальные конвективные течения могут быть причиной
15
глубинного массоперспоса, наблюдаемого в крупных природных водных бассейнах [Ахметов, Никулин, Остапенко, 2005, 2006-а,б].
Основные результаты первой главы опубликованы в работах [Ахметов, Никулин, 2004-0,6, 2008, 2010; Ахметов, Никулин, Остапенко, 2005, 2006-а,б].
Во второй главе представлены результаты первого экспериментального исследования гидродинамической структуры кольцевого вихря.
1. Дан краткий анализ существующих теоретических моделей кольцевого вихря.
2. Разработана методика измерений осесимметричного поля скорости кольцевого вихря помощью термоанемометрнчсской аппаратуры.
3. Впервые определена гидродинамическая структура реального кольцевого вихря. Получены полные картины поля скорости и линий тока кольцевого вихря. По полю скорости рассчитаны распределения завихренности. Показано, что используемые в большинстве теоретических работ предположения о распределении завихренности в кольцевом вихре в действительности не соответствуют реальной картине распределения завихренности.
3. Определены основные геометрические, кинематические и динамические параметры кольцевого вихря: радиус, циркуляция, размеры ядра, импульс, кинетическая энергия в атмосфере вихря и во внешнем течении.
4. Определены потерн энергии при движении кольцевого вихря. Дан сравнительный анализ потерь энергии при движении кольцевого вихря и хорошо обтекаемого твердого тела.
5. Приведены результаты экспериментальных исследований структуры кольцевых вихрей, полученные позднее другими авторами. Показано, что эти результаты согласуются с представленными в данной главе результатами автора.
Полученные результаты могут быть использованы как основа при разработке более близких к реальности теоретических моделей кольцевого вихря.
Основные результаты второй главы опубликованы в статьях [Ахметов, Кисаров, 1966; Ахметов, 2001; Ахметов, 2008-л,0) и в монографиях [Ахметов, 2007, 2009].
Б третьей главе представлены результаты экспериментального исследования структуры и характеристик целого семейства вихревых колец, образующихся при импульсном истечении затопленной струи из круглого сопла. Установлена система безразмерных критериев, определяющих процесс формирования кольцевого вихря, и в
16
зависимости от этих критериев в широком диапазоне их изменения определены параметры всего исследуемого семейства кольцевых вихрей. Представленные результаты могут быть использованы для генерации кольцевых вихрей с заданными характеристиками.
Основные результаты третьей главы опубликованы в статье [Ахметов, 2001] и в монографиях [Ахметов, 2007; Akhmetov, 2009].
В четвертой главе представлен анализ физического процесса формирования вихревого кольца при истечении затопленной струи, и предложена полуэмпирическая теоретическая модель образования вихревого кольца, основанная на гидродинамических законах сохранения [Ахметов, 2001, 2007, 2008-6]. В рамках этой модели получены формулы для расчета основных параметров кольцевого вихря в зависимости от безразмерных критериев, определяющих условия формирования вихревого кольца. Показано, что результаты расчетов по этим формулам хорошо согласуются с экспериментальными данными, представленными в третьей главе. Полученные результаты могут быть использованы для определения характеристик кольцевого вихря расчетным способом.
Основные результаты четвертой главы опубликованы в статьях [Ахметов, 2001; Ахметов, 2008-6] и в монографиях [Ахметов, 2007; Akhmetov, 2009].
В пятой главе изложены основы принципиально нового способа тушения мощных пожаров на аварийно фонтанирующих газонефтяных скважинах с помощью воздушных вихревых колец. Дана характеристика горящих газонефтяных фонтанов, и определены условия стабилизации и срыва пламени со струи. Разработана методика дистанционной оценки расхода горящих недорасширенмых газовых струй по высоте диффузионного факела. Выяснен механизм тушения диффузионного факела воздушным вихревым кольцом, приведены результаты опытов. Установлены принципы масштабною моделирования и расчета огнетушащих средств, необходимых для тушения пожаров газонефтяных фонтанов практически любой возможной мощности. Описан процесс первого применения нового способа при тушении реального пожара мощного газового фонтана, возникшего во время бурения скважины на газовом месторождении в Узбекистане.
Основные результаты пятой главы опубликованы в работах [Ахметов, 1994; Ахметов, Луговцов, Тарасов, 1980, 1983; Ахметов и др., 1980, 1981 -а,6; Akhmetov,
17
Lugovtsov, Maletin, 1999; Ахметов, Луговцов, 2002] и в монографиях [Ахметов, 2007; Akhmctov, 2009].
В заключении сформулированы основные результаты диссертации.
Основные результаты диссертации изложены в 27 работах (из них 15 статей в российских журналах из списка ВАК, 1 - в международном сборнике научных статей и в двух монографиях [Ахметов “Вихревые кольца”. Новосибирск. 2007. 152 с. Академ, издат «ГЕО»; D.G. Akhmctov “Vortex rings”. Berlin-Heidelberg. 2009. 151 p. Springer-Verlag]). Практические результаты материалов диссертации защищены тремя патентами [Ахметов и др., 1981-я, б; Ахметов, Никулин, 2009].
Список основных публикаций автора но теме диссертации
1. Ахметов Д.Г., Кисаров 0.11. Гидродинамическая структура кольцевого вихря// ПМТФ. 1966. № 4. С. 120-123.
2. Ахметов Д.Г., Луговцов Б.А., Тарасов В.Ф. Тушение пожаров на газонефтяных скважинах с помощью вихревых колец// ФГВ. 1980. №5. С.8-14.
3. Ахметов Д.Г., Луговцов Б.А., Малстин В.А., Миронов Б.А., Тарасов В.Ф., Чернухин Н.Е. Новые способы ликвидации горения на газонефтяных скважинах в условиях аварийного фонтанирования. Проблемы развития нефтегазового комплекса Сибири. Т.2. Сб. докладов / Ин-т геологии и геофизики. СО АН СССР. 1980. С. 180-185.
4. Ахметов Д.Г., Луговцов Б.А., Малстин В.А.,Тарасов В.Ф., Чернухин II.E. Способ тушения пожара на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах./ А вторскос свидстсл ьство 895174 от 01.09. 1981.
5. Ахметов Д.Г., Луговцов Б.А., Тарасов В.Ф., Малстин В.А., Чернухин Н.Е. Пиротехнический огнетушитель./Натент 878318 от 07.11. 1981.
6. Ахметов Д.Г., Тарасов В.Ф. О тушении мощного газового фонтана // Динамика сплошной среды: Сб.научн. тр./ Ин-т гидродинамики. АН СССР. Сиб. отд-ннс. 1983. Вып.62. С.3-10.
18
7. Ахметов Д.Г., Тарасов В.Ф. О структуре и эволюции вихревых ядер // ПМТФ. 1986. №5. С.68-73.
8. Ахметов Д.Г., Владимиров В.Л., Ильин К.И., Макаренко В.Г., Никулин В.В., Тарасов В.Ф. Гидродинамика вихревых течений (библиографический указатель). Новосибирск. Институт гидродинамики СО РАН. 1988. 181с.
9. Ахметов Д.Г. Оценка расхода горящих газовых фонтанов но высоте диффузионного факела // ФГВ. 1994. № 6. С.25-28.
10. Ахметов Д.Г., Никулин В.В. Особенности взаимодействия незакручеиной осевой струи с потоком в вихревой камере //Теплофизика и аэромеханика. 1999. Т.6. №4. С-579-581.
11. Ахметов Д.Г. Формирование и основные параметры вихревых колен // ПМТФ. 2001. №5. Т.42. С.70-83.
12. Ахметов Д.Г., Луговцов Б.А. Вихрепорошковый способ тушения пожаров на фонтанирующих газонефтяных скважинах. Труды школы-семинара “Физика нефтяного пласта“, Новосибирск. 2002. С.7-13.
13. Ахметов Д.Г., Никулин В.В., Остапенко В.В. Динамика вихревых структур в процессе спиндауна в прямоугольном бассейне с наклонным дном. Всероссийская конференция “Задачи со свободными границами: теория, эксперимент практика". Тезисы докладов. Бийск. 2005. С. 10-11.
14. Ахметов Д.Г., Никулин В.В., Остапенко В.В. Кумуляция завихренности в процессе спиндауна в прямоугольном бассейне с наклонным дном. IX Всероссийский съезд но теоретической и прикладной механике. Аннотации докладов. Нижний Новгород. 2006. Т. II. С. 19.
15. Ахметов Д.Г., Никулин В.В., Остапенко В.В. Кумуляция завихренности в прямоугольном бассейне с наклонным дном после резкого замедления его вращения. Известия РАН. МЖГ. 2006. №6. С.94-105.
16. Ахметов Д.Г. Вихревые кольца. Монография. Новосибирск. Академ, издат. «ГЕО». 2007. 151 стр.
19
17. Ахметов Д.Г., Никулин В.В. Экспериментальное исследование автоколебаний, возникающих при истечении закрученной струи // Изв. Акад. Наук. МЖГ. 2004-л. №3. С. 60-68.
18. Ахметов Д.Г., Никулин В.В. Механизм генерации автоколебаний при истечении закрученной струи // ДАН. 2004-6. Т.399. №4. С.486-489.
19. Ахметов Д.Г., Никулин В.В., Гаврилов Н.В. Структура течения в огненном торнадоподобном вихре. //ДАН. 2007. Т.417. №1. С. 41-44
20. Ахметов Д.Г. Потери энергии при движении вихревого кольца. // ПМТФ. 2008. Т.49. №1. С.24-30.
21. Ахметов Д.Г. Модель формирования вихревого кольца. И ПМТФ. 2008. Т.49. №6.С.26-36.
22. Ахметов Д.Г., Никулин В.В. Экспериментальное определение времени образования торнадоподобного вихря в замкнутой камере. // Письма в ЖТФ.2008. Т.34, вып.24. С.Зб-41.
23. Ахметов Д.Г., Никулин В.В. Устройство для очистки воздуха. Патент РФ. №2354891. 2009. Зарегистрирован и опубликован 10.05.2009.
24. Ахметов Д.Г., Никулин В.В. Особенности прецессии вихревого ядра в цилиндрической камере. //ДАН. 2010. Т.431. №6. С. 755-757.
25. Akhmetov D. G., Nikulin V.V. Self-exited oscillations in swirling-jct effluxes. Turbomachines: acroelasticity, acroacoustics, unsteady aerodynamics. Moscow: TORUS PRESS Ltd., 2006. P.434-445.
26. Akhmetov D.G., Lugovtsov B.A., Maletin V.A. Vortex powder method for extinguishing fire on spouting gas-oil wells. Prevention of hazardous fires and explosions. // Proc. of Advanced research workshop NATO SC/SB RAS. Novosibirsk. May 12-15, 1998. Dordrecht etc.: Kluwcr Acad. Publ. 1999. P.319-328.
27. Akhmetov D. G. Vortex rings. Springcr-Vcrlag . Berlin-1 leidclberg. 2009. 15Ip.