1. Рассмотрим  свободную  не вихревую струю, которая   развивается линейно во встречном потоке.

Развитие струи в встречном потоке показано на рис. № 9.17.1.

Рис. № 9.17.1. Развитие струи в встречном потоке.

          В большинстве исследований при распространении струи во встречном потоке основное  внимание уделяется так называемому переднему участку струи от сечения истечения до сечения разворота, и основным изучаемым параметром является расстояние между этими двумя сечениями или „дальнобойность» струи. 

          Способность встречного потока изменять направление, но не крутку  закрученного потока никем не рассматривалось. 

Относительное движение источника струи и окружающего газа (жидкости) в противотоке приводит к образованию струи в встречном потоке. При этом форма внешней поверхности может считаться экраном и играет важную роль в процессе формирования струйного течения.

Рис. № 9.17.2. Схема течения не вихревой струи, вытекающей во встречный поток.

Где: 

1 — область течения газа, выходящего из сопла;

2 — область встречного потока;

3 — область застойного течения;

4 —  «критическая» точка;

В- область вязкого перемешивания.

Известно, что струя без крутки под действием встречного потока разворачивается и изгибается, образуя осесимметричный купол. Обладая определенной упругостью, газодинамический купол в передней его части является препятствием по отношению ко встречному потоку. В результате отрывного обтекания потоком, за этим препятствием, как за плохообтекаемым телом, образуется циркуляционная область с зоной обратных прямых токов в приосевой части.

2. Рассмотрим  свободную  вихревую струю, которая   развивается линейно во встречном потоке.

             При рассмотрении этого вопроса главную роль играют скоростные характеристики   движения источника вихревой струи Wi, аксиальная скорость вихревой струи Wa  и параметр крутки.  

         Из всевозможных значений  отношений Wa / Wi наибольший интерес с практической точки зрения представляет условие, когда Wa / Wi лежит в пределах 1-1,5.  

         Возможно при проведении боле точных измерений этот коэффициент может быть изменён

            Только в  этом диапазоне формируется обратный вихревой поток (противоток) за источником вихревой струи такого же направления крутки. Наблюдаются интересные термодинамические процессы, о которых будет сообщено ниже.

В этом случае вихревая струя под действием встречного потока разворачивается образуя уже вихревой осесимметричный купол. Обладая определенной упругостью, вихревой газодинамический купол в передней его части также является препятствием по отношению ко встречному потоку, только уже подвижным. В результате уже не отрывного обтекания потоком, за этим препятствием  образуется  вихревая зона обратных токов в приосевой части.

         После всего сказанного рассмотрим движение источника вихревого потока в неподвижной среде в направлении противотока вихревому потоку. Проведём эксперимент по распространению закрученного воздушного потока, движущегося в направлении противотока  в не подвижной воде.

         Цель – проверить возможность  изменения направления  вихревого потока от сопла  по так называемому осесимметричному куполу без изменения направления крутки. 

         Условия эксперимента:

         В не подвижной воде равномерно и прямолинейно перемещается трубка с соплом с ленточным завихрителем (угол установки 45 градусов, крутка правая, если смотреть со стороны сопла.)  вперёд со скоростью  Wi примерно 1 м/с.   Диаметр сопла — 0.5 мм. В завихрителе сформирован   установившийся вихревой воздушный  поток с аксиальной скоростью  из сопла  Wа примерно 0,5 м/с.

Рис. № 9.17.3. Формирование воздушных колец в противотоке жидкости.

         На рис. № 9.17.3. отчётливо видны сформированные воздушные кольца. Воздушные кольца вращаются вокруг центральной трубки в правую сторону, если смотреть со стороны сопла. Образование колец происходит по аналогии с демонстрационными дымовыми кольцами Вуда, за одним исключением – кольца Вуда не  вращаются вокруг центральной оси.  Интенсивность вращения воздушных вихревых колец вокруг трубки уменьшается по мере удаления от сопла со ленточным завихрителем.

Изменим условия эксперимента:

Условия эксперимента:

Увеличиваем скорость воздушного вихревого потока  из сопла Wa примерно до 1 м/с – меняется картинка образования воздушных вихревых колец в воде. 

Рис. № 9.17.4. Слияние воздушных колец в противотоке жидкости.

 На рис. № 9.17.4. воздушные вихревые кольца начинают сливаться  в один общий спиральный вихревой поток по всей длине вокруг источника  (трубки) с общей круткой потока по спирали в правую сторону, если смотреть со стороны сопла. 

Изменим условия эксперимента.

          В выше указанных экспериментах рассматривалось распространение одной среды в другой (распространение воздушной среды в жидкостной). 

          Посмотрим, возможно ли образование обратного вихревого потока при распространении в одной среде, в данном случае в воде.

Условия эксперимента:

В не подвижной воде равномерно и прямолинейно перемещается трубка с соплом с ленточным завихрителем (угог установки 45 градусов, крутка правая, если смотреть со стороны сопла.)  вперёд со скоростью  Wi примерно 1 м/с. 

Сопло диаметром 0.5 мм.  В завихрителе сформирован   установившийся вихревой жидкостный поток с аксиальной скоростью из сопла Wa примерно 0.5 м/с,  окрашенный белой краской.

Формирование спирального вихревого потока жидкости противотоком

         Благодаря тому, что вода имеет большую плотность, по отношению к воздуху поэтому на рис. видим отчётливое развитие обратного спирально закрученного потока из 3-х витков, сформированного так называемым встречным потоком.

         Таким образом подтверждается указанная выше возможность изменения направления вихревого потока встречным потоком без изменения направления вращения с практической точки зрения  при условии, когда Wa / Wi лежит в пределах 1-1,5.  

3. Рассмотрим  свободную  вихревую струю, которая   развивается орбитально во встречном потоке.

             Как уже было сказано Выше — при рассмотрении этого вопроса главную роль играют скоростные характеристики   движения источника вихревой струи Wi, аксиальная скорость вихревой струи Wa  и параметр крутки.  

          Как уже было подтверждено выше — только в  этом диапазоне формируется обратный вихревой поток (противоток) за источником вихревой струи такого же направления крутки. 

Все эксперименты будем проводить с принудительным вращением Sобразной трубки (блока) вокруг его центральной части в воздухе и постоянном истечении воздуха с формированием закрученных потоков с торцов S-трубки (блока). 

Для этого возьмём S-образную трубку с установленными двумя ленточными завихрителями с обоих концов S-трубки (угол установки 45 градусов, крутка левая, если смотреть со стороны торца/против часовой стрелки), см. рис. № 9.17.5.

   Вращение S — трубки по часовой стрелки, если смотреть снизу-вверх. Диаметры S-блоков для экспериментов — 0.3 м и 0.5 м. Внутренние диаметры S труб — 0,004 и 0.007 м соответственно.

Рис. № 9.17.5. Внешний вид S-блока.

Эксперимент по 1-му процессу, когда противоток формирует вокруг себя обратный спиральный вихревой поток, который увлекает за собой (дополнительно закручивает) ближайшие стационарные слои воздуха.  

             Визуализируем  обратный вихревой поток дымом, см. рис. № 7.7.   Диаметр S-блока — 0,4 м. Внутренний диаметр трубки 0.004м. Частота вращения 500 об/мин. 

Рис. № 9.17.6. Визуализация обратного вихревого кольца (тороида) противотоком.

На рис. № 9.17.6. отчётливо визуализируется сформированный противотоком обратный вихревой поток.

Эксперимент по 2-му процессу — по центру вращающегося S-блока образуется зона разряжения с одной стороны и отсутствует зона с избыточным давлением с другой стороны.

Использован компрессор с ресивером 22 литра  с расходом воздуха 130 л/мин. S-блок диаметром 0.3м. Внутренний диаметр S- трубки — 0,007 м. Аксиальная средняя скорость двух вихревых потоков  с учётом потерь давления на ротационном соединении  —  22 м/сек. Линейная скорость  вращения S-блока диаметром 0,3 м  при 1000 об/мин – 15,7 м/сек. Угол установки ленточных завихрителей 45 градусов, крутка правая, если смотреть со стороны торца.   Вращение S — трубки против часовой стрелки, если смотреть снизу-вверх.

Рис. № 9.17.7. Образование  зоны разряжения с одной стороны вращающегося S-блока.

На рис. № 9.17.7 фиксируется образование  зоны разряжения с одной стороны вращающегося S-блока.  

Рис. № 9.17.8. Визуализация вихревого тороида.

На рис. № 9.17.8. показано формирование вихревого тороида (вихревого кольца).

  Эксперимент по 3-5 процессах, когда пропорционально радиусу  и высоте изменяется температура, давление и скорость внутри и снаружи вращающегося S-блока .

           Температура истекающего воздушного потока из  завихрителей S-блока в неподвижном состоянии — 21 градус. В рабочем режиме при установившемся противотоке по радиусу завихрителей S-блока зафиксировано понижение температуры на один градус до 20 градусов с образованием температурных так называемых воронок вокруг движущихся завихрителей с максимальной температурой 23 градуса. 

Зафиксировано охлаждение центральной части вихревого противопотока (по диаметру S-блока ) на -1 градус и нагрев по кольцевому сечению тороидальной вихревой структуры на +2 градуса.

 Здесь  главную роль играют скоростные характеристики   движения источника вихревой струи Wi, аксиальная скорость вихревой струи Wa  и параметр крутки.  Как было сказано выше из всевозможных значений  отношений Wa / Wi наибольший интерес с практической точки зрения представляет условие, когда Wa / Wi лежит в пределах 1-1,5.  

         В экспериментах был использован компрессор с относительно малым  расходом воздуха 130 л/мин. Аксиальная средняя скорость двух вихревых потоков  с учётом потерь давления на ротационном соединении  —  22 м/сек. Линейная скорость  вращения S-блока диаметром 0,3 м  при 1000 об/мин – 15,7 м/сек. Угол установки ленточных завихрителей 45 градусов, крутка правая, если смотреть со стороны торца.   Вращение S — трубки против часовой стрелки, если смотреть снизу-вверх.  

         Можно приблизительно оценить характеристики всех 6-ти термодинамических процессов на основании того, что они зависят ориентировочно от квадрата расхода воздуха. 

         Т.к. все выше поименованные  эксперименты проводились с источником сжатого воздуха с относительно малым расходом в 130 л/мин  и при этом позволили зафиксировать почти все выше поименованные эффекты, то при практическом использовании  все термодинамические характеристики увеличиваются в десятки раз.

         Изменяя каким либо способом отношение расхода воздуха и скорость вращения в указанном выше диапазоне  и/или другие параметры так называемого S-блока или использовать более сложный процесс вращения нескольких S-блоков в нескольких плоскостях —  можно все выше перечисленные  термодинамические процессы использовать для определённых всем известных технических целей, т.к. все выше поименованные 6 термодинамических процессов однородны с процессами,  происходящими в природных структурах типа смерча, а также однородны с процессами, происходящими в трубке Ранка,  только  не в замкнутом пространстве трубки, а в открытом пространстве без использования разделительного конуса, диафрагмы, трубки и других статических элементов классической трубки Ранка. 

ВЫВОД

Наблюдаются интересные термодинамические процессы:

1. Противоток формирует вокруг себя обратный спиральный вихревой поток, который увлекает за собой (дополнительно закручивает) ближайшие стационарные слои воздуха. Формируются, т.е. одновременно существуют  и двигаются навстречу друг другу два вихревых потока одного направления крутки по типу, как если бы мы так называемый хобот природного вихря замкнули в кольцо.

2. По центру вращающегося S-блока образуется зона разряжения с одной стороны и отсутствует зона с избыточным давлением с другой стороны.

3. Происходит терморазделение двух вихревых противотоков на внешний с  повышенной температурой и внутренний — с пониженной температурой по типу процессов, происходящих в классической трубке Ранка .

4. Пропорционально радиусу  и высоте изменяется температура внутри и снаружи вращающегося S-блока по типу процессов, происходящих в природных вихревых структурах по типу смерча.

5. Если пропорционально радиусу  и высоте изменяется  температура внутри и снаружи вращающегося S-блока , следовательно также пропорционально радиусу  и высоте меняется давление и скоростные характеристики потоков.

6. Не подтверждённый опытом, но который обязательно должен присутствовать в такой структуре — само разгон S-блока. т.е. потребляемая мощность на вращение S-блока с установившимся противотоком должна быть меньше мощности на вращение S-блока без противотока. (Подтвердить не смог, т.к. измерение потребляемого тока по одной фазе на привод электродвигателя станка с работающим компрессором на другой фазе и отключенным компрессором не выявили изменений. Скорее всего  точности прибора в одну десятую ампера не достаточно для этих целей.)