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1、人造龙卷风形成机理3张 景 松( 中国矿业大学)摘要在自然龙卷风的启发下, 提出了人造龙卷风控制抽吸的设想, 分析了人造龙卷风的生成机理, 进行了大量的定性观察和定量测量, 结果表明, 生成龙卷风的必要条件是: 有诱 导旋流; 在流场中能形成一个称为旋涡生成区的流动区域 1 龙卷风的生成与射抽流量比有关,最佳流量比范围为 Q= 013 0165, 当 Q 115 时均不能生成龙卷风 1关键词人造龙卷风机理控制抽吸旋涡中图分类号P 445 X 51为净化工作环境和生活环境, 在很多场合要求对有害物 (粉尘或有害气体) 进行处理 1 到目前为止,生产实际中普遍采用的方法仍是用风机将有害物抽吸, 然
2、后再集中处理 1 就对有害物 (如粉尘) 的处理而言, 当前的技术已相当成熟, 净化设备的效率可达 99% 以上 1 但是, 因在对有害物控制捕捉的理论和方法上没有取得突破性进展, 工程中不得不沿用传统的抽吸方法 1 普通吸口 ( 甚至是加装抽吸罩的吸口) 对有害物的抽吸捕捉能力很弱, 有效抽吸距离也很小 (仅为吸口直径的 2 倍左右) , 从而使得相当比例的有害物不能及时被吸口抽吸而在空气中自由扩散, 导致整个净化系统的综合效率并不高 1自然界中的龙卷风具有十分强劲的抽吸能力 1 若能通过人工方法产生一个类似于龙卷风的抽吸流场, 无疑会大大提高吸口的抽吸能力和抽吸距离, 同时也能防止有害物的
3、扩散 1 本文在文献 1的基础上, 分析了旋转射流屏蔽控制抽吸机理, 并进行了更加深入的试验研究, 从理论和实践上初步探清了龙卷风的形成和旋转机理及其主要的影响因素, 并成功地诱导出可控的人造龙卷风 1龙卷风形成机理1从现象上看, 龙卷风能将地面上的尘埃乃至相当大的物体吸至中心, 然后又抛向空中数米甚至数百米1 随着旋风强度的增大, 它可将树木连根拔起或将房屋掀翻2 1 虽然地面龙卷风的形成特别是它的旋转机理还有待进一步探索, 但人们已认识到上升气流和水平剪切力是龙卷风形成的两个必要条件, 特别是需要强劲的上升气流3 1 当龙卷风开始消失时, 它便由双单元涡变成纵长涡 1 也即, 强度稍弱的龙
4、卷风是纵长涡结构 1 从流场特性上看, 纵长涡接近于三维点涡 1 在三维点涡的底部, 流动接近于二维点涡 1在理想情况下, 二维自由涡的速度分布为 u = # /2r, 其中, # 为速度环量 1 当半径 r0 时, 旋转速度u , 即旋涡中心为速度奇点 1 在实际流动中, 流场中任何一点的速度不可能趋于无穷大 1 所以实际的点涡是由两部分组成的: 当 r r0 ( r0 为固体涡与自由涡的分界半径) 时为自由涡; 当 rr0 时为固体涡 1 固体涡中流体的旋转速度为 u = # r/2r2 1 在理想情况下, 二维点涡的速度分布如图 1 所示 10进一步分析推导, 可得自由涡内和固体涡内的压
5、力分布分别为p = p - u 2 /2,自由涡内(1)收稿日期: 19962012203 煤炭科学基金资助项目 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. p = p + u 2 /2 -u 2 ,固体涡内(2)0式中, p 为 r时的压力; u 0 为 r= r0 时的旋转速度; 为空气的密度 1将 r= 0, u = 0 代入式 (2) , 可得点涡中心的压力 p c 为p c = p - u 2 1(3)0由式 (2) 和式 (3) 可知, 点涡中心的压力比外部压力
6、低 u 2 1 随半径 r 的增加, 压力单调升高 1 观测表0明, 龙卷风内的压力分布也类似于这种规律4 1 试验表明, 旋转射流屏蔽作用下的抽吸流场也具有中部压3 1力较低和提高抽吸能力的作用1 ,111诱旋机理根据汤姆森定理: 无旋的理想流体在流动过程中永远不会产生旋转 1 这是因为理想流体中不存在切向应力, 不能传递旋转运动 1 但实际流体是有粘性的, 因而, 可以通过粘性切应力或湍流切应力来传递旋 转运动 1 为了产生一种特定的旋转运动, 必须有一个可控的诱导旋流 1 这是人造旋风得以生成的先决条 件 1112 自由涡生成机理从物理角度分析, 龙卷风中部的上升气流在自下而上的流动过程
7、中, 旋风的底部必须得到流体的补充 以维持流动的连续性, 如图 2 所示 1 因而可以断定, 旋风底部的外围, 若忽略相对较小的轴向速度, 其流动 规律就类似于二维点涡 1图 1 二维点涡速度分布F ig11 D ist r ibu t io n o f 2D po in t vo r tex图 2 三维点涡F ig12 D ist r ibu t io n o f 3D po in t vo r tex由以上分析可以推知, 在人造旋风起始端的一定范围内 (如图 2 中的区域 A ) , 流动规律应类似于自由涡与固体涡的叠加 1 在这一区域中, 流体从四周向内汇集, 同时旋转速度不断增加, 这
8、一区域可称为旋涡 生成区 1 为使旋涡能够生成, 就需要控制诱旋流体的喷射方向、旋转强度和射程, 使得流体开始全部向内 汇集时, 喷射流体的旋转运动依然存在并对所生成旋涡的强度起到控制作用 1根据以上的分析, 人造龙卷风的旋涡生成区应具有以下 2 个特征: 断面上的径向速度 u r 0, 即流体 具有全部向内汇集的趋势; 诱旋流体的旋转速度 u 0, 即诱旋流体本身是旋转的 12试验观测及结果分析为验证上述机理分析, 设计了图 3 所示的试验装置 1 该装置由抽吸风机 1、光圈阀 2、孔板流量计 3、压送风机 4、旋流发生器 5、有机玻璃巷道 6 和发烟口 7 组成 1 其中吸口直径 D 1
9、= 134 mm , 吸口至发烟口的距离为 1 400 mm 1 另外还包括定量测量的有关仪器装置, 如集流器; 三、五孔探针和水柱计等 1 为第 4 期张景松: 人造龙卷风形成机理405清晰显示轴线上和横截面上的速度方向, 还在这些地方拴了白线 1 另外, 发烟口是一个四周开有许多小孔的圆筒, 烟雾可从四周均匀喷出 1定性的观测发现, 当喷射周角 (喷射速度与半径方向的夹角) 20时, 很难形成稳定的旋风 1 当其它条件一定,以及 = 30 50时, 对喷口倾角 =80, 70, 60和 45的各种情况均做了试验 1 结果发现, 当 60时, 旋风也难生成图 3 试验装置F ig13 T e
10、 st r ig1= 70和 80时, 旋风生成仅与喷射流量Q s 与抽吸流量Q x的比值 Q (= Q s /Q x ) 有关 1(1) 当 Q 013 时, 不能形成旋涡或所形成的旋涡强度很弱, 而且很不稳定, 时有时无 1 这一结果与前面的机理分析基本相符 1 这是因为此时诱旋流体的强度很弱, 速度也很低 1 当它刚喷出喷口时, 在相对强劲的抽吸作用下, 风幕被向内压缩并卷入吸口, 不能完整地形成机理中所述的旋涡生成区 1 主要表现为当L (参见图 3) 大于某一数值量, 虽有 u r 017 时, 在开始阶段旋涡的强度有所增加, 但同时也开始发生波动 1 此时还发现少量空气从周边近壁处
11、流出 1 当 Q= 110 115 时, 旋涡已变得很弱, 旋转速度大大降低 1 若受到干扰, 旋涡会消失且再也不能生成 1 当Q 115 时,流出 1不能形成旋涡, 从发烟口喷出的烟雾被射流吹散, 近壁处有大量流体通过对视踪观察和测试结果的分析, 发现不能形成旋涡的直接原因是在强劲的射流卷吸作用下, 吸口附近的大部分流体又被射流卷出, 使得射流区的径向范围和轴向距离增大, 造成机理中所述的旋涡生成区变小或消失 13结论(1) 通过人工方法可诱导出稳定的龙卷风 1 生成龙卷风的必要条件: 有诱导旋流; 在流场中能形成一个称为旋涡生成区的流动区域 1 该区域的特征是, 流体具有全部向内汇集的流动
12、趋势, 即 u r 0;诱旋射流的旋转运动不能消失 1( 2)喷口倾角 = 70 80、喷口宽度 b0 = 4 10 mm 、周向角 = 30 50时,龙卷风的生成只与射抽 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 流量比有关 1 最佳流量比的范围是 Q= 013 01651 在此范围内, Q 随 b0 的增加和 的减小而增大 1Q 115 时,均不能形成龙卷风 1(3) 人造龙卷风与自然龙卷风具有类似的结构, 均由自由涡和固体涡组成, 具有三维点涡的特征, 由外至内,
13、压力逐渐降低 1(4) 在人造龙卷风流场中, 中部的流体不能向外扩散, 因而能有效地防止粉尘或有害气体扩散, 同 时也可使抽吸距离大大高于普通吸口 1参考文献张景松, 何学秋 1 旋转射流屏蔽控制抽吸试验研究 1 见: 全国煤炭青年科技工作者会议论文集, 北京: 煤炭工业出版社, 19941204 208123S inc la ir P C 1T h e low e r st ruc tu re o f du st dev ils1J A tm o s Sc i,1974, (30) : 1 599 1 619Go lden J H , P u rce l D 1L ife cyc le o
14、f th e un io n c ity1O k lahom a to rnado and com p a r iso n w ith w a te r spo u t s1M o n W ea R ev,1978, (106) : 3 114D av ie s Jo ne s R P , Ke ssle r E. T o rnado e s, w ea th e r and c limm a te m o d if ica t io n s. l. 559:Jo h n W iley and So n s, 1974.552作者简介张景松, 男, 39 岁, 博士, 副教授 11985 年毕
15、业于东 北 大 学 , 获 硕 士 学 位 11995 年毕业于中国矿业大学, 获博士学位 1 现从事流体力学与流体机械以及通风除尘的教学和科研工作 1 发表过 “子午加速轴流风机叶轮损失沿径向分布的研 究”、“自由射流速度分布的研究”和“旋转射流屏蔽控制抽吸试验研究”等论文近 20 篇 1 江苏省徐州市中国矿业大学矿机系 1 邮政编码: 2210081M ECHA N ISM FO R GENERA T IO N O F A RT IF IC IAL TO RNADOZh an g J in g so n g(C h ina U n iv ersity of M in ing and T e
16、ch nology )A bstra c tIn th e ligh t o f n a tu ra l to rn ado an a ssum p t io n is m ade to gen e ra te a r t if ic ia l to rn ado to co n2t ro l su c t io n. T h e m ech an ism fo r gen e ra t in g an a r t if ic ia l to rn ado is stu d ied. Q u a lita t ive o b se rva t io n an d qu an t ita t i
17、ve m ea su rem en t a re m ade.T h e te st da ta show th a t th e n ece ssa ry co n d it io n s fo r p ro du c in g ato rn ado a re: an in du c in g cyc le; a f low in g zo n e fo r fo rm in g a vo r tex. T h e fo rm a t io n o f to rn ado isre la ted to in jec t io n f low ra te. T h e op t im a l f low ra te is in th e ran ge o f Q= 013 0165. W h en Q 115 to rn ado can no t b e gen e ra ted.Keyword s a r t if ic ia l to rn ado , m ech an ism , co n t ro lled su c t io n , vo r tex
