Рассмотрим силы, действующие в вращающемся потоке на микрочастицы в зависимости от скорости вращения.
Для ясного понимания основ работы примем для начала за основу следующее допущение: завихритель водяного потока представляет собой полую вертикальную трубу, заполненную водой с вращающимся дном (механическим завихрителем), как показано на рисунке № 10.3.1.
Рис. № 10.3.1. Завихритель водяного потока
Упрощённая модель завихрителя.
Для целей приближённых расчётов центробежных сил, действующих на единицу микрочастицы (микроорганизма) принимаем средний вес одной микрочастицы (бактерии) – кг., (Усреднённый размер бактерий имеет имеет массу 5х10-13 грамма.), радиус завихрителя – 0,035 метра.
Рассчитаем силы, действующие на такую микрочастицу (микроорганизм) в вихревом водяном потоке радиусом 0,035 мм.
Где:
F- Сила, действующая на частицу (бактерию), Ньютон
m- масса частицы (бактерии), Килограмм
D- диаметр завихрителя, Метр
R – радиус завихрителя, Метр.
π – безразмерная величина, 3.14
f-частота вращения завихрителя, оборот/секунда.
Результаты расчёта сил, действующих на частицу в завихрителе сведены в следующую таблицу № 10.3.2.
Таблица № 10.3.2
| № | Частота вращения завихрителя, оборот/секунда | Сила, действующая на частицу (бактерию), Ньютон | Сила, действующая на частицу (бактерию), Кг. силы | Отношение силы, действующей на частицу к весу частицы. |
| 1 | 1 | 6,9*10-16 | 0,7*10-16 | 0,14 |
| 2 | 100 | 690*10-16 | 70*10-16 | 14 |
| 3 | 1000 | 69000*10-16 | 7000*10-16 | 1400 |
| 4 | 10000 | 6900000*10-16 | 700000*10-16 | 140000 |
| 5 | 100000 | 690000000*10-16 | 70000000*10-16 | 14000000 |
Анализ результатов расчётов, приведённый в таблице позволяет сделать следующие выводы:
- Исходя из упрощённой модели завихрителя скорость вращения водяного вихревого потока благодаря силам трения (вязкость воды) всегда меньше частоты вращения механического завихрителя и имеет предельное значение — до 100 оборотов в секунду.
- В таких завихрителях мы можем рассматривать предельные отношения силы, действующей на частицу к весу частицы – не более 14 (перегрузка), т.е. четырнадцатикратное превышение веса любой микрочастицы в вихревом потоке по отношению к весу такой же частицы при стационарных условиях.
- Не тренированный человек может безболезненно перенести перегрузки — не более 6. Лётчики истребительной авиации переносят перегрузки – не более 14.
- Для сепарации твёрдых микрочастиц в воде таких частот вращения механического завихрителя вполне достаточно.
- Для разделения (фильтрации) микрочастиц уровня микроорганизмов таких частот вращения механического завихрителя явно не достаточно.
- Для создания более эффективных механических центробежных фильтров выход один – повышать скорость вращения водяного вихревого потока. Но из-за особенностей физических свойств воды такое повышение не безгранично и ограничено 100 оборотами в секунду.
ВЫВОД
Для обхода ограничений предлагается использовать волновое движение среды, которое может быть практически реализовано со скоростями на порядки большими, чем ограничения, накладываемые физическими свойствами воды.