Гидродинамика конвективных и вращательных движений в условиях лучистого нагрева

• Автор: Соловьев, Александр Алексеевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 300 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 Роль гидродинамической неустойчивости и нелинейных взаимодействий при энергообмене в конвективных и вращающихся потоках
1.1. Проблема преобразования солнечной энергии атмосферными течениями
1.2. Гидродинамическая энергетика природных и искусственных вихрей
1.3. Общие свойства вращающихся течений со сдвигом скорости
1.4. Особенность гидродинамических движений при фотосинтезе водных объектов
1.5. Методология физическое моделирования конвективных и вращательных потоков в условиях лучистого нагрева
ГЛАВА 2 Экспериментальные установки и измерительные системы
2.1. Модели конвективных и вращательных движений жидкостей и
газов
2.2. Генераторы вихрей и условия экспериментов
2.3. Характеристика измерительных средств
2.4. Особенности методики модельных исследований конвективных и закрученных около вертикальной оси потоков
2.5. Параметры подобия конвективно-вихревых преобразователей энергии
ГЛАВА 3 Процессы турбулентного переноса импульса и энергии в закрученных потоках с вынужденной и свободной конвекцией
3.1. Структура вынужденных вихрей со сдвигом скорости
3.2. Энергия и импульс вихрей с вынужденной конвекцией

3.3. Структурная перестройка свободно-конвективных вихревых течений с горизонтальной температурной инверсией пограничного слоя.
3.4. Перенос энергии и импульса в свободно-конвективных вихрях
3.5. Критериальные соотношения для конвективно-вихревого преобразования энергии
ГЛАВА 4 Лабораторное моделирование нелинейных режимов формирования вихревых и волновых структур во вращающихся потоках с приземным сдвигом скорости
4.1. Преобразование энергии при дифференциальном циклоническом вращении без конвекции
4.2. Генерация вихревых структур антициклоническим сдвиговым вращением
4.3. Механизмы переноса энергии в дифференциально вращающейся жидкости
4.4. Самоорганизация вращательных движений
4.5. Резонанс и экранировка спиральных волновых возмущений
ГЛАВА 5 Гидродинамические преобразователи солнечной энергии
5.1. Волновые движения в морских плавучих энергосистемах
5.2. Теоретические оценки конвективно-вихревых преобразователей энергии лучистого нагрева
5.3. Интенсификация процессов вихревого преобразования тепловой энергии
5.4. Экспериментальные исследования конвективно закрученных течений, генерируемых лучистой энергией
5.5. Энергетика тропического циклогенеза
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность фундаментальных исследований гидродинамических движений, обусловленных нагревом среды инфракрасной составляющей электромагнитного излучения, определяется широким использованием явлений переноса вещества, импульса и энергии конвективными и вращающимися течениями в технологических процессах нефтяной, газовой промышленности, энергетики и других отраслях техники. Технологические процессы, которые происходят в энергоносителях, сопровождаются электромагнитным, тепловым, химическим, диффузионным воздействием на гидродинамические движения в потоках различного типа при турбулентных режимах течения сред, находящихся в разных агрегатных и фазовых состояниях. Основная проблема, которая возникает при оптимизации процессов переноса конвективными и вращательными движениями, развивающимися в условиях внешних энергетических воздействий, обусловлена необходимостью решения задачи управления интенсивностью течений [Губайдуллин, 1998].Для этого требуется знание механизмов, которые определяют взаимодействие гидродинамических движений различного масштаба между собой и их взаимосвязь с молекулярными движениями, особенно при неравновесности и неустойчивости течений. Использование потоков энергии лучистого излучения, инициирующих гидродинамические течения, существенно расширяет технологические возможности гидродинамики энергетических процессов, совмещенных с теплообменными и инсоляционными явлениями. Аккумуляция и преобразование энергии лучистого излучения гидродинамическими потоками в форму, пригодную для утилизации, связаны с созданием высокоинтенсивных режимов течения, которые находят широкое применение в большом числе прикладных задач механики жидкости и газа [Нигматулин, 1987; Teleyarkhan, West, Cho,Lahey,Nigmatulin,Block,2002].
Классический подход к решению задачи интенсификации потоков, возбуждаемых лучистым нагревом среды, предусматривает рассмотрение динамических
Другим примером солнечной аэродинамической электростанции является установка, предложенная Рексом и Альтшулером (см. [Соловьев,2002]). Она представляет собой две соединенные параллельные трубы, заполненные водовоздушной смесью. В одной из труб размещается ветровая турбина с электрогенератором. Снизу в одну из труб из резервуара-нагревателя впрыскивается тепловая вода, а сверху во вторую трубу инжектируется холодная вода из другого резервуара — холодильника. Проектируемый КПД установки по расчетам не должен превышать 0,5 %.Из-за экономических соображений этот проект не был реализован.
Предложено несколько вариантов вихревых энергетических установок, преобразующих солнечную и ветровую энергию [Соловьев, Солодухин, 1989; Кикнад-зе,1986; Рогшшег,1977; Кушин,1993; Лысов,1991; Серебряков, 2000]. Так электростанция с искусственной генерацией вращающегося течения, созданная Поммиером [Ропишег,1977], представляла собой вертикально расположенную трубу, запаянную с обеих сторон. В трубе возникал центральный, вращающийся поток восходящего теплого течения и периферийный - нисходящего, холодного. Формирование раздельно вращающихся теплых и холодных потоков происходило за счет действия центробежных сил, которые создавали разрежение вблизи оси. Максимальный КПД подобной установки не превышал 1%.
В торнадоветряных преобразователях энергии формирование смерчевых потоков воздуха осуществлялось путем вращения высотного ветрового колеса наверху закрытой башни, инициирующего закручивание воздуха внутри башни [Кикнадзе, 1986]. В сформировавшемся смерчевом потоке разреженное давление на оси башни создавало горизонтальный перепад давления в нижней части, который приводил к всасыванию потока наружного воздуха через открытые щели в нижней части боковой поверхности. Вовлекаемые воздушные массы вместе с смерчеподобным вихрем от ветра вращали лопасти турбины.
В гравитационно-тепловой электростанции, предложенной Кушиным [1993], вихрь возбуждался форсунками, создающими восходящие потоки паро-водной смеси. В качестве первичного источника энергии используется энергия нагретых солн-