Аэродинамика циклонной камеры

СТО — 2012

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова Институт ЭиТ Кафедра теплотехники КУРСОВАЯ РАБОТА По дисциплине: Гидрогазодинамика На тему Аэродинамика циклонной камеры Студент 3 курса группа 263 203

Курской Сергей Витальевич Руководитель проекта Леухин Ю.Л.

Архангельск 2014

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

по дисциплине Гидрогазодинамика студенту ИЭиТ курса3 группы 263 203 Курскому Сергею Витальевичу Тема: Аэродинамика циклонной камеры Исходные данные:

Геометрические и режимные характеристики циклонной камеры

Срок выполнения работы с июня 2014 г. по декабрь 2014 г.

Руководитель проекта Леухин Ю.Л.

Результаты аэродинамических измерений в рабочем объеме:

Коэффициент трехзначного цилиндрического зонда:

К_ц=0,985 К_ц-К_б=1,231

1. Общая картина движения газа в циклонной камере

2. Описание экспериментального стенда и методики измерений, порядок проведения опытов

2.1 Измерение расхода воздуха

2.2 Измерение скоростей и давлений в объеме циклонной камеры

3. Расчет распределений скоростей и давлений в циклонной камере Список использованных источников Приложение

1. Общая картина движения газа в циклонной камере

Рис. 1. Схематический чертеж циклонной камеры и основные обозначения; 1 — ядро потока; 2 — периферийная (пристенная) зона; 3 — приторцевал зона Циклонная камера (рис. 1) представляет собой цилиндр, тангенциально к внутренней поверхности которого вводится газ или жидкость. Число, а и местоположение Х_вх вводов (шлицев или сопел) может быть различным и определяется технологическим назначением циклонного аппарата. Основными относительными характеристиками (их обозначения приведены на рис. 1) циклонной камеры, кроме отмеченных, являются:

— суммарная площадь входа ,

— диаметр выходного отверстия

— длина рабочего объема ,

— высота шлицев (сопел) ,

— местоположение входных шлицев ,

— (координата отсчитывается от глухого торца рабочего объема камеры),

— шероховатость поверхности рабочего объема.

Вывод газов из рабочего объема циклонной камеры, как правило, осуществляется через соосное с ним выходное отверстие в одном из торцов. Для обычных циклонных камер характерна диафрагмированность выхода и сравнительно небольшая относительная длина (= 0,5 ч 2,5).

Поле скоростей потока в циклонных камерах отличается сложностью и пространственностью. В любой точке поля сектор скорости можно разделить на три составляющие (компоненты): тангенциальную щ_ц (вращательную), щ_х осевую (продольную) и радиальную щ_z (рис. 1). В общем случае соотношение между этими компонентами может быть различным по величине в зависимости от местоположения рассматриваемой точки поля скоростей и геометрии циклонной камеры. По характеру изменения компонент скорости потока весь рабочий объем циклонной камеры (см. рис. 1) можно разделить на три основные области: осесимметричное ядро потока, приторцевые зоны течения и периферийную пристенную зону.

Ядро потока занимает основную часть рабочего объема камеры. Внешней границей ядра потока является цилиндрическая поверхность, радиус которой r_я может быть найден из условия максимума момента количества движения. С торцевых поверхностей ядро потока ограничено зоной интенсивных радиальных течений, где наблюдается падение вращательной составляющей скорости и значительное повышение радиальной компоненты. В пределах ядра потока тангенциальная (вращательная) составляющая имеет наибольшую из всех трех компонент величину. В соответствии с характером ее распределения по радиусу (рис. 2) можно выделить две зоны: зону возрастания скорости при уменьшении радиуса (квазипотенциальную зону) и зону ее падения по мере приближения к центру камеры (зону квазитвердого вращения). Зоны разделены сравнительно небольшим по радиальной протяженности переходным участком. Размеры зон возрастания и падения тангенциальной составляющей, так же как протяженность переходного участка и общий уровень вращательной скорости, определяются геометрией циклонной камеры.

Рис. 2. Распределение вращательной составляющей скорости, статического и полного давлений в циклонной камере При двухстороннем и более вводе газа течение в ядре практически осесимметрично. Аэродинамическая ось потока совпадает с осью камеры. Вращательная составляющая скорости в ядре потока значительно превышает другие компоненты скорости, поэтому основным видом движения считают вращательное. С этой точки зрения, в первом приближении, движение газа в ядре можно считать плоским и отнести к категории равномерных осесимметричных относительно оси вращения или круговых. Из курса физики известно, что при равномерном движении по окружности радиуса r равнодействующая сил dF, действующих на элемент жидкости, должна быть равна по модулю

(1)

и направлена к центру окружности.

В уравнении (1) — линейная (тангенциальная, вращательная) скорость движения элемента; m — масса элемента.

Только когда равнодействующая сила сообщает элементу необходимое центростремительное ускорение j=/r, он движется равномерно по окружности. Эту равнодействующую называют центростремительной силой. Если исключить из рассмотрения вследствие их относительной малости силы трения, обусловленные вязкостью, и условие равновесия рассматривать применительно к единице объема среды, то можно считать, что равнодействующей (центростремительной) силой в ядре циклонного потока будет являться радиальный градиент давления. Соответственно условие существования кругового течения, или условие радиального равновесия потока, в рассматриваемом случае будет определяться уравнением

. (2)

Статистическое и полное давления максимальны на внешней границе ядра потока и падают по направлению от стенки к оси камеры. В приосевой области при определенных условиях статистическое и полное давления потока могут быть ниже атмосферного (см. рис. 2).

В периферийной (пристенной) зоне, так же как и в ядре, вращательная составляющая является наибольшей из всех компонент. Профиль в этой области не осесимметричен и непрерывно перестраивается по мере продвижения потока у вогнутой поверхности рабочего объема. Начальное же распределение — распределение на выходе из входного шлица/сопла/ - зависит от характера течения потока/профиля скорости/ внутри и вне его.

Сложность течения определяется тем, что выходящая струя в рабочем объеме взаимодействует сразу и со спутным, вращающимся относительно оси камеры потоком, и с вогнутой цилиндрической стенкой камеры. Взаимодействие струи со стенкой приводит к закручиванию потока. Частицы среды вблизи стенки начинают двигаться по спиральным траекториям, причем направление вектора их скорости в пристенном слое струи определяется совокупным влиянием, например, положения рассматриваемого канала относительно других каналов и торцевых поверхностей рабочего объема, интенсивностью торцевых перетечек, которые в свою очередь зависят практически от всех геометрических характеристик камеры.

Кривая распределения статического давления по радиусу в периферийной зоне течения по характеру является продолжением соответствующего распределения в ядре потока.

Особенности течения потока в приторцевых областях циклонных камер связаны с подтормаживающим действием торцевых поверхностей. Вблизи торцевых поверхностей вращательная составляющая скорости уменьшается, и появляется интенсивное радиальное течение, направленное к центру камеры со скоростью, которая обуславливает появление сил трения, компенсирующих возникшее нарушение динамического равновесия в рассматриваемой области. Сложность картины дополняется взаимодействием возникшего течения с ядром потока. Статическое давление поперек этой области практически не изменяется на всех радиусах.

Условия стока, неравномерность распределения вращательных скоростей потока по длине рабочего объема (и первую очередь в периферийной и приторцевых областях течения), обусловленная геометрией камеры и трением потока о стенки, а также имеющееся в некоторых случаях разрежение в приосевой зоне определяют довольно сложное поле осевых скоростей в циклонных устройствах. На рис. 3 приведены условные распределения осевой компоненты скорости по радиусу в рабочем объеме и соответствующие им схемы осевых потоков.

За положительное направление осевой скорости здесь и далее принимается направление к выходу из камеры, за отрицательное — направление к глухому торцу. На рис. 3 видно, что входящий в камеру поток разделяется на два, один из которых направляется к выходному торцу, а другой — к глухому.

Рис. 3. Распределение щ_х и схемы осевых движений потока в циклонной камере: 1 — периферийннй прямой вихрь;2 — кольцевой обратный вихрь; 3 — выходной вихрь;4 — периферийный обратный вихрь; 5 — осевой обратный вихрь Основная часть массы газа потоков интенсивными радиальными перетечками переносится к центральным областям рабочего объема. Вблизи приосевой зоны от глухого торца поток газа направляется к выходному отверстию, к нему в приторцевой области у выходного отверстия присоединяется часть газа, переносимая радиальным течением у выходного торца. Этот радиальный поток, взаимодействуя с выходным, частично ответвляется, образуя небольшое кольцевое обратное течение. В центральной области рабочего существует обратное течение газов. Оно появляется в результате имеющегося здесь разрежения и подсоса газов и зарождается вне рабочего объема камеры. Проникнув внутрь камеры на определенную глубину, массы газа, подсасываемые извне, присоединяются к выходному течению. Вращательное движение центрального обратного потока, в отличие от всех других вышерассмотренных, является индуцированным.

Размеры, радиальная протяженность и мощность рассмотренных закрученных осевых потоков могут быть различными и зависят от геометрических характеристик циклонной камеры.

Безусловно, приведенная схема осевых течений потока является приближенной, хотя и допускает существование циркуляционных зон как внутри рабочего объема, так и в пристенном слое между входными каналами, в углах рабочего объема между торцевыми и боковой поверхностями. Пристенные потоки называют периферийными прямым и обратным вихрями, выходной поток — выходным вихрем, кольцевое обратное течение — кольцевым обратный вихрем, центральный обратный поток — центральным обратным вихрем.

Важная роль в аэродинамике циклонных камер принадлежит весьма интенсивному турбулентному обмену.

С точки зрения общих аэродинамических характеристик циклонных камер, основным видом движения газа, как уже отмечалось, следует считать вращательное. Главной характеристикой вращательного движения в циклонной камере является максимальная вращательная скорость потока (см. рис. 2). Она удачно характеризует общий (эффективный) уровень вращательного движения газа в рабочем объеме. При струйном представлении циклонного потока является скоростью потока на внешней границе струйного пограничного слоя, обращенного к оси камеры. Обычно в аэродинамических расчетах чаще используют не абсолютное значение, а относительное (- средняя скорость потока в шлицах или соплах).

Второй скоростной характеристикой ядра потока в циклонной камере является вращательная скорость на его внешней границе. Эта скорость является интегральной характеристикой аэродинамических процессов, связанных с истечением газа из шлицев, распространением его струй у боковой поверхности камеры, взаимодействием пристенной зоны течения с ядром и приторцевыми потоками. Обе скоростные характеристики связаны между собой коэффициентом крутки в ядре потока:

(3)

Радиальные размеры характерных зон циклонного потока определяются безразмерными радиуса, ?=. Особо важное значение в аэродинамических расчетах циклонных камер имеют безразмерные радиусы, характеризующие положение максимума вращательной скорости потока, внешней границы осесимметричного ядра, нулевого значения статического давления (см. рис. 2). Общее сопротивление циклонной камеры оценивается по суммарному коэффициенту сопротивления

где — перепад полного давления в камере, разность величин полных давлений в шлицах и за выходным отверстием рабочего объема; - плотность потока на входе в камеру. Cуммарный коэффициент сопротивления вида

где — плотность потока на радиусе .

С помощью коэффициента можно определить затраты энергии на создание определенного уровня вращательных скоростей в устройстве. Фактически он определяет аэродинамическую эффективность циклонной камеры.

Влияние основных конструктивных и режимных характеристик на аэродинамику циклонной камеры.

Из отмеченных выше геометрических характеристик особенно сильное влияние на аэродинамику циклонной камеры оказывает диаметр выходного отверстия. Уменьшение приводит к росту величины, значения статистического давления на боковой поверхности камеры Р_с.ст., уменьшению характерного радиуса и других характеристик радиусов ядра потока. При этом наблюдается существенная перестройка профилей и. В то же время влияние параметра на поток в пристенной зоне практически мало существенно.

Увеличение относительной суммарной площади входа циклонной камеры приводит к повышению уровня вращательных и осевых скоростей, статистического давления и смещению характерных радиусов в ядре потока в приосевую область, а границы ядра потока — в периферийную область рабочего объема. С уменьшением распределения вращательной скорости и давлений приобретают более пологий характер.

Относительная высота шлицев основное влияние оказывает на поток в пристенной зоне. С увеличением уменьшаются потери на расширение струи и вихреобразование у кромок шлицев, поэтому возрастает уровень во всей пристенной зоне течения, в том числе и величина. Радиальная протяженность периферийной зоны несколько увеличивается.

Относительное расположение входных шлицев х_вх, практически не оказывая влияния на вращательное движение потока и слабо влияя на сопротивление камеры, коренным образом изменяет поле осевых потоков на периферии рабочего объема.

Распределенность шлицев по периметру камеры (увеличение а) способствует повышению осевой симметрии потока в ядре и равномерности распределения скоростей в периферийной зоне. При этом изменяются условия взаимодействия выходящих из шлицев струй с ранее введенными в рабочий объем и уже вращающимися в нем газами (следовательно, изменяются входные потери), протяженность их активного действия, влияние особенностей формирования потока и потерь во входных каналах.

Относительная длина камеры оказывает влияние, как на структуру, так и на общие аэродинамические характеристики потока. При > 2 и двухстороннем локальном вводе в ядре поток практически осесимметричен и распределения (при · 10²? 3· 10^-2) можно считать неизменными по его длине. При < 2 распределение начинает существенно зависеть от продольной координаты. Увеличение приводит к значительному уменьшении,, , и суммарного сопротивления камеры. Существенно зависит от и поле осевых скоростей. При росте несколько увеличивается радиальная протяженность пристенной зоны течения.

Повышение шероховатости поверхности рабочего объема циклонной камеры приводит к снижению уровня вращательных скоростей, смещении максимума по направлению к периферии, уменьшению сопротивления камеры. Профиль под влиянием деформируется. Повышениеприводит к некоторой перестройке поля осевых скоростей, особенно в центре рабочего объема камеры. С ростом может быть ликвидирован осевой обратный ток, увеличивается радиальная протяженность и уровень максимальной осевой скорости выходного вихря.

Сопротивление циклонных камер и потери в них главным образам определяются вращательным движением потока, причем доля потерь на трение потока о стенки рабочего объёма, а также выходного и входных каналов в общей величине потерь для гладкостенных камер сравнительно невелика и возрастает с увеличением относительной шероховатости поверхности рабочего объема и каналов. Однако даже в гладкостенных камерах трение потока о стенки (при сравнительно небольших потерях непосредственно на трение) оказывает влияние на уровень вращательных скоростей в рабочем объеме, следовательно, на величину затрат на достижение определенного уровня крутки и величины входной и выходной составляющих суммарного коэффициента сопротивления. В гладкостенных камерах, а такие в шероховатых, в которых толщина ламинарного подслоя на стенках рабочего объема превышает величину бугорков шероховатости (шероховатая камера является гидродинамически гладкой), увеличение входного числа Рейнольдса

(4)

(- коэффициент кинематической вязкости потока при входных условиях) или расхода газа через камеру приводит к снижению коэффициента трения и, следовательно, к снижению тормозящего действия внутренней поверхности рабочего объема. Повышение уровня вращательных скоростей с увеличением Re_вх приводит и к росту о (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость о = о (Re_вх) при различной относительной шероховатости рабочего объема камеры: = 0,4; = 1.57; =10,205•

В области турбулентного режима интенсивность зависимости суммарного коэффициента сопротивления от Re_вх, убывает с его увеличением. Когда в шероховатых циклонных камерах бугорки шероховатости значительно выходят за пределы ламинарного подслоя, тормозящее действие стенок будет определяться сопротивлением формы бугорков — сопротивлением плохо обтекаемых выступов шероховатости.

Поскольку сопротивление формы не зависит от числа Рейнольдса, то и сопротивление циклонной камеры в этом случае не зависит от Re_вx. Течение потока становится автомодельным. Как и при течении в трубах, между двумя рассмотренными предельными режимами и в циклонных камерах существует промежуточный режим, в котором толщина ламинарного подслоя соизмерима с высотой выступов шероховатости и о зависит от и Re_вx. Ранее уже отмечалось, что влияние трения потока о стенки камеры главным образом проявляется через изменение уровня вращательных скоростей и определяемых им величиной затрат энергии (напора) на достижение определенного уровня и потерь на выходе из рабочего объема.

Рост коэффициента трения приводит и снижению уровня вращательных скоростей и суммарного коэффициента сопротивления камеры, а уменьшение, наоборот, — к повышению уровня и соответственно о. Поэтому характер изменения суммарного коэффициента сопротивления циклонных камер от числа Re_вх оказывается противоположным изменению коэффициента сопротивления трения. В общем изменение суммарного коэффициента сопротивления камеры с увеличением числа Re_вх можно представить следующим образом: при ламинарном режиме течения, если он возможен, о, вероятно, будет увеличиваться и достигнет максимума при критическом значении числа Рейнольдса, в переходном режиме о убывает, при турбулентном промежуточном режиме, в отличие от двух предыдущих, характер изменения о начинает существенно меняться от относительной шероховатости поверхности рабочего объема, и, в зависимости от величины, может иметь место и падение, и увеличение о; в режиме развитой шероховатости суммарный коэффициент сопротивления не меняется.

Распределения не зависят от величины Re_вх. В гладко-стенных камерах возрастает с увеличением Re_вх. Зависимость максимальной вращательной скорости от числа Re_вх практически определяется лишь изменением величины вращательной скорости на границе ядра потока.

Для шероховатых циклонных камер в наиболее целесообразном и часто встречающемся в практике диапазоне чисел Рейнольдса (Re_вх >2· 10⁵) режим течения можно считать автомодельным.

Загрузка объема циклонной камеры различного рода вставками не вызывает коренных изменений в картине распределения скоростей. В то же время она оказывает влияние практически на все аэродинамические характеристики ядра потока.

2. Описание экспериментального стенда и методики измерений. порядок проведения опытов

Исследовательскую часть работы выполняют на экспериментальной установке^*, принципиальная схема которой представлена на рис. 5.

Рис. 5. Принципиальная схема экспериментальной установки Основным элементом стенда является модель циклонной камеры 10, выполненная из оргстекла. Размеры рабочего объема камеры: диаметр D_к = 2R_к = 0,310 мм, длина L_к = 1,89 мм. Ввод воздуха в камеру производится двумя расположенными тангенциально к внутренней поверхности рабочего объема входными каналами (шлицами) прямоугольной формы длиной ?_вх=0,0468 мм и высотой h_вх = 0,1080 мм из раздаточного короба-рессивера 9. Отвод газа из камеры осуществляется через плоский торец с круглым осесимметричным выходным отверстием, безразмерный диаметр которого d_вых можно варьировать в диапазоне значений от 0,2 до 0,6.

В качестве дутьевого устройства 2 используется воздуходувка В 10/1250 с номинальной производительностью Q = 10⁴ м³/ч и полным напором Р_п = 1250 мм вод.ст. (13,26 кПа). Измерение расхода воздуха через установку производят методом снятия поля скоростей пневмометрическим насадком 6 в мерном сечении подводящего трубопровода 5.

Температура воздуха, подаваемого в циклонную камеру, измеряют ртутными лабораторными термометрами 4, 7, установленными в гильзах в начале измерительного участка трубопровода и непосредственно перед циклонной камерой.

Отбор статистического давления во входных каналах и на боковой поверхности модели осуществляется через дренажные отверстия диаметром 0,7 мм. В качестве измерительного прибора используется дифференциальный водяной манометр 14, соединяемый с соответствующими точками отбора давления переключателем 15.

В объеме камеры производится снятие распределений скоростей и давлений в одном или нескольких сечениях (в зависимости от поставленной задачи). В качестве пневмометрического насадка 12 используются трехканальный цилиндрический зонд с диаметром приемной части 2,6 мм или пятиканальный шаровой зонд диаметром 5 мм [1, 5, 20]. Как показывают тарировочные опыты, введение измерительного насадка в рабочий объем модели не вносит существенных возмущений в поток. Перемещение зонда в измерительном сечении и его аэродинамическая ориентировка в потоке (по показаниям микроманометра 14) производятся координатником 11 с ручным приводом конструкции ЛПИ им. М. И. Калинина (см. рис.10). Координатник крепится специальным зажимами к каретке 13, которую можно перемещать вдоль горизонтальной оси камеры в пределах расположения измерительных сечений.

Пуск экспериментального стенда^* производится путем включения воздуходувки с электрощита управления при закрытой заслонке 3 на воздухопроводе. Изменение числа оборотов, а следовательно, и производительности, осуществляется вручную реостатами ступенчатой и плавной регулировки. Максимальная нагрузка воздуходувки устанавливается таким образом, чтобы показания амперметра на щите управления не превышали 45−50 А. Полный напор, развиваемый воздуходувкой, при этом составит 420ч480 мм вод. ст. (4,12ч4,71 кПа). Далее по указания преподавателя устанавливается заданный режим работы, определяемый расходом воздуха через установку. Регулировка расхода может быть осуществлена как заслонкой, так и изменением числа оборотов привода воздуходувки 1.

Прежде чем приступить к производству замеров, необходимо вывести установку на стационарный режим. Для этого обычно требуется 30 ч 40 мин. Убедившись в достижении стационарного режима, приступают к проведению эксперимента.

2.1 Измерение расхода воздуха

Используемый в работе метод измерения расхода воздуха основан на определении среднеинтегральной по поперечному сечению трубопровода скорости течения. Последнее предполагает знание экспериментального профиля скоростей в измерительном сечении.

Для измерения скоростей потока используют комбинированные пневмометрические насадки — трубку Пито-Прандтля, позволяющую определить в данной точке замера полное Р_п и статическое Р_с давления, а также динамический напор Р_д = Р_п — Р_с, пропорциональный по уравнению Бернулли величине скорости Напорную трубку устанавливают вдоль оси трубопровода, причем центральное приемное отверстие должно быть расположено против потока. Перемещая насадок по радиусу канала, производят замеры в различных точках поперечного сечения. Отсчет динамического напора производят по дифференциальному жидкостному микроманометру (см. рис. 5) с наклонной шкалой 8 типа ММН-240, избыточного статического давления — по дифманометру 14.

В общем случае средняя скорость потока V_cp, м/с, может быть рассчитана следующим образом:

(5)

где, V_i — соответственно радиус точки замера и значение скорости на данном радиусе;

R — радиус трубопровода.

Данный способ требует графического интегрирования скоростного профиля, что затрудняет вычисления.

Чаще применяют другой, более простой и удобный способ определения V_ср, сущность которого заключается в следующем. Площадь поперечного мерного сечения трубопровода условно разбивают на n равновеликих кольцевых площадок (рис. 7). В свою очередь каждая из них делится на две равные по площади части. Окружность, разделяющая равные части кольца, на рис. 7 показана штрихпунктиром. На этих окружностях измеряют скорость потока, которая является средней для каждой из выделенных кольцевых площадок. (Точки замера скорости на рисунке обозначены 1, 2, 3.)

Среднеарифметическое значение измеренных в точках 1, 2, 3, …, n средних скоростей V_i каждого из равновеликих по площади колец будет являться средним значением скорости потока в трубопроводе V_ср (м/с).

(6)

где n — число точек замера.

Все результаты измерений заносят в табл. I приложения. Координаты точек замера скоростей, отсчитываемые от стенок трубопровода, определяют по формуле (выведенной из условия равенства кольцевых площадок)

(7)

где z — номера окружностей точек замера;

N — число кольцевых площадок.

Знак минус (-) в формуле (7) берется при расчете у, лежащих ниже оси трубопровода, знак плюс (+) — выше оси трубопровода.

Число кольцевых площадок, исходя из обеспечения приемлемой точности измерения расхода, рекомендуется выбирать не менее трех.

2.2 Измерение скоростей и давлений в объеме циклонной камеры

В настоящей работе для аэродинамических измерений в закрученном циклонном потоке использованы комбинированные пневмометрические насадки — зонды, позволяющие производить замеры полного и статического давлений, полной скорости и ее компонент, а также углов скоса потока.

Трехканальные цилиндрические зонды применяются для исследования практически плоского потока. Приближенно циклонный поток в пределах его ядра можно рассматривать как плоский.

Схема подключения к измерительным приборам показана на рис. 9. Насадок 3 имеет три отверстия диаметром 0,3ч0,4 мм, находящиеся на его боковой поверхности в одной плоскости, перпендикулярной оси зонда, на определенном расстоянии (не менее 2d) расстоянии от торца. Боковые отверстия по отношению к центральному располагаются симметрично, причем угол между их осями должен составлять 90 ч 100°. Боковые отверстия соединяются с измерительными штуцерами импульсными трубками, центральное — через полость державки зонда.

Рис. 9. Трехканальный цилиндрический зонд и схема его подключения к измерительным приборам После этого непосредственно приступают к производству замеров. По дифференциальному водяному манометру 1 (см. рис. 9) отсчитывают перепад давления А₁, между центральным и одним из боковых отверстий, пропорциональный напору в данной точке потока, а по дифманометру 2 (см. рис. 9) — полный напор А₂. Угол скоса поток ц определяют по лимбу координатника с ценой деления 1°. Полученные данные позволяют определить полную скорость потока и ее тангенциальную (вращательную) и осевую составляющие, а также статическое давление.

скорость газ циклонный аэродинамический

3. Расчет распределений скоростей и давлений в циклонной камере

Плотность воздуха, кг/м³, во входных каналах циклонной камеры:

(16)

Избыточное статическое давление потока в точке замера Р_с, мм вод.ст., рассчитывается по формуле

(18)

где A₁, А₂ — показания пневмометрического насадка, мм вод. ст.;

К_Ц — коэффициент, учитывающий ошибку при измерении полного напора за счет неточности изготовления центрального приемного отверстия;

К_Б — поправочный коэффициент к показаниям бокового отверстия.

Коэффициенты К_Ц, К_Б определяются путем предварительной тарировки зонда в аэродинамической трубе. (В работе коэффициенты К_Ц, К_Б задаются.) Плотность воздуха с, кг/м³, в произвольной точке потока

(19)

Полная скорость потока в точке замера V, м/с

(20)

Безразмерная осевая составляющая полной скорости

(21)

Безразмерная вращательная составляющая полной скорости потока находиться по формуле

(22)

Безразмерное (отнесенное к скоростному напору во входных каналах) избыточное статистическое давление в точке замера вычисляется по уравнению

(23)

Безразмерное избыточное полное давление в точке замера

(24)

Безразмерное (отнесенное к динамическому напору во входных каналах) избыточное статическое давление воздуха на боковой поверхности циклонной камеры

(31)

Соотношение избыточных статистических давлений на боковой поверхности и во входных каналах

; (32)

здесь — безразмерное (отнесенное к динамическому напору во входных каналах) избыточное статическое давление во входных каналах.

Зная можно определить важнейшую гидравлическую характеристику циклонной камеры — суммарный коэффициент сопротивления по входу. При истечении воздуха из объема циклонной камеры в окружающую среду

(33)

где — динамический напор во входных каналах, мм вод.ст. Коэффициент кинематической вязкости воздуха при входных условиях, м²/с,

(34)

Число Рейнольдса вычисляется по формуле (4). Число Рейнольдса, определяющее начало автомодельной области течения (границу второй автомодельной области), можно определить по эмпирическому уравнению [15, 16]

(35)

Число Рейнольдса (Re_вх > 2· 10⁵) следовательно режим течения можно считать автомодельным.

Безразмерная площадь входа [17]

(36)

Безразмерный средний радиус входа потока

(37)

Безразмерный радиус ядра потока в общем случае является функцией, ,, и определяется по обобщенным эмпирическим уравнениям [4]: при 0,04? ? 1,6

(38)

Относительная площадь выхода потока

(40)

Соотношение площадей входа и выхода потока

(41)

Безразмерный радиус, характеризующий положение максимума вращательной скорости, определяется в основном безразмерными величинами площадей входа и выхода потока, шероховатости боковой поверхности. Для расчета можно воспользоваться следующими соотношениями:

при 0,28 ?/? 5; 0,28 ?0,29? 5

(43)

В формулах (42) и (43). Здесь — коэффициент, учитывающий влияние относительной шероховатости и определяемый по уравнению [2, 3]

Безразмерный радиус осесимметричного ядра потока

(45)

Коэффициент крутки в ядре потока, связывающий значения вращательной скорости на внешней и внутренней границах квазипотенциальной зоны течения потока, однозначно определяется радиусом и может быть найден аналитически. Зависимость = (), как показывает анализ решения и обобщение опытных данных ряда исследований [12], хорошо описывается сравнительно простым выражением

(46)

Безразмерная вращательная скорость на границе ядра потока может быть определена через величину = безразмерного момента количества движения. Последний, как показывает обработка большого количества экспериментальных данных [3], зависит лишь от одной геометрической характеристики — эффективной относительной площади входа

(47)

Как следует из уравнения (47), представляет собой отношение суммарной площади входа к условной площади пристеночной зоны, радиальная протяженность (ширина) которой ограничена радиусом. Последний зависит практически от всех геометрических характеристик циклонной камеры.

Результаты обобщения опытных данных по (для области приближенной автомодельности) аппроксимированы формулой [3,17]

(48)

где — поправочный коэффициент, учитывающий влияние относительной шероховатости поверхности [2],

(49)

При > 1отношение следует принимать равным единице. Вращательная скорость на границе ядра потока

(50)

Безразмерная максимальная вращательная составляющая скорости течения в ядре потока

(51)

Для приближенных расчетов распределения при 1??, учитывая квазипотенциальный характер течения, можно использовать уравнение (46) при замене на и на. Тогда распределение в квазипотенциальной зоне (1<<) может быть аппроксимировано уравнением

(52)

В зоне квазитвердого вращения (0? ? 1) распределение может быть описано формулой

(53)

Подставляя аппроксимационные зависимости (52) и (53) в уравнение радиального равновесия (2) и интегрируя его в пределах изменения безразмерных радиусов от до (- безразмерный радиус рабочего объема; - безразмерный радиус, соответствующий нулевому значению избыточного статического давления), получаем выражения для определения безразмерного избыточного статического давления на боковой поверхности циклонной камеры.

При

(54)

2,88 472

В диапазоне относительной длины = 1ч2 в соответствии с опытными данными? 0,6•, где =. Соотношение статических давлений на боковой поверхности циклонной камеры и во входных каналах характеризует относительное уменьшение запаса потенциальной энергии на входе в камеру и может быть рассчитано по формуле [3]

; (56)

Суммарный коэффициент сопротивления циклонной камеры определяется по общей зависимости (33).

Распределение безразмерного статического давления по радиусу циклонной камеры в соответствии с уравнениями (2), (52) и (53) описывается следующими соотношениями: для зоны квазитвердого вращения

; (57)

для зоны квазипотенциального вращения ()

(58)

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Галеркин Ю. Б., Рекстин Ф. С. Методы исследования центробежных компрессорных машин.- Л.: Машиностроение, 1969, с. 107−164.

2. Карпов СВ., Сабуров Э. Н. К обобщению экспериментальных данных по аэродинамике циклонных камер, — Изв. высш. учеб. заведений. Лесной журнал, 1977, № 7, с. 119−122.

3. Карпов СВ., Сабуров Э. Н. Методика расчета аэродинамических характеристик циклонных камер.- Химическое и нефтяное машиностроение, 1977, № 7, с. 20−22.

4. Карпов СВ., Сабуров Э. Н. Перспективы использования циклонных камор в деревообрабатывающей промышленности и особенности их расчета, — В кн.: Тезисы докладов научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых на тему «Комплексное использование древесины», Архангельск, 1977, с. 52−54.

5. Повх И. Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении, — Л.: Машиностроение, 1974, с. 164−210.

6. Теплотехнические основы циклонных топочных и технологических процессов/ А. Б. Резников, Б. П. Устименко, В. В. Вышенский, М. Р. Курмангалиев.- Алма-Ата: Наука, 1974.-374 с.

7. Руководство к практическим занятиям в лаборатории по процессам к аппаратом химической технологии, — Л.: Химия, 1969, с. 25−34.

8. Сабуров Э. Н. Аэродинамика циклонно-вихревых нагревательных; устройств, — Архангельск: РИО АЛТИ, I976.-87 с.

9. Сабуров Э. Н. Влияние конструкции выхода на аэродинамику циклонно-вихревых нагревательных устройств.- Архангельск: РИО АЛТИ,

1. 1976.-44 с.

10. Сабуров Э. Н. Влияние конструкции входа на аэродинамику циклонно-вихревых нагревательных устройств.- Архангельск: РИО АЛТИ, 1977.-32 с.

11. Сабуров Э. Н. Влияние длины, шероховатости и входного числа Рейнольдса на аэродинамику циклонно-вихревых нагревательных устройств, — Архангельск: РИО АЛТИ, 1977,-31 с.

12. Сабуров Э. Н. Методика аэродинамического расчета циклонно-вихревых нагревательных устройств, — Архангельск: РИО АЛТИ, 1978.-32 с.

13. Сабуров Э. Н. Теплоотдача в поле центробежных сил: Конспект лекций.- Л.: Изд. ЛТА, 1979.-45 с.

14. Сабуров Э. Н., Карпов С. В. О методике расчета аэродинамику циклонно-вихревых нагревательных устройств, — Изв. высш. учеб. заведений. Энергетика, 1975, № 8, с. 71−77.

15. Сабуров Э. Н., Карпов С. В. О некоторых особенностях аэродинамики циклонных камер в неавтомодельной области течения потока, — Изв. шсш. учеб. заведений. Энергетика, 1974, № 11, с. 60−66.

16. Сабуров Э. Н., Карпов С. В. О сопротивлении циклонных камер в неавтомодельной области течения потока. — Инж.-физ. журнал, 1975, т. 28, № 2, с. 354−355.

17. Сабуров Э. Н., Карпов С. В. Основные закономерности аэродинамики циклонных топочных устройств, — В кн.: Краткие тезисы докладов к Всесоюзной конференции «Состояние и перспектива развития энергетики в лесной и деревообрабатывающей промышленности», Архангельск, 1976, с. 38−11.

18. Устименко Б. П. Процессы турбулентного переноса во вращающихся течениях.- Алма-Ата: Наука, 1977, 228 с.

19. Циклонные топки/ Под ред. Г. Ф. Кнорре и М. А. Наджарова. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958. 216 с.

20. Эстеркин Р. К., Иссерлин А. С., Певзнер М. И. Методы теплотехнических измерений и испытаний при сжигании газа, — Л.: Недра, 1972, с. 16−64.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Расчет распределений скоростей и давлений в циклонной камере, определение основных аэродинамических характеристик

График 1- Распределение безразмерных тангенсальных и осевых скорости по радиусу циклонной камеры — w_x=f®; w_ц=f®

График 2 — Распределение избыточного статистического и полного давления по радиусу циклонной камеры — P_c=f® P_n=f®

График 3 — Расчетное распределение безразмерной тангенсальной скорости и её сопоставление с опытными данными — w_ц=f (?) и w_ц=f (?)

График 4 — Расчетное распределение статистического давления и его сопоставление с опытными данными — P_c = f (?) и ?_c = f (?)