RU2336130C1 - Infrasound gas-jet resonance radiator - Google Patents
Infrasound gas-jet resonance radiator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2336130C1 RU2336130C1 RU2007106957/28A RU2007106957A RU2336130C1 RU 2336130 C1 RU2336130 C1 RU 2336130C1 RU 2007106957/28 A RU2007106957/28 A RU 2007106957/28A RU 2007106957 A RU2007106957 A RU 2007106957A RU 2336130 C1 RU2336130 C1 RU 2336130C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nozzle
- pipe
- resonant
- gas
- jet
- Prior art date
Links
Landscapes
- Cleaning In General (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области приборостроения, в частности к теплообменным устройствам типа акустических газоструйных устройств для создания в газовых средах звуковых полей дискретной частоты в широком диапазоне частот, что может быть использовано для интенсификации тепломассообменных процессов в газовых средах (горение, смешение, коагуляция, сушка и др.), а также для очистки разных активных поверхностей от сыпучих и иных отложений и применено в различных отраслях промышленности, например, для чистки загрязненных поверхностей.The invention relates to the field of instrumentation, in particular to heat exchangers such as acoustic gas-jet devices for creating sound fields of discrete frequency in gas media in a wide frequency range, which can be used to intensify heat and mass transfer processes in gas media (combustion, mixing, coagulation, drying, etc. .), as well as for cleaning various active surfaces from loose and other deposits and is used in various industries, for example, for cleaning contaminated surfaces.
Известно акустическое устройство для очистки и сушки активных поверхностей [1], которое основано на генерировании интенсивного акустического поля. Усиление эффекта осуществляется за счет подпора газа, создающегося специальным устройством, выполненным на выходном торце трубки. Однако в известном устройстве недостаточно полно реализуется преобразование кинетической энергии потока газа в акустическую, что снижает интенсификацию тепло- и массообменных процессов.A known acoustic device for cleaning and drying active surfaces [1], which is based on the generation of intense acoustic fields. The effect is enhanced due to the backwater of the gas created by a special device made at the outlet end of the tube. However, the known device does not fully realize the conversion of the kinetic energy of the gas flow into acoustic energy, which reduces the intensification of heat and mass transfer processes.
Известен газоструйный акустический излучатель, который относится к акустической теплотехнике [2]. Он содержит проточный резонатор со сверхзвуковой приемной частью, обращенной к соплу, и сверхзвуковой выпускной частью и каналом, соединяющим выпускную и приемную части резонатора. Однако известное устройство имеет достаточно низкий КПД, вследствие чего невысокую эффективность нагрева рабочих тел до температуры воспламенения.Known gas-jet acoustic emitter, which relates to acoustic heat engineering [2]. It contains a flow resonator with a supersonic receiving part facing the nozzle, and a supersonic exhaust part and a channel connecting the exhaust and receiving parts of the resonator. However, the known device has a sufficiently low efficiency, as a result of which the low efficiency of heating the working fluid to the ignition temperature.
Известна установка звуковой очистки [3], которая содержит ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи и демпфер паразитных изгибных колебаний. Устройство может использоваться в различных отраслях промышленности для очистки загрязненных поверхностей. Однако известное устройство имеет неравномерную интенсивность акустического воздействия по всей поверхности, предназначенной для очистки.A known installation of sound cleaning [3], which contains ultrasonic piezoelectric transducers and a damper of spurious bending vibrations. The device can be used in various industries for cleaning contaminated surfaces. However, the known device has an uneven intensity of acoustic exposure over the entire surface intended for cleaning.
Известна установка ультразвуковой очистки [4], отличающаяся от известной установки звуковой очистки [3] тем, что демпфер паразитных изгибных колебаний в ней выполнен в виде отдельных массивных стальных колец, концентрично охватывающих излучатели соответствующих преобразователей, что позволяет осуществлять более равномерную очистку. Однако известное устройство имеет невысокую интенсивность очистки.A known installation of ultrasonic cleaning [4], which differs from the known installation of sound cleaning [3] in that the damper of parasitic bending vibrations in it is made in the form of separate massive steel rings concentrically covering the emitters of the respective transducers, which allows for more uniform cleaning. However, the known device has a low cleaning intensity.
Известен газоструйный резонансный излучатель [5], наиболее близкий к предлагаемому изобретению, принятый в качестве прототипа. Излучатель предназначен для звуковой очистки различных поверхностей от промышленных загрязнений и разных отложений. Работа известного устройства основана на преобразовании кинетической энергии газа в акустическую в режиме резонанса.Known gas-jet resonant emitter [5], the closest to the proposed invention, adopted as a prototype. The emitter is designed for sound cleaning of various surfaces from industrial pollution and various deposits. The operation of the known device is based on the conversion of the kinetic energy of gas into acoustic energy in resonance mode.
Недостатками известного устройства являются сложность настройки, узкий рабочий диапазон, большой расход воздуха и некоторые конструктивные особенности, влияющие на эффективность работы устройства, и связанный с этим невысокий уровень очистки (за счет неполного преобразования кинетической энергии в акустическую).The disadvantages of the known device are the complexity of the settings, a narrow operating range, high air consumption and some design features that affect the efficiency of the device, and the associated low cleaning level (due to the incomplete conversion of kinetic energy into acoustic).
Технический результат заявляемого изобретения состоит в упрощении настройки, расширении рабочего диапазона, сокращении расхода воздуха и повышении эффективности работы устройства, в первую очередь качества очистки, за счет перехода на более низкое давление.The technical result of the claimed invention consists in simplifying settings, expanding the operating range, reducing air consumption and increasing the efficiency of the device, especially the quality of cleaning, due to the transition to a lower pressure.
Указанный технический результат достигается тем, что газоструйный резонансный излучатель, содержащий резонирующий цилиндрический корпус с соосно размещенными в нем соплом, штоком, трубой, в которой установлен с возможностью продольного перемещения и фиксации отражатель, труба и сопло выполнены с возможностью относительного осевого перемещения, резонирующий цилиндрический корпус заглушен со стороны сопла, через сопло проходит игла, а на входе в сопло установлена кольцевая диафрагма, жестко соединенная с иглой, в соответствии с заявляемым изобретением имеет в трубе, соосно размещенной в резонирующем цилиндрическом корпусе, сквозную перфорацию со стороны входа (устья) полости трубы, причем соотношение длины этой трубы и ее диаметра составляет не менее 10:1, при этом резонирующий цилиндрический корпус и труба имеют размеры, которые определяются по формуле:The specified technical result is achieved in that a gas-jet resonant emitter comprising a resonating cylindrical body with a nozzle, rod, pipe coaxially placed therein, in which the reflector, pipe and nozzle are mounted with the possibility of longitudinal movement and fixation, are capable of relative axial movement, the resonant cylindrical body muffled from the nozzle side, a needle passes through the nozzle, and an annular diaphragm is mounted at the entrance to the nozzle, rigidly connected to the needle, in accordance with the invention has in the pipe coaxially placed in the resonant cylindrical body, through perforation from the inlet (mouth) side of the pipe cavity, and the ratio of the length of this pipe to its diameter is not less than 10: 1, while the resonant cylindrical body and the pipe have dimensions that are determined by the formula:
f=Ao/4L,f = Ao / 4L,
где f - частота автоколебательного процесса;where f is the frequency of the self-oscillating process;
Ао - скорость звука в воздухе (рабочий газ-воздух);Ao is the speed of sound in air (working gas-air);
L - длина трубы, размещенной внутри резонирующего цилиндрического корпуса.L is the length of the pipe placed inside the resonating cylindrical body.
Такие соотношения размеров цилиндрического корпуса и трубы позволяют возбуждать колебания частотой ниже 50 герц с переходом в инфразвуковую область излучения, что позволяет использовать газоструйный резонансный излучатель как инфразвуковой.Such ratios of the dimensions of the cylindrical body and pipe make it possible to excite oscillations with a frequency below 50 hertz with a transition to the infrasonic region of radiation, which makes it possible to use a gas-jet resonant emitter as an infrasound.
Кроме того, в заявляемом устройстве резонирующий цилиндрический корпус и расположенная внутри него труба имеют при скорости звука в воздухе 340 м/сек размеры не менее 4 метров.In addition, in the inventive device, the resonant cylindrical body and the pipe located inside it have at least 4 meters dimensions of sound in air in air of 340 m / s.
Помимо этого в заявляемом устройстве резонирующий цилиндрический корпус имеет диффузор.In addition, in the inventive device, the resonant cylindrical body has a diffuser.
Работа заявляемого инфразвукового газоструйного резонансного излучателя, который относится к мощным генераторам звука, работающим в газовой среде, основана на преобразовании кинетической энергии газовой струи в акустическую энергию.The operation of the inventive infrasonic gas-jet resonant emitter, which relates to powerful sound generators operating in a gaseous medium, is based on the conversion of the kinetic energy of a gas stream into acoustic energy.
Анализ мирового уровня техники в данной области выявил, что в настоящее время в теплоэнергетике наблюдается тенденция использовать низкосортные многозольные топлива. В связи с этим возникают проблемы, связанные с заносом конвективных поверхностей теплообменных аппаратов зольными отложениями.The analysis of world-class technology in this area revealed that at present there is a tendency in the power system to use low-grade multi-ash fuels. In this regard, there are problems associated with the drift of convective surfaces of heat exchangers with ash deposits.
Однако помимо зольного заноса актуальной проблемой для теплообменных аппаратов является проблема заноса отложениями технологического уноса при производстве, например, цемента, в сталеплавильном производстве, а также в ряде других производств. Поэтому проблема повышения эффективности работы теплообменных устройств и качества очистки удаления зольных отложений и отложений технологического уноса с поверхностей теплообменных аппаратов является первостепенной.However, in addition to ash drift, an urgent problem for heat exchangers is the problem of drift by deposits of technological entrainment in the production of, for example, cement, steelmaking, as well as in a number of other industries. Therefore, the problem of improving the efficiency of heat exchangers and the quality of cleaning removal of ash deposits and deposits of technological entrainment from the surfaces of heat exchangers is of paramount importance.
Заявляемое устройство предназначено для решения этой актуальной для разных отраслей производства проблемы.The inventive device is intended to solve this problem for various industries.
Реализация заявленного изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема газоструйного резонансного излучателя в продольном разрезе.The implementation of the claimed invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of a gas-jet resonant emitter in longitudinal section.
Газоструйный резонансный излучатель содержит: цилиндрической формы резонансную трубу (1), несущую функцию цилиндрического корпуса, которая открыта с одной стороны, а с другой стороны заглушена фланцем-дном; сопло (2), выходящее со стороны фланца-дна по оси резонансной трубы; внутреннюю трубу (3); вблизи устья резонансной трубы в ее стенках имеются сквозные перфорированные отверстия; внутренняя труба расположена по оси резонансной трубы за соплом на некотором расстоянии от него и своим устьем обращена к соплу; дно-отражатель (4), заглушающий полость внутренней трубы; шток (5), связывающий дно-отражатель с механизмом (6) для перемещения дна-отражателя; механизм (7) для относительного перемещения сопла и внутренней трубы; держатели-фиксаторы (8) внутренней трубы в резонансной трубе; диафрагму (9), установленную на входе в сопло; тонкую иглу (10), соединенную с диафрагмой и размещенную по оси сопла с некоторым вылетом из него.The gas-jet resonant emitter contains: a cylindrical-shaped resonance tube (1), which carries the function of a cylindrical body, which is open on one side and damped on the other by a bottom flange; a nozzle (2) extending from the bottom-flange along the axis of the resonance tube; inner tube (3); near the mouth of the resonant tube, there are through perforated holes in its walls; the inner tube is located along the axis of the resonance tube behind the nozzle at a certain distance from it and faces its mouth with the mouth; bottom reflector (4), drowning out the cavity of the inner pipe; a rod (5) connecting the bottom of the reflector with a mechanism (6) for moving the bottom of the reflector; a mechanism (7) for the relative movement of the nozzle and the inner pipe; retainer-holders (8) of the inner pipe in the resonance pipe; a diaphragm (9) installed at the entrance to the nozzle; a thin needle (10) connected to the diaphragm and placed along the nozzle axis with some departure from it.
Работа газоструйного резонансного излучателя осуществляется следующим образом.The operation of the gas-jet resonant emitter is as follows.
В газоструйный резонансный излучатель через сопло 2 подается под давлением рабочий газ (воздух), который натекает дозвуковой или сверхзвуковой струей на полость внутренней трубы 3, взаимодействует с полостью; при определенных параметрах во взаимодействии струи с полостью развивается автоколебательный процесс, характерный для первой продольной моды колебаний. В свою очередь, развивающийся автоколебательный процесс способствует развитию резонанса в резонансной трубе (1). Игла (10) в газоструйном резонансном излучателе существенно облегчает работу по настройке устройства на резонанс, а в сочетании с имеющимися сквозными (перфорированными) отверстиями во внутренней трубе (3) делает возможным резонанс и на дозвуковых струях.A working gas (air) is supplied under pressure to a gas-jet resonant emitter through a nozzle 2, which flows a subsonic or supersonic jet onto the cavity of the inner pipe 3, interacts with the cavity; at certain parameters, a self-oscillating process characteristic of the first longitudinal vibration mode develops in the interaction of the jet with the cavity. In turn, the developing self-oscillating process contributes to the development of resonance in the resonance tube (1). A needle (10) in a gas-jet resonant emitter significantly facilitates the work of tuning the device to resonance, and in combination with the through holes (perforated) in the inner tube (3), it also makes resonance possible on subsonic jets.
За счет такого конструктивного исполнения технический результат устройства достигается использованием эффекта наложения мощного звукового поля дискретной частоты на основной запыленный газовый поток (так называемая «звуковая очистка»).Due to this design, the technical result of the device is achieved by using the effect of applying a powerful sound field of a discrete frequency to the main dusty gas stream (the so-called "sound cleaning").
Указанный эффект основан на разрушении, механизм которого определяется аутогезионными параметрами отложений, в частности показателем разрывной прочности. У ряда групп сыпучих материалов разрывная прочность при статическом приложении нагрузки в переводе к уровню звукового давления лежит в диапазоне от 125 до 140 дБ (при этом воздействие звукового давления на отложения имеет динамический характер).The indicated effect is based on fracture, the mechanism of which is determined by the autogesionic parameters of deposits, in particular, by the tensile strength index. For some groups of bulk materials, tensile strength with a static application of the load in translation to the sound pressure level lies in the range from 125 to 140 dB (the effect of sound pressure on the deposits is dynamic in nature).
Сыпучие материалы (промышленные пыли) по их аутогезионной способности имеют свою классификацию [6]:Bulk materials (industrial dust) according to their autogesic ability have their own classification [6]:
1. Неслипающаяся (свободнотекучая): пыль мартеновская (производство без кислородного дутья), колошниковая, агломерациооная, конвертерная (производство стали по схеме с дожиганием), электросталеплавильная, коксовая, доломитовая, шамотная, дунитовая, каменных углей, порошок известняка, плавикового шпата, цемент (производство сухим способом), грунт.1. Non-sticking (free-flowing): open-hearth dust (production without oxygen blasting), blast furnace, sinter, converter (after-burning steel production), electric steel, coke, dolomite, fireclay, dunite, coal, limestone powder, fluorspar (dry production), soil.
2. Слабослипающаяся (легкотекучая): пыль мартеновская (производство с кислородным дутьем), магнезитовая (отбор проб после печей отжига), доломитовая и шамотная (отбор проб после электрофильтров), угольная (с фракцией 0-60 мкм более 30%), конвертерная (отбор проб после котлов-утилизаторов, схема с дожиганием), известняковая, гипс (строительный грубого помола), зола содорегенерационных котлов, мазута, карагандинских и кузнецких каменных углей.2. Weakly sticking (easily flowing): open-hearth dust (production with oxygen blasting), magnesite (sampling after annealing furnaces), dolomite and chamotte (sampling after electrostatic precipitators), coal (with a fraction of 0-60 microns more than 30%), converter ( sampling after recovery boilers, afterburning scheme), limestone, gypsum (coarse building), ash from soda recovery boilers, fuel oil, Karaganda and Kuznetsk coal.
3. Среднеслипающаяся (среднетекучая): пыль мартеновская (производство интенсивным кислородным дутьем), магнезитовая (отбор проб за котлом-утилизатором), угольная (с фракцией 0-60 мкм более 80%), доломитовая (отбор проб за электрофильтром), электросталеплавильная (крупные печи с интенсивным производством), медеплавильная.3. Medium sticking (medium flowing): open-hearth dust (production by intense oxygen blasting), magnesite (sampling behind a recovery boiler), coal (with a fraction of 0-60 microns more than 80%), dolomite (sampling behind an electrostatic precipitator), electric steel melting (large furnaces with intensive production), smelter.
Для повышения эффективности и качества очистки заявленным устройством резонансная труба имеет глубину полости, которая для инфразвукового диапазона частот выбирается по соотношению fа=a/4L; сопло, выходящее со стороны фланца-дна по оси резонансной трубы имеет число Маха Мa=1; глубина полости внутренней трубы для инфразвукового диапазона частот выбирается по соотношению fa=а/4L и вблизи устья в ее стенках имеются сквозные перфорированные отверстия.To improve the efficiency and quality of the cleaning device claimed resonance tube has a cavity depth, which for infrasound frequency band is selected and the ratio f = a / 4L; the nozzle exiting from the bottom-flange side along the axis of the resonance tube has a Mach number M a = 1; the depth of the cavity of the inner tube for the infrasonic frequency range is selected by the ratio f a = a / 4L and near the mouth there are through perforated holes in its walls.
Примеры экспериментальных исследований.Examples of experimental studies.
Пример 1.Example 1
На базе газодинамической лаборатории Санкт-Петербургского государственного университета была проведена экспериментальная проверка работоспособности газоструйного резонансного излучателя устройства-прототипа для выявления его недостатков и анализ причин с целью дальнейшего их устранения в заявленном изобретении.On the basis of the gas-dynamic laboratory of St. Petersburg State University, an experimental test was performed of the gas-jet resonant emitter of the prototype device to identify its shortcomings and analyze the reasons for their further elimination in the claimed invention.
Результаты испытаний показали, что настройка определяющих параметров излучателя на резонанс значительно затруднена в основном за счет геометрических и режимных параметров устройства, влияющих на положительный эффект, получаемый от резонанса.The test results showed that the adjustment of the determining parameters of the emitter to the resonance is significantly difficult mainly due to the geometric and operational parameters of the device, affecting the positive effect obtained from the resonance.
Ниже перечислены основные геометрические и режимные параметры газоструйного резонансного излучателя, определяющие настройку на явление резонанса:The following are the main geometric and operational parameters of a gas-jet resonant emitter that determine the setting for the resonance phenomenon:
- dа - диаметр выходного сечения сопла;- d a - diameter of the outlet section of the nozzle;
- d1 - диаметр полости внутренней трубы;- d 1 - the diameter of the cavity of the inner pipe;
- dи - диаметр тонкой иглы (стержня);- d and - the diameter of the thin needle (rod);
- d2 - диаметр полости резонансной трубы;- d 2 - the diameter of the cavity of the resonant tube;
- l0 - вылет сопла по отношению к фланцу-дну резонансной трубы;- l 0 - the departure of the nozzle with respect to the flange-bottom of the resonance tube;
- lи- вылет иглы по отношению к срезу сопла (со знаком + или -);- l and - the needle stick out in relation to the nozzle exit (with a + or - sign);
- l1 - расстояние между срезом сопла и устьем полости внутренней трубы;- l 1 - the distance between the nozzle exit and the mouth of the cavity of the inner pipe;
- L1 - глубина полости внутренней трубы;- L 1 - the depth of the cavity of the inner pipe;
- L2 - глубина полости резонансной трубы;- L 2 - the depth of the cavity of the resonant tube;
- θa - угол полураствора сопла;- θ a is the half-angle of the nozzle;
- Ma - геометрическое число Маха сопла;- M a is the geometric Mach number of the nozzle;
- n - нерасчетность сверхзвуковой струи;- n is the off-design of the supersonic stream;
- Re - число Рейнольдса;- Re is the Reynolds number;
- γ - отношение удельных теплоемкостей (γ=1,4 для воздуха).- γ is the ratio of specific heat capacities (γ = 1.4 for air).
Результаты экспериментальных исследований выявили, что важным для упрощения настройки и повышения эффективности работы излучателя определяемым параметром является уровень звукового давления на основной (дискретной) частоте резонансной трубы.The results of experimental studies have revealed that the determined parameter is the level of sound pressure at the fundamental (discrete) frequency of the resonant tube to simplify the tuning and increase the efficiency of the emitter.
Экспериментальная оценка влияния геометрического числа Маха Мa сопла показала, что максимальный уровень звукового давления на основной частоте резонансной трубы остается постоянным при числах Мa>1, диапазон изменения нерасчетности n сверхзвуковой струи находится в пределах от 1,2 до 1,4, т.е. резонанс в устройстве проявляется при истечении сверхзвуковых струй из сопла на режимах недорасширения.An experimental assessment of the influence of the nozzle geometric Mach number M a showed that the maximum sound pressure level at the fundamental frequency of the resonance tube remains constant at numbers M a > 1, the range of variation of the off-design n of the supersonic jet is in the range from 1.2 to 1.4, t. e. Resonance in the device is manifested when supersonic jets from the nozzle flow in under-expansion modes.
Пример 2.Example 2
Для заявляемого инфразвукового газоструйного резонансного излучателя глубину полости резонансной трубы оптимально выбрать равной длине резонансной трубы инфрафона (например, равной 4-4,5 м.). Отношение L2/d2 (известно из учебников по физике) находится в пределах от 10 до 12.For the inventive infrasound gas-jet resonant emitter, the depth of the cavity of the resonant tube is optimal to choose equal to the length of the resonant tube of the infraphone (for example, equal to 4-4.5 m.). The ratio L 2 / d 2 (known from physics textbooks) ranges from 10 to 12.
От определяемого параметра (нерасчетность струи n) и известного числа Мa можно перейти к определению полного давления р0 перед соплом. При этом следует иметь в виду, что сохранение нерасчетности струи n в диапазоне от 1,2 до 1,4 (при увеличении числа Ма) приводит к неоправданному росту полного давления перед соплом, что практически исключает возможность эффективной работы заявленного устройства и что неприемлемо для обоснования выбора конструкции заявляемого излучателя. Поэтому при выборе сопла проще остановиться на его конструкции с геометрическим числом Ма=1 (так называемое «сопло-очко», т.е. такое сопло, у которого диаметр критического сечения равен диаметру выходного сечения). При таком оптимальном выборе из определяемых параметров, влияющих на эффект резонанса, исключается параметр θа - угол полураствора сопла.From the determined parameter (the off-design of the jet n) and the known number M a, we can proceed to determine the total pressure p 0 in front of the nozzle. It should be borne in mind that maintaining the off-design of the jet n in the range from 1.2 to 1.4 (with an increase in the number М a ) leads to an unjustified increase in the total pressure in front of the nozzle, which practically excludes the possibility of efficient operation of the claimed device and which is unacceptable substantiation of the choice of design of the inventive emitter. Therefore, when choosing a nozzle, it is easier to dwell on its design with a geometric number M a = 1 (the so-called “nozzle-point”, that is, a nozzle with a diameter of the critical section equal to the diameter of the outlet section). With such an optimal choice of the determined parameters that affect the resonance effect, the parameter θ a is excluded - the nozzle half-angle.
Определяемый параметр иглы dи(диаметр иглы) можно выбрать с учетом, что она всегда тонкая, постоянным и равным от 3-5 мм.The determined needle parameter d and (needle diameter) can be selected taking into account that it is always thin, constant and equal to 3-5 mm.
В заявленном устройстве при натекании воздушной струи на полость внутренней трубы при определяющих этот процесс настраиваемых параметрах реализуется автоколебательный процесс. Этот процесс достаточно подробно исследован [7] и интересен, в частности, тем, что при относительно коротких трубах (L1/d1=1-3) наблюдается акустическое излучение с ярко выраженным дискретным тоном. Такой эффект широко эксплуатируется при построении газоструйных излучателей ультразвукового диапазонаIn the claimed device, when an air stream flows onto the cavity of the inner pipe, the self-oscillating process is realized with the adjustable parameters determining this process. This process has been studied in sufficient detail [7] and is interesting, in particular, because for relatively short pipes (L 1 / d 1 = 1-3), acoustic radiation with a pronounced discrete tone is observed. This effect is widely exploited in the construction of gas-jet emitters of the ultrasonic range
В работе [7] показано и обосновано существование в явлении нечетных (2m+1) продольных мод колебаний при относительно глубоких полостях: m=0, 1, 2, 3, ...m=0 - первая продольная мода; m=1 - третья продольная мода и т.д. Моды отличаются структурой течения и частотами, которые образуют неэквидистантный спектр в соотношениях, близких к fi/fa=(2/m+1). fi - частота моды, fa=а/4L - акустическая частота трубной полости. Это означает, что при очень коротких полостях «резонанс» наблюдается при возникновении в явлении поперечных или вращательных мод колебаний, а в явлении взаимодействия газовых струй с глубокими полостями максимумы акустической энергии смещаются в область турбулентных пульсаций.In [7], it was shown and justified the existence in the phenomenon of odd (2m + 1) longitudinal modes of oscillations at relatively deep cavities: m = 0, 1, 2, 3, ... m = 0 — the first longitudinal mode; m = 1 - third longitudinal mode, etc. The modes differ in the flow structure and frequencies, which form a nonequidistant spectrum in ratios close to f i / f a = (2 / m + 1). f i is the mode frequency, f a = a / 4L is the acoustic frequency of the tube cavity. This means that for very short cavities, “resonance” is observed when transverse or rotational vibrational modes occur in the phenomenon, and in the phenomenon of interaction of gas jets with deep cavities, the acoustic energy maxima shift to the region of turbulent pulsations.
В заявленном инфразвуковом газоструйном резонансном излучателе важно, чтобы во взаимодействии воздушной струи с полостью внутренней трубы наблюдался автоколебательный процесс, характерный для первой продольной моды. Тогда во внешней резонансной трубе можно ожидать явление резонанса, одним из условий для него должно быть отношение L1/L2~1 (глубина полости внутренней трубы близка к глубине резонансной трубы).In the claimed infrasound gas-jet resonant emitter, it is important that in the interaction of the air stream with the cavity of the inner tube, a self-oscillating process characteristic of the first longitudinal mode is observed. Then a resonance phenomenon can be expected in the external resonance tube, one of the conditions for it should be the ratio L 1 / L 2 ~ 1 (the depth of the cavity of the inner tube is close to the depth of the resonance tube).
Таким образом, глубина полости внутренней трубы для верхней границы инфразвука должна быть L1~4 м. При таких глубоких полостях (L1/d1>>10) влияние числа Рейнольдса Re оказывается существенным на процесс, это влияние (отрицательное) тем более увеличится при внесении в конструкцию стержня. Следует убрать из конструкции резонансного излучателя стержень и не рассматривать влияние числа Рейнольдса Re, если в явлении взаимодействия струи с полостью внутренней трубы проявится первая продольная мода (эта мода действительно существует и на более глубоких полостях).Thus, the depth of the cavity of the inner tube for the upper boundary of the infrasound should be L 1 ~ 4 m. With such deep cavities (L 1 / d 1 >> 10), the influence of the Reynolds number Re is significant on the process, this effect (negative) will increase when introduced into the design of the rod. The rod should be removed from the design of the resonant emitter and the influence of the Reynolds number Re should not be considered if the first longitudinal mode appears in the interaction of the jet with the cavity of the inner tube (this mode also exists in deeper cavities).
С учетом вышеприведенных замечаний количество определяющих явление резонанса параметров лишь незначительно уменьшилось. Приведем эти параметры в безразмерном виде:Taking into account the above remarks, the number of parameters determining the resonance phenomenon only slightly decreased. We give these parameters in a dimensionless form:
- - относительный диаметр выходного сечения сопла;- - the relative diameter of the output section of the nozzle;
- - относительный диаметр полости внутренней трубы;- - the relative diameter of the cavity of the inner pipe;
- - относительный вылет сопла;- - relative overhang of the nozzle;
- - относительный вылет иглы;- - relative reach of the needle;
- - относительная глубина полости внутренней трубы;- - the relative depth of the cavity of the inner pipe;
- - полное давление перед соплом (рн - наружное давление).- - total pressure in front of the nozzle (p n - external pressure).
Задача поиска локальных максимумов уровня звукового давления на основной частоте резонансной трубы при явлении резонанса (в зависимости от вышеперечисленных параметров) значительно упростилась, поскольку оказалось, что по параметру в явлении существуют протяженные зоны, в которых искомый уровень звукового давления остается практически постоянным. Но даже в упрощенном варианте анализ влияния определяющих параметров на резонанс может быть дан лишь на основе объемного и трудоемкого экспериментального исследования.The search for local maxima of the sound pressure level at the fundamental frequency of the resonance tube during the resonance phenomenon (depending on the above parameters) was significantly simplified, since it turned out that the parameter there are extended zones in the phenomenon in which the desired sound pressure level remains almost constant. But even in a simplified version, an analysis of the influence of determining parameters on resonance can be given only on the basis of a voluminous and laborious experimental study.
В заявленном инфразвуковом газоструйном резонансном излучателе резонанс на основной акустической частоте резонансной трубы достигается при истечении из сопла как дозвуковых, так и сверхзвуковых струй. (При этом если иметь в виду зону резонанса по полному давлению перед соплом, то зона начинается от малого докритического давления перед соплом до полного давления .) Уровень звукового давления на основной частоте резонансной трубы растет с увеличением скорости истечения дозвуковой струи, а с переходом к сверхзвуковому истечению практически остается постоянным.In the claimed infrasound gas-jet resonant emitter, resonance at the main acoustic frequency of the resonant tube is achieved when both subsonic and supersonic jets flow from the nozzle. (Moreover, if we take into account the resonance zone for the total pressure in front of the nozzle, the zone starts from low subcritical pressure in front of the nozzle to full pressure .) The sound pressure level at the fundamental frequency of the resonance tube grows with an increase in the subsonic jet outflow rate, and with the transition to supersonic outflow it remains practically constant.
Такой результат достигается следующими конструктивными изменениями:This result is achieved by the following design changes:
- сопло выполнено с геометрическим числом Маха сопла Ма=1, т.е. используется так называемое сопло-очко, у которого отсутствует за критическим сечением расширяющаяся часть (диаметр критического сечения сопла равен диаметру выходного сечения сопла);- the nozzle is made with the geometric Mach number of the nozzle M a = 1, i.e. a so-called nozzle-point is used, in which there is no expanding part beyond the critical section (the diameter of the critical section of the nozzle is equal to the diameter of the output section of the nozzle);
- тонкая игла соединяется с диафрагмой, проходит через сопло по его оси и может выйти за сопло на некоторое расстояние за срез сопла;- a thin needle connects to the diaphragm, passes through the nozzle along its axis and can go beyond the nozzle a certain distance beyond the nozzle exit;
- внутренняя труба выполнена со сквозными отверстиями в стенках трубы вблизи устья своей полости;- the inner pipe is made with through holes in the walls of the pipe near the mouth of its cavity;
- устье полости (имеется входное отверстие в полость);- the mouth of the cavity (there is an inlet in the cavity);
- глубина полости резонансной трубы рассчитывается по ее основной акустической частоте; эта частота - частота инфразвукового диапазона. (Возможно построение низкочастотного резонансного излучателя с основной частотой в диапазоне частот выше частоты инфразвука, до частоты ~100 Гц.)- the depth of the cavity of the resonant tube is calculated by its main acoustic frequency; this frequency is the frequency of the infrasound range. (It is possible to build a low-frequency resonant emitter with a fundamental frequency in the frequency range above the infrasound frequency, up to a frequency of ~ 100 Hz.)
В лабораторных условиях ввиду существующих ограничений была выбрана резонансная труба диаметром d2=200 мм с глубиной полости L2=2000 мм. Ожидаемая при резонансе у этой трубы основная акустическая частота может быть меньше 40 Гц, т.е. частота достаточно близко расположена к инфразвуковому диапазону.In laboratory conditions, due to existing restrictions, a resonance tube with a diameter of d 2 = 200 mm and a cavity depth of L 2 = 2000 mm was chosen. The main acoustic frequency expected at resonance for this tube may be less than 40 Hz, i.e. the frequency is close enough to the infrasonic range.
Пример 3.Example 3
При проведении экспериментальных исследований измерения уровней звукового давления производились шумомером ВШВ-003, микрофон устанавливался на расстоянии 6 м от излучателей. Используемый экспериментальный бокс представлял собой бетонное помещение размерами 16×9×6 м3. В процессе экспериментальных исследований производились:During experimental studies, sound pressure levels were measured using the VSHV-003 sound level meter, the microphone was installed at a distance of 6 m from the emitters. The experimental box used was a concrete room measuring 16 × 9 × 6 m 3 . In the process of experimental studies were carried out:
- осциллографическая запись временных сигналов датчиков, регистрирующих изменение давления в полостях внутренней и резонансной труб;- Oscillographic recording of temporary signals of sensors recording pressure changes in the cavities of the internal and resonant pipes;
- осциллографическая запись сигналов микрофона в октаве со среднегеометрической частотой fcp=31,5 Гц при резонансе в зависимости от давления ;- oscillographic recording of microphone signals in an octave with a geometric mean frequency f cp = 31.5 Hz at a resonance depending on pressure ;
- осциллографическая запись пульсаций давления в полости внутренней трубы в зависимости от давления .- oscillographic recording of pressure pulsations in the cavity of the inner pipe depending on the pressure .
Следует отметить, что выбор длины резонансной трубы обусловлен также возможностью акустических измерений в инфразвуковом диапазоне.It should be noted that the choice of the length of the resonance tube is also due to the possibility of acoustic measurements in the infrasonic range.
В приведенной таблице 1 при совершенно равных значениях, определяющих явление резонанса параметрах, показано распределение уровней звукового давления по октавам для газоструйного резонансного излучателя (ГРИ) и газоструйного (отсутствует резонансная труба) излучателя (ГИ). При этом во взаимодействии воздушной струи с полостью трубы для ГИ или с полостью внутренней трубы для ГРИ наблюдается один и тот же процесс в первой продольной моде.In table 1, for absolutely equal values that determine the resonance parameters, the octave distribution of sound pressure levels for a gas-jet resonant emitter (GRI) and a gas-jet (no resonance tube) emitter (GI) is shown. In this case, in the interaction of the air stream with the cavity of the pipe for HI or with the cavity of the inner pipe for HMI, the same process is observed in the first longitudinal mode.
В таблице 1 указаны параметры: - fcp - среднегеометрическая частота октавы;Table 1 shows the parameters: - f cp - geometric mean octave frequency;
- I - уровень звукового давления в данной октаве.- I - sound pressure level in this octave.
Данные, представленные в таблице 1, показывают, что у газоструйного излучателя (ГИ) с глубокой полостью максимум акустической энергии, несмотря на то что во взаимодействии струи с полостью наблюдается автоколебательный процесс в первой продольной моде (частота процесса ~37 Гц; показания датчиков давления), смещается в высокочастотную область спектра акустического сигнала. В новой схеме, схеме газоструйного резонансного излучателя, ярко выраженный максимум акустической энергии наблюдается в первой октаве (fcp=31,5 Гц). Показания датчиков давления говорят также о том, что в полостях резонансной и внутренней труб протекают процессы на одной частоте ~37 Гц. Таким образом, проведенные исследования на практике подтверждают теоретические расчеты и обоснование функциональных возможностей заявленного изобретения. Практически в резонансной трубе можно возбудить процесс на частоте любого ее обертона при совпадении с этой частотой частоты продольной моды газоструйного излучателя. В этом смысле в качестве автоколебательного источника энергии выступает струя с внутренней трубой, размещенные в резонансной трубе.The data presented in Table 1 show that a gas-jet emitter (GI) with a deep cavity has a maximum of acoustic energy, despite the fact that in the interaction of the jet with the cavity there is a self-oscillating process in the first longitudinal mode (process frequency ~ 37 Hz; pressure sensor readings) , is shifted to the high-frequency region of the spectrum of the acoustic signal. In the new scheme, the scheme of a gas-jet resonant emitter, a pronounced maximum of acoustic energy is observed in the first octave (f cp = 31.5 Hz). The readings of the pressure sensors also indicate that processes occur at the same frequency of ~ 37 Hz in the cavities of the resonant and inner tubes. Thus, the conducted research in practice confirms theoretical calculations and substantiation of the functionality of the claimed invention. In practice, in a resonant tube, a process can be excited at a frequency of any overtone of the same if the frequency of the longitudinal mode of the gas-jet emitter coincides with this frequency. In this sense, a jet with an internal tube placed in a resonant tube acts as a self-oscillating energy source.
В основе преимущества использования заявленного устройства в "звуковом" диапазоне очистки основаны на следующих положениях: инфразвуковые генераторы имеют сферическую диаграмму направленности, и звук в связи с этим практически достигает в озвучиваемом объеме все скрытые и удаленные места; у инфразвука доля отраженной звуковой энергии значительно выше при озвучивании внутренних объемов с теплоизолированными стенками; длина звуковой волны при инфразвуке сравнима практически в большинстве случаев с характерными размерами технологических аппаратов.The advantages of using the claimed device in the “sound” cleaning range are based on the following provisions: infrasound generators have a spherical radiation pattern, and the sound therefore almost reaches all hidden and remote places in the voiced volume; in infrasound, the fraction of reflected sound energy is much higher when scoring internal volumes with insulated walls; the sound wavelength for infrasound is comparable in most cases with the characteristic dimensions of technological devices.
Заявленный инфразвуковой газоструйный резонансный излучатель можно с учетом результатов опробования этой конструкции в лабораторных и промышленных условиях использовать как для "звуковой" очистки, так и для интенсификации звуковыми волнами тепломассообменных процессов в газовых средах; а также для акустической коагуляции аэрозолей (в частности, в качестве эффективного средства пожаротушения в замкнутых и полузамкнутых объемах, где в короткий срок необходимо погасить огонь и коагулировать аэрозоли); в качестве психотропного оружия при борьбе с грызунами и мышами в сельском хозяйстве (при звуковом облучении больших площадей) и др.The claimed infrasound gas-jet resonant emitter can be used, taking into account the results of testing this design in laboratory and industrial conditions, both for “sound” cleaning and for intensification of heat and mass transfer processes in gas environments by sound waves; as well as for acoustic coagulation of aerosols (in particular, as an effective fire extinguishing agent in closed and semi-closed volumes, where it is necessary to extinguish the fire and coagulate aerosols in a short time); as a psychotropic weapon in the fight against rodents and mice in agriculture (with sound irradiation of large areas), etc.
Использованная литератураReferences
1. Описание изобретения к авторскому свидетельству (SU) №1568340 А1.1. Description of the invention to the copyright certificate (SU) No. 1568340 A1.
2. Заявка RU №92011173 А.2. Application RU No. 92011173 A.
3. Патент РФ №2175274.3. RF patent No. 2175274.
4. Патент РФ №2181635.4. RF patent No. 2181635.
5. Описание изобретения к авторскому свидетельству (SU) №1587765 А1 (прототип).5. Description of the invention to the copyright certificate (SU) No. 1587765 A1 (prototype).
6. Щелоков Я.М., Аввакумов A.M., Сазыкин Ю.К. Очистка поверхностей нагрева котлов-утилизаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 223 с.6. Schelokov Y.M., Avvakumov A.M., Sazykin Yu.K. Cleaning the heating surfaces of waste heat boilers. - M.: Energoatomizdat, 1987 .-- 223 p.
7. Полубояринов А.К., Цветков А.И.. Экспериментальное исследование продольных мод в течении Гартмана // Прикладная аэродинамика и тепловые процессы. - Новосибирск: Изд-во ИТПМ СО АН СССР, 1980. с.99-112.7. Poluboyarinov AK, Tsvetkov AI. Experimental study of longitudinal modes during the Hartmann // Applied aerodynamics and thermal processes. - Novosibirsk: Publishing House ITPM SB AS USSR, 1980. p. 99-112.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007106957/28A RU2336130C1 (en) | 2007-02-27 | 2007-02-27 | Infrasound gas-jet resonance radiator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007106957/28A RU2336130C1 (en) | 2007-02-27 | 2007-02-27 | Infrasound gas-jet resonance radiator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2336130C1 true RU2336130C1 (en) | 2008-10-20 |
Family
ID=40041167
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007106957/28A RU2336130C1 (en) | 2007-02-27 | 2007-02-27 | Infrasound gas-jet resonance radiator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2336130C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2418123C1 (en) * | 2009-09-11 | 2011-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный лесотехнический университет" | Method to externally dry paper on paper-making cylinder |
| RU2637008C2 (en) * | 2016-02-16 | 2017-11-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский научный центр Российской академии наук | Method and device for jet honeycomb parametrical gun for pressure waves generating and modulating in the injection well hole |
| RU176017U1 (en) * | 2017-03-09 | 2017-12-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Pneumatic sound pulsation generator |
| RU2652641C1 (en) * | 2017-05-17 | 2018-04-28 | Александр Иванович Коткин | Infrasound generator |
| RU2659185C1 (en) * | 2017-03-07 | 2018-06-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Device for dynamic calibration of acoustic pressure pulsation sensors |
| RU2745000C1 (en) * | 2020-08-05 | 2021-03-18 | Александр Иванович Коткин | Infrasound generator and device for generating infrasonic waves |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU140278A1 (en) * | 1960-10-20 | 1960-11-30 | М.Л. Варламов | Gas Jet Sound Generator |
| SU547238A1 (en) * | 1975-12-29 | 1977-02-25 | Предприятие П/Я А-1687 | Variable Frequency Gas Jet Transmitter |
| SU837430A1 (en) * | 1979-05-25 | 1981-06-15 | Одесский Технологический Институтхолодильной Промышленности | Method and apparatus for emitting sound |
| US4359962A (en) * | 1978-07-03 | 1982-11-23 | Mats Olsson Konsult Ab | Low-frequency sound generator |
| SU1568340A1 (en) * | 1988-10-25 | 1996-10-27 | И.Н. Лебедев | Gas-jet acoustic radiator |
-
2007
- 2007-02-27 RU RU2007106957/28A patent/RU2336130C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU140278A1 (en) * | 1960-10-20 | 1960-11-30 | М.Л. Варламов | Gas Jet Sound Generator |
| SU547238A1 (en) * | 1975-12-29 | 1977-02-25 | Предприятие П/Я А-1687 | Variable Frequency Gas Jet Transmitter |
| US4359962A (en) * | 1978-07-03 | 1982-11-23 | Mats Olsson Konsult Ab | Low-frequency sound generator |
| SU837430A1 (en) * | 1979-05-25 | 1981-06-15 | Одесский Технологический Институтхолодильной Промышленности | Method and apparatus for emitting sound |
| SU1568340A1 (en) * | 1988-10-25 | 1996-10-27 | И.Н. Лебедев | Gas-jet acoustic radiator |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| US 50055W А, 09.04.1991. * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2418123C1 (en) * | 2009-09-11 | 2011-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный лесотехнический университет" | Method to externally dry paper on paper-making cylinder |
| RU2637008C2 (en) * | 2016-02-16 | 2017-11-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский научный центр Российской академии наук | Method and device for jet honeycomb parametrical gun for pressure waves generating and modulating in the injection well hole |
| RU2659185C1 (en) * | 2017-03-07 | 2018-06-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Device for dynamic calibration of acoustic pressure pulsation sensors |
| EA033337B1 (en) * | 2017-03-07 | 2019-09-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Device for dynamic calibration of sensors of acoustic pressure pulsations |
| RU176017U1 (en) * | 2017-03-09 | 2017-12-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | Pneumatic sound pulsation generator |
| RU2652641C1 (en) * | 2017-05-17 | 2018-04-28 | Александр Иванович Коткин | Infrasound generator |
| RU2745000C1 (en) * | 2020-08-05 | 2021-03-18 | Александр Иванович Коткин | Infrasound generator and device for generating infrasonic waves |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2336130C1 (en) | Infrasound gas-jet resonance radiator | |
| US9279586B2 (en) | Resonator device for damping the pressure oscillation within a combustion chamber and a method for operating a combustion arrangement | |
| Heitor et al. | Influence of confinement on combustion instabilities of premixed flames stabilized on axisymmetric baffles | |
| SU1584758A3 (en) | Method of combustion of lump solid fuel | |
| Liu et al. | Combustion instability control performance of an improved Helmholtz resonator in the presence of bias flow | |
| CA1237650A (en) | Method and apparatus for activating fluids | |
| Pang et al. | Flow and sound field characteristics of a Hartmann whistle with flow-sound-separation feature | |
| RU64954U1 (en) | SOUND CLEANING MONOPHONE | |
| Balachandran et al. | Characterization of an acoustically self-excited combustor for spray evaporation | |
| Kilicarslan | Frequency evaluation of a gas‐fired pulse combustor | |
| Sivakumar et al. | Experimental investigation of the acoustic field in a bluff-body combustor | |
| Perry et al. | Measurements of wall heat transfer in the presence of large-amplitude combustion-driven oscillations | |
| Khmelev et al. | Study of possibility of ultrasonic coagulation in air flow | |
| RU45848U1 (en) | GAS-DYNAMIC SOUND OSCILLATOR GENERATOR | |
| Schemel et al. | Sound generation in the outlet section of gas turbine combustion chambers | |
| Ramanarayanan et al. | Characterization of an acoustically self-excited combustor for spray evaporation | |
| Pillai et al. | Investigation of Miniaturized Pulse Combustion for Active Flow Control | |
| Li et al. | Experimental study of thermoacoustic instability under different swirl intensities | |
| Li et al. | Experimental study on the agglomeration of fire smoke by flow-sound-separation Hartmann whistle with swirl characteristics | |
| Khmelev et al. | Ultrasonic coagulation of suspended particles in resonant gas gaps | |
| Mauss et al. | A contribution to the study of low-frequency oscillations in fuel-oil boilers | |
| Ghulam et al. | Frequency-Response Study for Acoustics Characterization of Valved-Pulsejet Combustors | |
| Cho et al. | Characteristics of thermoacoustic oscillation in a ducted flame burner | |
| Cuciuc et al. | Valveless Pulsed Detonation Chamber Controlled by Hartmann Oscillators | |
| Chen et al. | Sound emission of ducted premixed flames |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100228 |