Кінематика течії в тупикових зонах вихрових камер

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

УДК 533.6.697

Кінематика течії у тупикових зонах

вихрових камер

01.02.05 - Механіка рідини, газу та плазми.

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макаренко Руслан Олексійович

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі гідропневмоавтоматики та гідравліки Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент

Турик Володимир Миколайович,

доцент кафедри гідропневмоавтоматики та гідравліки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Савенко Вячеслав Якович,

Українській траспортний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри будівництва та експлуатації доріг

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник,

Коробов Віталій Ілліч,

Інститут гідромеханіки Національної академії наук України, старший науковий співробітник

Провідна установа: Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться “_15 ” _жовтня 2001 р. о _15_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.09, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 5, ауд.307

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий _14 вересня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Коньшин В.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. За широкого використання вихрових камер в енергетичному та технологічному устаткуванні (котлоагрегати, масо- і теплообмінні апарати, циклони, плазмотрони, камери згоряння газотурбінних двигунів, циліндри двигунів внутрішнього згоряння, змішувачі, промислові печі, вихрові клапани тощо), засобах гідропневмоавтоматики гідромеханічні явища в них вивчені не повністю, але саме ці явища здатні істотно інтенсифікувати процеси масо- і теплопереносу та фізико-хімічних перетворень у зазначених пристроях.

Питання розрахунку і проектування апаратів, що оптимальним чином використовують закручені струмені і потоки, залишаються відкритими з причин як відкритості самої проблеми моделювання турбулентності, так і обмеженості відомостей про вторинні течії, що накладаються на основні потоки у вихрових камерах. Практично невивченими є такі явища, як “торцевий ефект” - явище руху рідини (газу) у напрямку глухого торця камери, закономірності його дії і вихрові структури, що викликає ця дія. Такі обставини суттєво ускладнюють задання граничних умов при складанні математичних моделей обмежених закручених потоків з метою раціоналізації робочих процесів і управління ними у вихрових камерах різного призначення. Задача раціонального проектування вихрових камер (ВК), а згодом і можливості оптимізації їх конструкцій і робочих процесів, ще більше ускладнюється при невісесиметричному тангенціальному підведенні рідини.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася як продовження фундаментального напрямку держбюджетної науково-дослідної теми №2366, що відповідала науково-технічній програмі Міністерства освіти і науки України (номер державної реєстрації 0193U030011), а також згідно з науковим напрямком “Когерентні вихрові структури і турбулентність потоків у вихрових камерах”, що розробляється на кафедрі гідропневмоавтоматики та гідравліки Національного технічного університету України “КПІ” у рамках творчої співдружності з Інститутом гідромеханіки НАН України при особистій участі автора в модернізації експериментальної установки, проведенні дослідів, обробці, узагальненні результатів експериментального дослідження та розробці практичних рекомендацій.

Мета і задачі дослідження. Метою проведення дослідження були розробка фізичної моделі кінематики тупикових течій у камерах із зосередженим тангенціальним підведенням газу, з'ясування причин і механізму дії “торцевого ефекту”, що впливає на процеси перемішування рідини (газу) у ВК, а також створення методики розрахунку геометричних і кінематичних параметрів потоків у тупикових зонах вихрових камер. Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

- експериментальне виявлення макро- та мікромасштабних вихрових структур у тупиковій частині ВК;

- експериментальне визначення геометричних характеристик тупикових течій;

- експериментальне вивчення просторових розподілів швидкості і тиску газу у стаціонарних осереднених тупикових течіях щодо ВК з поодиноким і розподіленим підведенням робочого середовища;

- узагальнення дослідних даних з розподілу геометричних і кінематичних параметрів потоків у тупикових зонах ВК, пропозиція розрахункових залежностей;

- порівняння розрахункових і експериментальних даних;

- видача практичних рекомендацій по вдосконаленню робочих процесів вихрових камер.

Об'єкт дослідження - сукупність гідроаеродинамічних явищ, що визначають процеси перемішування рідини та газу у ВК.

Предмет дослідження - вихрові структури в тупикових зонах вихрових камер.

Методи дослідження - експериментальні, з використанням методик візуалізації для визначення характеру тупикових потоків, а також засобів для безпосереднього виміру кінематичних і статичних характеристик течії.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. У роботі вперше виявлено наявність цілком упорядкованих макро- та мікромасштабних вторинних вихрових структур у тупикових зонах вихрових камер.

2. Вперше пояснено і достатньо повно вивчено природу та механізм “торцевого ефекту” у ВК в широкому діапазоні зміни відносної глибини тупикових зон (від 0,47 до 4,4 внутрішнього діаметра ВК). В існуючій вітчизняній і закордонній літературі мається не більше трьох згадувань про існування “торцевого ефекту” стосовно конструкції короткої ВК без будь-яких спроб з'ясування причини, механізму “торцевого ефекту” і без достатніх узагальнень.

3. Вперше експериментально отримані та інтерпретовані за допомогою комп'ютерної графіки дані про геометрію і кінематику тупикових течій.

4. Вперше проведено широке узагальнення дослідних даних по розподілу геометричних і кінематичних характеристик потоків у тупикових зонах ВК в залежності від основних конструктивних і режимних параметрів роботи ВК та їх соплових елементів. Результати узагальнення запропоновано у вигляді емпіричних розрахункових залежностей.

5. Вперше досліджено деякі елементи турбулентних характеристик течії у тупиковій зоні ВК: розподіл інтенсивності турбулентності в аксіальному, окружному (поблизу торця) і радіальному (поблизу бічних стінок) напрямках.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані результати дозволяють зробити висновки щодо інтенсивності масообміну в тупиковій зоні при зміні геометричних параметрів ВК, що пропонується використовувати при оптимізації робочих процесів, які відбуваються у вихрових камерах. Запропоновані емпіричні залежності для розрахунку розподілів геометричних і кінематичних параметрів течії в тупиковій зоні для зручності практичного застосування зведено в програму, спеціально розроблену на базі засобів візуального програмування. Запропонована розрахункова методика і програмний продукт для оцінки параметрів складної тупикової течії можуть бути використані як при завданні граничних умов у математичних моделях подібних течій, так і при безпосередніх розрахунках та проектуванні широкого класу вихрових апаратів. Запропоновано рекомендації з поліпшення перемішування робочих компонентів і зменшення часу перебування робочого середовища у ВК. Матеріали дисертації та розроблені методики прийнято для практичного використання у ВАТ “Сумське машинобудівне науково-виробниче об'єднання ім. М.В. Фрунзе” при проектуванні устаткування компресорних установок, зокрема для раціоналізації геометричних параметрів і робочих процесів у відцентрових апаратах, що розробляються на підприємстві.

Особистий внесок здобувача в одержанні наукових результатів, що викладені в дисертації.

Наукові результати, що стосуються оцінки долі загальної витрати газу в тупикову частину вихрової камери, виявлення упорядкованості і повторюваності вихрових структур, аналізу структури течії в радіальному напрямку і поблизу торця, особливостей поширення потоку в проточній і тупиковій частинах вихрової камери, отримані автором особисто на підставі експериментального дослідження. Участь у модернізації експериментальної установки: виготовлення і тарування пневмометричних вимірювальних засобів і пристроїв для їхнього використання при проведенні дослідів. Застосування наукового планування експериментального дослідження. Особиста участь у проведенні дослідження кінематики осередненої течії газу й елементів його турбулентних характеристик у тупикових зонах вихрової камери. Оцінка погрішностей при проведенні вимірів. Особисто виконана обробка результатів дослідження і їхнє узагальнення у виді емпіричних формул для розрахунку аксіальних і тангенціальних швидкостей руху газу. Розроблено спосіб представлення експериментальних даних для одержання якісної і кількісної картини течії по радіальній і подовжній координатах. Здобувачем розроблені методики і створено програмний продукт для розрахунку геометричних і кінематичних характеристик тупикової течії. На основі результатів дослідження розроблені практичні рекомендації з раціонального управління “торцевим ефектом” у вихрових камерах.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися на: Міжнародній науково-технічній конференції: Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва (Київ, 1998); Науково-технічній конференції: Гідроаеромеханіка в інженерній практиці (Київ, 1998); Науково-технічній конференції: Гідроаеромеханіка в інженерній практиці (Суми, 1999); 4th International Symposium on Engineering Turbulence Modelling and Measurements (Corsica, France, 1999); Науково-технічній конференції вчених України, Росії, Білорусії: Прикладні проблеми механіки рідини і газу (Севастополь, 1999); Науково-технічній конференції студентів і молодих вчених: Машинобудівник 2000 (Київ, 2000); Науково-технічній конференції: Гідроаеромеханіка в інженерній практиці (Київ, 2000); International workshop: Organized vortical motion as a basis for boundary layer control (Київ, 2000); Ювілейній міжнародній науково-технічній конференції Асоціації фахівців промислової гідравліки і пневматики (Кіровоград, 2000); 149-ому Українському науковому семінарі (Київ, “НТУ”, 2001).

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 12 друкованих праць, з них 6 статей у спеціалізованих фахових виданнях, 6 - у мате- ріалах та тезах конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків та шістьох додатків. Повний обсяг дисертації складає 121 сторінку, у тому числі обсяг, що займають ілюстрації - 3 сторінки, таблиці - 1 сторінка; 13 сторінок додатків, 10 сторінок списку використаних літературних джерел (114 найменувань).

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми роботи, визначено мету та задачі дослідження, відмічено наукову новизну та практичну значимість, особистий внесок автора в роботу, відомості про апробацію досліджень та публікації.

У першому розділі виконано аналітичний огляд стану наукової задачі. Розглянуто питання кінематики дозвукових закручених потоків в пристроях, що активно використовують закручення для інтенсифікації процесу змішання і стабілізації полум'я. Показано, що дотепер не існує теоретичних робіт, які адекватно описують течії не лише в тупиковій, але і в проточній частині вихрових камер. В роботах по закручених потоках Васильєва О.Ф., Вілля Г., Вуліса Л.А., Лойцянського Л.Г., Шліхтінга Г., що містять результати аналітичних досліджень, відсутні дані щодо обмежених закручених потоків у тупикових областях. У роботах Овчинікова А.А., Миколаєва Н.А., Волчкова Э.П., Уормлі Д.Н. та ін. розглядаються питання розвитку течії поблизу торця, але тільки в межах прикордонного шару і стосовно коротких вихрових камер. Роботи, що описують поширення закрученої течії у всій тупиковій частині довгих вихрових камерах практично відсутні. Також розглянуті питання, присвячені розрахунку цього виду течій. Аналітичний огляд показав, що існуючі розрахунки подібних течій поширюються в більшій мірі на проточну частину вихрових пристроїв. Чисельні методи припускають вісесиметричний характер тупикової течії, а емпіричні формули в деякому наближенні описують тільки розподіл тангенціальної швидкості.

Виходячи з огляду літератури були виділені деякі найбільш важливі питання, які вивчені менш усього і стосуються насамперед проектування апаратів вихрового типу: механізм тупикових течій у камерах із зосередженим тангенціальним підведенням; фізика “торцевого ефекту”; співвідношення геометричних і кінематичних параметрів тупикових течій на макрорівні.

В другому розділі описано аеродинамічний стенд розімкнутого типу, що забезпечує необхідні режими в досліджуваній області вихрової камери, і вимірювальний комплекс, що включає в себе прилади контролю витрати і тиску, апаратуру термоанемометрії, осцилограф, що запам'ятовує, засоби візуалізації і кінофотореєстрації течій. Експериментальна установка, схема якої представлена на рис. 1, містить у собі: виготовлену з органічного скла трубу 1 (робоча ділянка) з товщиною стінки 20 мм, внутрішнім діаметром d_o=102 мм, довжиною l_o=635 мм із рухомим торцем 2 і набором змінних впускних сопел 3 або поясів впускних вікон; відцентровий вентилятор “Краб”; шибери; витратомірна ділянка з пневмометричною трубкою “олівцевого” типу 4; проміжні трубопровідні елементи; диференціальний манометр і координатний пристрій (на схемі не показані). Прохідні перетини соплових вікон мають форму прямокутників зі скругленням при вершинах, з верхньою межею діапазону варіювання розмірів 41х25 мм² для одиночних сопів і 24х20 мм² для поясів з 6 впускних вікон.

Дано результати попереднього вивчення аеродинаміки тупикової області вихрової камери. Для візуалізації потоку використовувалися струми диму, отримані при спалюванні в закритих об'ємах целулоїду, пінопластові кульки діаметром до 2 мм, рідкий азот, монодисперсний порошок і сажа.

Пінопластові кульки, що вводяться в струмінь у ближніх до торця крайок соплових вікон, у більшості випадків стійко попадали не в проточну частину, а саме в тупикову область робочої ділянки, зберігаючи як завгодно довго обертання поблизу торця. Рідкий азот, що вдмухувався в робочу ділянку, показав, що відбувається поділ вхідного струменя на “активну” (у проточній частині вихрової камери) і “пасивну” (у тупиковій області циліндра) частини.

В тупиковій, так само як і в проточній, частині циліндра мав місце спіралеподібний характер руху потоку, що відповідало траєкторіям руху пінопластових кульок від сопла до торця. Це дозволило припустити, що на ділянці між соплом і глухим торцем існує стійка вторинна вихрова течія, інтенсивність і геометрія якої залежить від геометричних параметрів як вхідного струменя, так і тупикової області вихрової камери. Відповідно до спостережень в обертанні бере участь основна маса повітря тупикової області робочої ділянки, елементи якої ежектуються і несуться потоком приосьової зони циліндра до виходу робочої ділянки при одночасному підживленні речовиною й енергією області вторинної (тупикової) течії від струменя, що входить в робочу ділянку (поглинання енергії із середнього руху за допомогою турбулентної і в'язкої дифузії).

Багаторазове фотографування виявленого фізичного вихру з пінопластовими кульками, що потрапили в тупикову частину робочої ділянки, дозволило у грубому наближенні визначити діаметри кругових орбіт обертання кульок, а отже положення умовної області взаємодії зазначеного вихру з прикордонним шаром: d/d₀ 0,782...0,941 (d - поточний діаметр).

Були проведені виміри по визначенню статичного тиску в подовжньому і поперечному напрямках тупикової області ВК. В усій тупиковій області спостерігалося розрідження. Розподіл тиску уздовж подовжньої осі вихрової камери показав, що оцінка інтегральних картин течії в тупиковій зоні за розподілом тиску вкрай утруднена. Попередній аналіз виявив складний характер тупикової течії з протинаправленими великомасштабними вихровими структурами. Тому вивчення аеродинаміки “торцевого ефекту” у ВК проводилося на основі виміру локальних швидкостей руху газу і аналізу їхнього розподілу.

Також у цьому розділі описана застосована апаратура з градуювальними залежностями, методика визначення швидкості потоку. Оцінка погрішності вимірів показує, що її величина загалом не перевищувала 8-10 %.

У третьому розділі представлені результати стробоскопірування великомасштабних вихрових структур. Вимір за допомогою строботахометра осереднених за перетином частот обертання пінопластових кульок діаметром до 2 мм, закріплених на тонкій нитці діаметром 0,1 мм, при різних значеннях r радіусів у різних перетинах тупикової області дозволяє інтегрально оцінити характер розподілу частот обертання й тангенціальних швидкостей часток повітря в різних зонах при мінімальну збурюванні осередненої течії. Деякі результати вимірів представлені у вигляді графіків на рис.2,а (одиночне сопло) і рис.2,б (пояс вікон) у залежності від відносного радіуса =r/r₀ (r - поточний радіус, r₀ - радіус камери), де -=w/U (w - тангенціальна швидкість, U - середньовитратна швидкість у робочій ділянці) на всій довжині тупикової області робочої ділянки (діапазон зміни відносної глибини розташування торця від серединного перетину одиночної соплової вставки складав =1,52...4,04, а для поясів вікон 0,47...4,04).

Re_C - число Рейнольдса відповідно до параметрів сопла.

Досліди показали, що, незважаючи на неоднорідність тупикової течії, у ньому існують повторювані упорядковані вихрові структури.

Аналіз первинних до-слідних даних і апроксимуючих кривих, побудованих з використанням методу найменших квадратів (МНК), показав: при позитивних значеннях осьових кутів перехід від квазітвердотільного закону обертання потоку в камері до квазіпотенційного відбувається більш плавно й у більш широкому діапазоні значень , ніж при 0 рад. Граничні значення умовної зони змушеного вихру при =0,349 рад, як правило 0,75, у той час як при =0 рад і мінус 0,349 рад ця величина становить0,8. Таким чином можна відзначити, що при позитивних величинах осьових кутів розташування сопла область підвищеного тангенціального зрушення шарів рідини буде в 1,5...2 рази ширше по радіусі аналогічної області при 0 рад, хоча в останньому випадку максимальні значення можуть перевершувати ті, що відповідають умові >0 рад. В наших дослідах таке перевищення склало 10-15 %. Зниження числа Re_С майже завжди приводить до збільшення значень . У цілому вплив Re_С на характер розподілу не є дуже значним.

Формула для розрахунку у випадку застосування одиночних впускних сопел має вигляд

, (1)

де

Re_C - число Рейнольдса відповідно до параметрів сопла;

(2)

=0,579...1,165 рад - область зміни величин кутів тангенциальності соплових вікон.

Параметри A_w і D_w, що позначено через ={A_w, D_w}, можна визначити згідно з однотипним співвідношенням

(3)

Параметри B_w і C_w, що мають позначення ={B_w , C_w}, можуть бути визначено в такий спосіб

, (4)

де

(5)

=-0,349...0,349 рад - діапазон зміни величин осьових кутів розташування соплових вікон.

Значення коефіцієнтів _{j, j} затабульовано.

У разі застосування поясу впускних вікон пропонується наступна формула для розрахунку тангенціальної швидкості повітря як функції радіуса уздовж тупикової зони ВК:

, (8)

де С_i - емпіричні параметри, що задовільно узагальнюються однотипним співвідношенням

Значення коефіцієнтів , необхідних для розрахунку параметрів С_i, затабульовано.

У четвертому розділі представлені результати виміру розподілів осьових і радіальних швидкостей руху газу для складання більш повного представлення про кінематику тупикової течії, а також оцінки впливу на картину течії різних геометричних і режимних факторів: кутів тангенціальності вікон одиночних впускних сопел, кутів розташування цих вікон щодо подовжньої осі циліндра ВК, глибини установки торця відносно впускного сопла (глибини тупикової області), числа Рейнольдса підведеного (соплового) потоку.

Виміри осьових і радіальних швидкостей руху газу у різних точках потоку здійснювалося за допомогою пневмометричного екранованого Т-подібного насадка, що має ідентичні умови набігання потоку як попереду, так і позаду. В ідносна глибина L/d₀ розташування торця від середини вікна впускного сопла варіювалася в діапазоні від 1,82 до 4,4. Число Рейнольдса Re_C варіювалося в діапазоні від 45000 до 78000. Крім виміру швидкостей проводилася візуалізація течії з використанням кінофотореєстрації і сажового методу (для одержання картини течії на торці). Для створення видимого потоку використовувався монодисперсний порошок білого кольору.

На рис.3 видно, що струмінь повітря на виході із сопла розширюється уздовж криволінійної стінки труби і поділяється на дві частини: тупикову і проточну. Але цей процес відбувається нерівномірно. У проточну частину відразу ж відходить частина потоку, додатково до неї, зробивши один оборот у площині сопла, прилягає найбільш енергонесуча частина потоку. Подальше поширення по проточній частині здій-снюється спіралеподібним рухом комбінації двох потоків, які взаємодіючи один з одним, утворюють широку область течії уздовж стінки циліндра. Що стосується тупикової області, то тут домінує найбільш енергонесуча частина вхідного струменя (що зробила повний оберт у районі сопла) яка розповсюджується спіралеподібним рухом. Частина потоку, що відходить у тупикову область відразу ж по виходу із сопла, мала.

Картини, отримані сажовим методом (рис. 4), показують, що процес розповсюдження потоку поблизу торця нерівномірний, носить невісесиметричний характер; формується зона зворотної течії у вигляді воронки, вісь обертання якої зміщена відносно геометричної осі циліндра ВК. Різна кількість осілої сажі на тонкому шарі клею ПВА, що був нанесений на щільний білий картон, показує, в яких зонах циліндра потік підходить до торцю, а в яких формується область зворотної течії від торця до сопла.

Розташування центра вихору залежить від геометричних параметрів впускного сопла, режиму роботи стенда і глибини тупикової області. Аналіз рисунків показує, що зі зменшенням кута тангенціальності зона воронки збільшується, швидкість у ній зменшується (це видно по ступені осадження сажі на торці), вона зміщається ближче до осі ВК, зберігаючи, однак однобічний характер підживлення потоком. Центр обертання воронки зворотної течії не є постійним у часі. Відбувається його міграція, причому відносна різниця між колишнім і новим положеннями сягає до 10 % - для великих кутів і до 25 % - для малих . Зі зменшенням глибини розташування торця, зона зворотної течії починає утворюватися на великих радіусах (тому що вона ширше, ніж при глибині тупикової зони =4,4). Мала тангенціальність сопла позначається на інтенсивності вихрового утворення поблизу торця. Картина в цьому випадку розмита і можна сказати, що при збільшенні і зменшенні - потік прагне до більш рівномірного розподілу під торцем.

Результати вимірів радіальних розподілів осьових швидкостей руху повітря уздовж тупикової зони представлені на діаграмах прямої і зворотної течій (рис.5) (-- - безрозмірна подовжня координата поточного поперечного переріза щодо середини вікна впускного сопла).

Аналіз діаграм течій і графіків осьових швидкостей, а також результати експерименту по визначенню тангенціальних швидкостей і візуалізації течії дозволяють описати інтегральну картину формування складної течії у ВК таким чином. Напівобмежений струмінь, що входить у циліндричну частину ВК із сопла з тим чи іншим ступенем тангенціальності, має максимальну кінетичну енергію і, розширюючись, поділяється на проточну і тупикову частини з відповідними системами вихрових структур. Первинним фактором, що визначає картину тупикового плину, є зниження тиску в приосьовій зоні циліндра в зоні сопла внаслідок дії відцентрової сили на вхідний струмінь. Перерозподіл енергії, що виникає, викликає ежектуючий вплив потоку проточного тракту на приосьові повітряні маси тупикової області і відтік цих мас з мінімальною тангенціальною швидкістю убік сопла. Умова збереження суцільності течії вимагає утворення компенсуючої периферійної (на великих радіусах циліндра) зони припливу до торця для негайного надходження з боку сопла свіжих мас повітря, що володіють надлишковим запасом енергії. Частина зони притока (назвемо її головною) формується вхідним у ВК струменем з максимальним моментом кількості руху в діапазоні радіусів від 0,77r₀ до 0,9r₀ (див. рис. 2) і приймає сталу спіралеподібну форму.

На рис.5 сірим кольором двох відтінків (більш темний відповідає великим значенням осьової швидкості) позначені сліди розповсюдження цієї течії убік торця. Друга частина периферійної зони припливу відповідає меншим значенням радіусів, осьових і тангенціальних швидкостей і має форму хвилеподібної циліндричної трубки, у внутрішній порожнині якої рухаються в протилежному напрямку приторцеві маси повітря.

Головний спіралеподібний потік, утримуваний великими відцентровими силами поблизу бічної стінки циліндра, при підході до торця втрачає частину своєї енергії на внутрішнє тертя між шарами течії і тертя об стінку циліндра, і через ослаблення закручення поблизу торця виникають рух середовища в напрямку до осі і течія уздовж зони, що ежектується. У цьому місці утворюється воронка, вісь обертання якої зміщена щодо осі циліндра, що викликає спіралеподібний характер руху мас, що ежектуються.

Вузьку зону відтоку між першою і другою частинами течії до торця можна пояснити дією найбільш енергонесучего головного потоку, що витісняє приторцевий об'єм повітря, і його взаємодією з торцем ВК. З огляду на те, що осьові швидкості головного потоку в середньому в 2-4 рази більше, ніж другої частини зони припливу, можна вважати, що саме спіралеподібний потік визначає геометрію підвкладених вихрових структур, що утворилися в тупиковій області, і характер розподілу швидкостей руху в них.

Дослідження показали, що при варіюванні числа Рейнольдса Re_c характер руху головного потоку в цілому залишається незмінним; друга частина зони припливу до торця при зменшенні чисел Re_c стає менш інтенсивною і трохи звужується, розширюючи область центрального відтоку повітря. Зменшення кута тангенціальності сопла також призводить до розширення області центрального відтоку повітря до виходу ВК, однак головний спіралеподібний потік до торця, як і раніше, можна виділити за областями максимальних значень осьових швидкостей (див. рис.5).

При зміні осьових кутів (у приведеному вище діапазоні значень загальний характер розподілу потоків у тупиковій області залишається в цілому однаковим, не рахуючи “піджаття” спіралеподібного потоку в бік входу у ВК при =-0,349 рад і “розтягання” спирали у бік торця при =0,349 рад в межах до 30 %, що призводить до відповідного зсуву вторинних зон припливу і відтоку повітря.

З діаграм течії уздовж ВК видно, що кут поширення потоку по спіралі не є постійним уздовж тупикової зони. Слід зазначити, що цей кут змінюється також і по радіусу ВК.

З огляду на визначальний вплив на тупикову зону течії головного спіралеподібного потоку проведено наступне узагальнення експеримен- тальних даних за його геометрією і кінематикою, в тому числі кінематикою підвкладених вихрових структур за характерними напівперетинами максимальних значень осьових швидкостей, пов'язаних зі спіралеподібним потоком (див. вертикальні відрізки на рис.5).

Зв'язок кутової координати з відносним подовжнім переміщенням спіралеподібного потоку згідно точок максимальних значень подовжніх швидкостей задовільно описується формулою

(12)

де

, (13)

=(0,56...1,57) рад; =(-0,349...0,349) рад; =1,82...4,4.

Розподілу осьових швидкостей повітря уздовж головного спіралеподібного потоку за характерними напівперетинами тупикової зони течії відповідає узагальнена залежність

, (14)

де - безрозмірна осьова складова швидкості (осереднена місцева швидкість u уздовж осі х, що віднесена до середньовитратної швидкості U руху повітря в проточній частині ВК);

; (15)

A_u, B_u, C_u, D_u, E_u, G_u - емпіричні функції, що при використанні позначення m можуть бути представлені нижченаведеними розрахунковими залежностями

, (16)

де

Значення коефіцієнтів ₁, ₂,...,₃₆ затабульовано.

Як приклад на рис.6 представлені експериментальні дані по розподілу осьової швидкості в характерному напівперетині і зіставлення цих даних з результатами розрахунку.

Також у цьому розділі наведено результати термоанемометрування деяких зон тупикової течії. Для виміру середньої швидкості і відносної інтенсивності турбулентності в зазначеній області використовувався термоанемометричний датчик з одним чуттєвим елементом. На підставі частотного аналізу сигналу термоанемометра на криволінійній стінці ВК були виявлені псевдогьортлеровскі вторинні вихрові структури, довжина хвилі яких задовільно збігалася з результатами візуалізації і складала 0,003 м.

Порівнюючи відносну інтенсивність турбулентності на різних відстанях від торця, було встановлено, що зона переходу головного спіралепо-дібного потоку в зворотню течію відповідає воронкоподібній формі, зміщеній щодо геометричної осі циліндра ВК і залежній від геометрії впускного сопла і глибини тупикової області.

У п'ятому розділі наведено рекомендації щодо раціонального управління “торцевим ефектом” у вихрових камерах для підвищення ефективності їх використання. Також показано, що частка витрати потоку, який іде в тупикову область, становить від 0,58 до 0,81 від загальної витрати повітря у вихровій камері в дослідженому діапазоні геометричних параметрів. Описано методику розрахунку геометричних і кінематичних параметрів тупикового плину. Для зручності розрахунку геометрії і кінематики тупикової течії наведено опис програмного продукту, розробленого в Visual Basic, який поєднує в собі можливості діалогового режиму роботи і виводу на принтер результатів розрахунку у вигляді таблиць і графіків.

висновки

У дисертації наведені результати експериментального дослідження кінематики течії в тупикових зонах вихрових камер з односторонім тангенціальним підведенням робочого середовища і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в розробленій фізичній моделі кінематики тупикових течій і описі механізму дії “торцевого ефекту”, а також у запропонованих методиках розрахунку і рекомендаціях з раціонального управління процесами перемішування, з метою підвищення ефективності роботи вихрових камер, що є елементами енергетичного і технологічного устаткування.

Результати даної роботи дозволяють зробити наступні науково-практичні висновки і рекомендації.

1. У роботі досліджувалися найменш вивчені питання аеродинаміки закручених потоків у вихрових камерах - течії у тупиковій зоні камер. Уперше вивчений і пояснений механізм “торцевого ефекту” у вихровій камері.

2. Вперше отримано експериментальні дані про багатошарову структуру осередненої течії в тупиковій частині вихрової камери при різних глибинах розташування торця щодо одиночного впускного сопла. Визначальне значення у формуванні “вкладених” один в одного великомасштабних вихрових утворень мають ступінь тангенціальності впуску повітря до циліндру ВК, кут розташування вікна сопла щодо осі циліндра і значення числа Рейнольдса вхідного струменя. Вплив відносної глибини розташування торця на загальну картину розвитку тупикової течії менш істотний, крім значень менше 1,9, коли основний внесок до процесу розподілу вихрових структур робить явище взаємодії найбільш енергонесучого спіралеподібного потоку з нерухомим торцем.

3. Застосовані методики дослідження зазначених процесів дозволили одержати не лише якісні картини процесів у різних областях тупикової зони, але і запропонувати розрахункові залежності для геометричних і кінематичних характеристик течії (результати представлені у вигляді безрозмірних параметрів).

4. Запропоновано методику комп'ютерної обробки результатів виміру осьової компоненти швидкості руху газу для побудови діаграм великомасштабної структури тупикової течії, застосування якої дозволяє розширити уявлення про макроструктуру тупикової течії і пояснити механізм “торцевого ефекту”.

5.Розроблені методики експериментального дослідження і представлення результатів дослідів можуть також бути покладені в основу вивчення вторинних вихрових течій у камерах з розосередженим тангенціальним підведенням робочого середовища, що підтверджено отриманими результатами з розподілу тангенціальних швидкостей у досліджуваній зоні для цих умов.

6. Отримані результати дозволяють зробити висновки щодо інтенсивності масообміну в тупиковій зоні, а також дати оцінку матеріального балансу потоків у всіх зонах ВК при зміні її геометричних параметрів. Частка потоку в тупиковій області порівнянна й у ряді випадків перевищує частку течії в активній частині вихрової камери (становить від 0,58 до 0,81 від загальної витрати повітря у вихровій камері), що може бути використане при виборі зон, що найкраще впливають на поліпшення перемішування робочих компонентів.

7. Запропоновані емпіричні формули для геометричних і кінематичних параметрів складної тупикової течії можуть бути використані як при завданні граничних умов у математичних моделях подібних течій, так і при безпосередніх розрахунках і проектуванні широкого класу вихрових апаратів.

8. Для проектувальників вихрових камер, що активно використовують тупикову область, довжина якої не перевищує 4,5 калібру, а діапазон зміни відносної площі прохідного перетину соплового вікна складає від 0,06 до 0,125, можна дати такі рекомендації:

1) при необхідності забезпечити високий ступінь перемішування робочого середовища з можливістю його швидкого відновлення варто направляти впускні соплові вікна у напрямку торця при значеннях осьових кутів до мінус 20^о, при цьому використовуючи по можливості великі кути тангенціальності (=60^о…90^о);

2) якщо необхідно зменшити час затримки робочого середовища в тупиковій області без забезпечення інтенсивного перемішування, осьовий кут впускного вікна треба робити в діапазоні =-42^о…-45^о для кутів тангенціальності =32^о…90^о.

9. Достовірність одержаних результатів і запропонованих рекомендацій підтверджені великим експериментальним матеріалом і практичним впровадженням основних положень роботи в практику проектування масо- і теплообмінних апаратів компресорних установок в ОАО “Сумське машинобудівне науково-виробниче об'єднання ім. М.В. Фрунзе”.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Макаренко Р.А., Турик В.Н. О макроструктуре приторцевого течения в вихревой камере // Вестник Нац. техн. ун-та Укр. “КПИ”. Машиностроение. - Киев.- 1999. - Вып. 35. - С. 127-131.

Турик В.Н., Макаренко Р.А. Опыт термоанемометрирования турбулентных потоков в вихревой камере // Вестник Нац. техн. ун-та Укр. “КПИ”. Машиностроение. -Киев.- 1999.-Т.2, вып. 36. - С. 309-314.

Турик В.Н., Макаренко Р.А. Обобщение характеристик тангенциальных течений в тупиковой части вихревой камеры // Вестник Нац. техн. ун-та Укр. “КПИ”. Машиностроение. -Киев. - 2000. - Т. 1, вып. 38. - С. 38-44.

Макаренко Р.А. О винтообразном приторцевом потоке в цилиндрической камере // Вестник Нац. техн. ун-та Укр. “КПИ”. Машиностроение. -Киев. - 2000. - Т. 2, вып. 38. - С. 148-149.

Турик В.Н., Макаренко Р.А. Аэродинамика вихревой камеры с равномерным тангенциальным подводом воздуха // Сборник научных трудов Киров. Гос. техн. ун-та. - Кировоград. - 2000. - Вып. 7. - С. 38-43.

Макаренко Р.А., Турик В.Н. Кинематика течения в тупиковой части вихревой камеры // Прикладная гидромеханика.- 2001.- Т. 3 (75), №.1.- С. 46-51.

Турик В.Н., Макаренко Р.А О вторичном течении, наведенном закрученной полуограниченной струей // Труды Международ. Научно-техн. конф. “Прогрессивная техника и технология машиностроения, приборостроения и сварочного производства”. - Том 3. - Киев. -1998. - С. 280-284.

Турик В.Н., Макаренко Р.А., Дунаева Т.А. Исследование вторичных течений в вихревой камере // Труды VIII Международн. научно-техн. конф. ученых Украины, России, Белоруссии. - Севастополь. - 1999. - С. 53-55.

Turick V., Makarenko R., Voskoboinick A., Blohin V. Coherent vortical structures in limited swirling flows // International workshop “Organized vortical motion as a basis for boundary layer control”. - Кiev: IHM NASU. - 2000. - P. 53-54.

Макаренко Р.А., Турик В.Н. О макроструктуре приторцевого течения в вихревой камере // Тезисы докладов научно-техн. конф. “Гидроаэромеханика в инженерной практике”. - Киев. -1998. - С. 68.

Babenko V.V., Turick V.N., Makarenko R.O., Dunayeva T.A. Coherent structures and turbulence of limited flows in vortex chambers // 4th International Symposium on Engineering Turbulence Modelling and Measurements. - Corsica (France), 1999. - P. 17.

Макаренко Р.О., Турик В.М. Особливості течії у тупиковій частині вихрової камери // Тези доповідей науково-техн. конф студентів і молодих вчених “Машинобудівник 2000”. -Київ. - 2000. - С. 38.

Анотація

Макаренко Р.О. Кінематика течії в тупикових зонах вихрових камер. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.05 - Механіка рідини, газу та плазми. Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2001.

Експериментальне вивчення механізму підтягування рідини (газу) до глухого торця дозволило сформулювати фізичну модель “торцевого ефекту”. Вперше отримані дослідні дані про багатошарову структуру осередненої течії в тупиковій частині вихрової камери при різних глибинах розташування торця щодо одиночного впускного сопла.

Встановлено закономірності і запропоновано залежності, що описують залежність геометрії і кінематики тупикової течії від вхідних параметрів: геометрії вихрової камери, сопла і режимів роботи. Для розрахунку вихрових камер запропоновано емпіричні формули і спеціально складений на їхній основі програмний продукт. Дано рекомендації з використання отриманих у роботі даних про особливості тупикових течій у проектуванні вихрових камер із зосередженим тангенціальним підведенням робочого середовища. Наведено деякі дані стосовно вторинних вихрових течій у камерах з розосередженим тангенціальним підведенням робітничого середовища.

Ключові слова: торцевий ефект, тупикова течія, вихрова камера, нерухомий торець, тангенціальне підведення.

Аннотация

Макаренко Р.А. Кинематика течения в тупиковых зонах вихревых камер. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы. Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2001.

Диссертация посвящена разработке физической модели кинематики тупиковых течений в камерах с сосредоточенным тангенциальным подводом газа, выяснению причин и механизма действия “торцевого эффекта”, влияющего на процессы перемешивания жидкости (газа) в вихревой камере, а также созданию методики расчёта геометрических и кинематических параметров потоков в тупиковых зонах вихревых камер.

На основе выполненного анализа установлено, что существуют вопросы, относящиеся к проектированию аппаратов вихревого типа, которые изучены менее всего: механизм тупиковых течений в камерах с сосредоточенным тангенциальным подводом; физика “торцевого эффекта”; соотношение геометрических и кинематических параметров тупиковых течений на макроуровне.

Рассмотрение существующей информации о закрученных течениях в вихревых камерах и экспериментальное изучение механизма подтягивания жидкости (газа) к глухому торцу позволило сформулировать физическую модель “торцевого эффекта”. Впервые получены опытные данные о многослойной структуре осреднённого течения в тупиковой части вихревой камеры при различных глубинах расположения торца относительно одиночного впускного сопла. Показано наличие двух зон притока в направлении глухого торца: главный (наиболее энергоемкий) спиралевидный поток и поток в виде волнообразной цилиндрической трубки, во внутренней полости которой движутся в противоположном направлении приторцевые массы воздуха. Определяющее значение в формировании “вложенных” друг в друга крупномасштабных вихревых образований имеют степень тангенциальности впуска воздуха в цилиндр ВК, угол расположения окна сопла относительно оси цилиндра и значения числа Рейнольдса входящей струи. Влияние относительной глубины расположения торца на общую картину развития тупикового течения менее существенно, исключая значения менее 1.9 калибра камеры, когда основной вклад в процесс распределения вихревых структур вносит явление взаимодействия наиболее энергоёмкого спиралевидного потока с неподвижным торцом.

В процессе эксперимента и обработки разработаны методики исследования вторичных тупиковых течений, которые позволяют получать достоверные качественные картины процессов в различных зонах тупиковой области, и количественные оценки геометрии и кинематики течения с представлением этих результатов в виде обобщенных безразмерных зависимостей. Методики включают в себя способ визуализации торцевого течения с использованием сажи и клея ПВА, компьютерную обработку результатов измерения осевой компоненты скорости для построения диаграмм структуры тупикового течения и способ определения тангенциальных скоростей потока посредством стробоскопирования вращающихся вместе с потоком пенопластовых шариков малого размера.

В результате обработки многочисленных опытных данных по специально разработанной методике установлены закономерности и предложены формулы, описывающие зависимость геометрии и кинематики тупикового течения от входных параметров: геометрии вихревой камеры, сопла и режимов работы. Для расчета вихревых камер предложены эмпирические формулы и специально составленный на их основе программный продукт. Также даны рекомендации по использованию полученных в работе сведений об особенностях тупиковых течений в проектировании ВК с сосредоточенным тангенциальным подводом рабочей среды. Приведены некоторые сведения, касающиеся вторичных вихревых течений в камерах с рассредоточенным тангенциальным подводом рабочей среды.

Результаты исследований использованы при проектировании центробежных аппаратов, которые разрабатываются в ОАО “Сумское машиностроительное научно-производственное объединение им. М.В. Фрунзе”.

Ключевые слова: торцевой эффект, тупиковое течение, вихревая камера, неподвижный торец, тангенциальный подвод.

The summary

Makarenko R.А. A kinematics of flow in dead-end zones of vortical chambers. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 01.02.05 - Mechanics of a liquid, gas and plasma. National technical university of Ukraine "КPI", Kiev, 2001.

The experimental analysis of the gear of a liquid (gas) draw to deaf (indistinct) butt end has allowed to formulate physical model “of end effect”. The test datas about multilayer pattern of mean flow in a dead-end part of the vortical chamber for the first time are obtained at different depths of arrangement of butt end concerning the single inlet nozzle.

The regularities are established and the relations depicting geometry and kinematics of dead-end flow from data-ins are offered: geometry of the vortical chamber, nozzle and operational modes. For calculation of vortical chambers the trial-and-error formulas and software, specially compounded (drawn up) on their basis (fundamentals) are offered. The recommendations for use of the items of information, obtained in activity, about features of dead-end flows in designing of vortical chambers with the massed horizontal intake of an actuating medium are given. Some items of information tangent secondary vortical flows in chambers with the dispersed horizontal intake of an actuating medium are adduced.

Key words: end effect, dead-end flow, vortical chamber, fixed butt end, horizontal intake.

Размещено на Allbest.ru

...