Устройство для создания ламинарных течений с низким уровнем начальной турбулентности

Предлагаемое устройство относится к технологии создания сверхчистых помещений, в полупроводниковой промышленности и медицине, к разработке эффективных кондиционеров и к областям аэрогидродинамики, в которых возникает необходимость создания ламинарных струйных течений с формируемым профилем скорости. Заявленное устройство направлено на уменьшение интенсивных процессов турбулентного перемешивания. Указанный результат достигается тем, что, ресивер с относительно охлажденной средой расположен на входе вертикального канала в конце которого установлен набор мелкоячеистых сеток, имеющих переменное по сечению канала гидравлическое сопротивление, обеспеченное подбором размеров и количества ячеек сетки и прикреплением к узлам сетки нитей, вытянутых вдоль потока, длина которых обратно пропорциональна локальной скорости формируемого ламинарного течения, а на расстоянии порядка 10 диаметров выходного отверстия от выхода из канала вниз по потоку установлен засасывающий сформированную струю цилиндрический канал с насадком из ряда мелкоячеистых сеток, формирующих распределение засасывающего давления на входе в канал, окруженный соосно большим цилиндрическим каналом со своим насадком из ряда мелкоячеистых сеток, в который независимо от центрального канала засасывается спутный поток, возникающий вокруг сформированной ламинарной струи.

Устройство относится к области аэродинамики и ко многим отраслям народного хозяйства, в которых возникает необходимость создания воздушных ламинарных завес и минимальными свойствами перемешивания с окружающей средой. Это могут быть чистые рабочие места (чистой зоны), которые крайне необходимы в медицине, микроэлектронике, производстве лекарственных препаратов и др. Стандартное решение такой задачи - это организация «чистой комнаты», что является дорогостоящим мероприятием и в зависимости от класса чистоты составляет от 400 $/кв.м. Одним из способов уменьшения затрат - это создание локальных чистых зон с определенным классом чистоты воздушной среды. Как правило, чистая зона-это изолированное пространство в виде бокса [1].

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство, формирующее профиль скорости турбулентного пограничного слоя в аэродинамических трубах с помощью мелкоячеистых сеток [2].

Его недостатком являются сложность воссоздания необходимого для пограничного слоя уровня и масштабов пульсаций и наличие при этом интенсивных процессов турбулентного перемешивания.

Создание ламинарных воздушных завес с отсутствием перемешивания с окружающей средой непростая задача, поскольку резкое изменение скорости у границы завесы приводят к смешению с внешними массами.

Заявленное устройство направлено на уменьшение интенсивных процессов турбулентного перемешивания.

Указанный результат достигается тем, что ресивер с относительно охлажденной средой расположен на входе вертикального канала в конце которого установлен набор мелкоячеистых сеток, имеющих переменное по сечению канала гидравлическое сопротивление, обеспеченное подбором размеров и количества ячеек сетки и прикреплением к узлам сетки нитей, вытянутых

вдоль потока, длина которых обратно пропорциональна локальной скорости формируемого ламинарного течения, а на расстоянии порядка 10 диаметров выходного отверстия от выхода из канала вниз по потоку установлен засасывающий сформированную струю цилиндрический канал с насадком из ряда мелкоячеистых сеток, формирующих распределение засасывающего давления на входе в канал, окруженный соосно большим цилиндрическим каналом со своим насадком из ряда мелкоячеистых сеток, в который независимо от центрального канала засасывается спутный поток, возникающий вокруг сформированной ламинарной струи.

Отличительными признаками заявленного устройства является:

- расположение ресивера с относительно охлажденной средой на входе вертикального канала;

- установление на выходе из канала набора мелкоячеистых сеток с переменным, по сечению канала гидравлическим сопротивлением за счет подбора размеров и количества ячеек сетки;

- прикрепление к узлам сетки нитей, вытянутых вдоль потока, длина которых обратно пропорциональна локальной скорости формируемого ламинарного течения;

- установление на расстоянии порядка 10 диаметров выходного отверстия от выхода из канала вниз по потоку засасывающего сформированную ламинарную струю цилиндрического канала с насадком из ряда мелкоячеистых сеток, формирующих распределение засасывающего давления на входе в канал, окруженного соосно большим цилиндрическим каналом со своим насадком из ряда мелкоячеистых сеток, в который независимо от центрального канала засасывается спутный поток, возникающий вокруг сформированной ламинарной струи.

Расположение ресивера с относительно охлажденной средой на входе вертикального канала приводит к ускорению струйного течения и способствует его ламиниризации. Установление на выходе из канала набора мелко-ячеистых

сеток с переменным по сечению канала гидравлическим сопротивлением за счет подбора размеров и количества ячеек сетки позволяет сформировать нужный ламинарный профиль скорости и существенно понизить уровень начальных возмущений в набегающем потоке.

Прикрепление к узлам сетки нитей, вытянутых вдоль потока, длина которых обратно пропорциональны локальной скорости формируемого ламинарного течения, также способствует ламиниризации течения и уменьшения процессов перемешивания.

Установление на расстоянии порядка 10 диаметров выходного отверстия от выхода из канала вниз по потоку засасывающего сформированную струю цилиндрического канала с насадком из ряда мелкоячеистых сеток, формирующих распределение засасывающего давления на входе в канал, окруженного соосно большим цилиндрическим каналом со своим насадком из ряда мелкоячеистых сеток, в который независимо от центрального канала засасывается спутный поток, возникающий вокруг сформированной ламинарной струи, позволяет формировать ламинарное течение с минимальными процессами перемешивания и повторно использовать уже очищенные от примесей потоки. Причем, использование двух независимых засасывающих каналов позволяет отделить струю чистого воздуха от загрязненного спутного потока и дополнительно формировать профили скорости потоков вдали от выходного отверстия выходного канала.

Сущность устройства поясняется чертежом, представленным на фиг.1 и фото фиг.2-4, а также нижеследующим описанием.

На фиг.1 представлена схема устройства.

Ресивер обозначен цифрой 1, цифрой 2 обозначен набор сеток на выходе из канала, цифрой 3 - нити, прикрепленные в узлах сетки, цифрой 4 обозначены отсасывающие каналы.

Пример.

Проверка достижения заявленного технического результата осуществлялась опытным путем с фоторегистрацией. На фиг.2 представлено обычное

струйное течение (без сеток и без отсасывающего устройства) с интенсивным турбулентным перемешиванием. На фиг.3 - фотография ламинарной струи (с сетками, но без отсасывающего устройства), при этом течение ламинарно. На фиг.4 представлена струя с сетками и с отсасыванием. Течение при этом ламинарное и устойчивое. На границах струи турбулентное перемешивание отсутствует.

Представленные фотографии подтверждают работоспособность данного устройства.

Физическое объяснение обнаруженного явления связано с тремя эффектами. Первый эффект обусловлен созданием ламинарного профиля скорости с широкими слоями смешения на границах струи, для которых характерно нарастание крупномасштабных возмущений порядка 10 толщин слоя смешения. Мелкие, наиболее опасные возмущения при этом не нарастают.

Второй эффект обусловлен созданием ускоряющихся ламинарных струй, которые оказываются устойчивыми и в которых отсутствует интенсивное турбулентное перемешивание на границах струй.

Третий эффект обусловлен разделением чистого воздуха сформированной ламинарной струи и загрязненного воздуха в окружающем ее спутном потоке, а также возможностью дополнительно воздействовать на формирование профиля скорости потока вдали от выходного сечения выходного канала.

Дешевизна комплектующих обеспечивающих работу устройства, его простота и надежность дает большие выгоды при его использовании, особенно в полупроводниковой промышленности и медицине при организации чистых рабочих мест.

Источники информации:

1. «Чистые помещения» под ред. Федотова А.Е., Асинком, 2003 г. 756 стр.

2. Горлин СМ., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения. Методы и приборы. М. Наука. 1964. 720 с.

Устройство для создания ламинарных течений с низким уровнем начальной турбулентности с помощью мелкоячеистых сеток, отличающееся тем, что ресивер с относительно охлажденной средой расположен на входе перед вертикальным выходным каналом, в конце которого установлен набор мелкоячеистых сеток с переменным по сечению гидравлическим сопротивлением за счет подбора размеров и количества ячеек сеток и прикрепления к узлам сетки нитей вытянутых вдоль потока, длина которых обратно пропорциональны локальной скорости формируемого ламинарного течения, на расстоянии порядка 10 диаметров выходного отверстия канала установлен засасывающий сформированную струю цилиндрический канал с насадком из ряда мелкоячеистых сеток, формирующих распределение засасывающего давления на входе в канал, окруженный соосно большим цилиндрическим каналом со своим насадком из ряда мелкоячеистых сеток, в который независимо от центрального канала засасывается спутный поток, возникающий вокруг сформированной ламинарной струи.