Исходныеданные
Геометрическиеи режимные характеристики циклонной камерыНаименование параметра Обозначение Величина Размер.
1. Диаметр камеры
2. Безразмерная длина камеры
3. Безразмерная площадь входа
4. Безразмерная высота входного канала
5. Безразмерный диаметр выходного отверстия
6. Безразмерная шероховатость боковой поверхности камеры
7. Температура воздуха на входе
8. Барометрическое давление
9. Избыточное статическое давление во входных каналах
10. Избыточное статическое давление на боковой поверхности камеры
11. Скорость воздуха на входе в камеру
Dk
LK
flx
hlx
dвых
б
Твх
В
Рс.вх.
Рс.ст.
Uвх
0,31
1,55
0,0477
0,0645
0,3
29,3
749,5
348,9
335,1
25,6
м
-
-
-
-
-
ºС
мм. рт. ст.
мм. вод.
ст.
мм. вод.
ст.
м/с
Результатыаэродинамических измерений в рабочем объемеN Y A1 A2 УГОЛ 26 1 17,2 348,0 -4 2 5 45,8 370,3 -5 3 5 67 384,3 -14 4 5 65,6 384,5 14,5 5 5 60 377,0 -13,5 6 5 54 367,2 -12 7 5 49 358,0 -7 8 5 49 351,3 -4,5 9 5 51,6 350,2 -3 10 5 55 348,0 11 7,5 61,2 348,0 12 7,5 71 346,0 2 13 7,5 82,6 341,0 3,5 14 7,5 97,2 341,0 3,5 15 7,5 117,3 338,0 3,5 16 7,5 143 333,0 2 17 7,5 168,8 320,5 1 18 7,5 195,5 298,6 1 19 5 208 274,0 4,5 20 5 204,5 233,0 4,5 21 5 191 180,0 6,5 22 7,5 142 75,0 3 23 7,5 79 -34,0 -1 24 7,5 30,5 -110,5 -15,5 25 7,5 7,5 -147,0 -41,5 26 2 5,5 -152,5 -62
1. Общая картинадвижения газа в циклонной камере
Циклонная камера представляет собой цилиндр,тангенциально к внутренней поверхности которого вводится газ или жидкость.
Вывод газовиз рабочего объема циклонной камеры, как правило, осуществляется через соосноес ним выходное отверстие в одном из торцов. Поле скоростей потока в циклонныхкамерах отличается сложностью и пространственностью. В любой точке поля векторскорости можно разделить на три составляющие (компоненты): тангенциальную wj (вращательную), осевую wx(продольную) и радиальнуюwz. В общем случае соотношение между этими компонентами может бытьразличными по величине в зависимости от местоположения рассматриваемой точкиполя скоростей и геометрии циклонной камеры. По характеру изменения компонентскорости потока весь рабочий объем циклонной камеры можно разделить на триосновные области: осесимметричное ядро потока, приторцевые зоны течения ипериферийную пристенную зону (рисунок 1).
Ядро потоказанимает основную часть рабочего объема камеры. Внешней границей ядра потокаявляется цилиндрическая поверхность, радиус которой rz может быть найден изусловия максимума момента количества движения. С торцевых поверхностей ядропотока ограничено зоной интенсивных радиальных течений, где наблюдается падениевращательной составляющей скорости и значительное повышение радиальнойкомпоненты. В пределах ядра потока тангенциальная составляющая имеет наибольшуюиз всех трех компонент величину. В соответствии с характером ее распределенияпо радиусу 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 радиальнойпротяженности переходным участком. Размеры зон возрастания и падениятангенциальной составляющей, так же как протяженность переходного участка иобщий уровень вращательной скорости, определяются геометрией циклонной камеры.Вращательная составляющая скорости в ядре потока значительно превышает другиекомпоненты скорости, поэтому основным видом движения считают вращательное. Изкурса физики известно, что при равномерном движении по окружности радиуса r равнодействующая сил dF, действующих на элемент жидкости,должна быть равна по модулю /> инаправлена к центру окружности. Если исключить из рассмотрения вследствие ихотносительной малости силы трения, обусловленные вязкостью, и условиеравновесия рассматривать применительно к единице объема среды, то условиерадиального равновесия потока, в рассматриваемом случае будет определятсяуравнением />.
/>
Рисунок 2 – Распределениевращательной составляющей скорости, статического и полного давлений в циклоннойкамере.
Статистическоеи полное давления максимальны на внешней границе ядра потока и падают понаправлению от стенки к оси камеры. В приосевой области при определенных условияхстатистическое и полное давления потока могут быть ниже атмосферного (рисунок2).
Впериферийной зоне, так же как и в ядре, вращательная составляющая являетсянаибольшей из всех компонент. Профиль wj в этой области неосесимметричен и непрерывно перестраивается по мере продвижения потока увогнутой поверхности рабочего объема. Начальное же распределение wj- распределение на выходеиз входного шлица / сопла/ – зависит от характера течения потока / профиляскорости/ внутри и вне его. Сложность течения определяется тем, что выходящаяструя в рабочем объеме взаимодействует сразу и со спутным, вращающимсяотносительно оси камеры потоком, и с вогнутой цилиндрической стенкой камеры.Взаимодействие струи со стенкой приводит к закручиванию потока. Частицы средывблизи стенки начинают двигаться по спиральным траекториям, причем направлениевектора их скорости в пристенном слое струи определяется совокупным влиянием,например, положения рассматриваемого канала относительно других каналов иторцевых поверхностей рабочего объема, интенсивностью торцевых перетечек, которыев свою очередь зависят практически от всех геометрических характеристик камеры
Особенноститечения потока в приторцевых областях циклонных камер связаны сподтормаживающим действием торцевых поверхностей. Вблизи торцевых поверхностейвращательная составляющая скорости уменьшается, и появляется интенсивноерадиальное течение, направленное к центру камеры со скоростью, котораяобуславливает появление сил трения, компенсирующих возникшее нарушениединамического равновесия в рассматриваемой области. Сложность картиныдополняется взаимодействием возникшего течения с ядром потока. Статическоедавление поперек этой области практически не изменяется на всех радиусах.
Условиястока, неравномерность распределения вращательных скоростей потока по длинерабочего объема, обусловленная геометрией камеры и трением потока о стенки, атакже имеющееся в некоторых случаях разрежение в приосевой зоне определяютдовольно сложное поле осевых скоростей в циклонных устройствах.
С точкизрения общих аэродинамических характеристик циклонных камер, основным видомдвижения газа следует считать вращательное. Главной характеристикойвращательного движения в циклонной камере является максимальная вращательнаяскорость потока /> (Рисунок 2). Онаудачно характеризует общий уровень вращательного движения газа в рабочем объеме.При струйном представлении циклонного потока /> являетсяскоростью потока на внешней границе струйного пограничного слоя, обращенного коси камеры.
Второйскоростной характеристикой ядра потока в циклонной камере является вращательнаяскорость на его внешней границе />. Этаскорость является интегральной характеристикой аэродинамических процессов, связанныхс истечением газа из шлицев, распространением его струй у боковой поверхностикамеры, взаимодействием пристенной зоны течения с ядром и приторцевымипотоками.
Обескоростные характеристики связаны между собой коэффициентом крутки в ядрепотока: />.
Общеесопротивление циклонной камеры оценивается по суммарному коэффициентусопротивлению x. Введение этого коэффициента оправдано удобством в выполненииаэродинамических расчетов циклонных устройств. С точки зрения же анализавлияния геометрических и режимных характеристик на сопротивление циклоннойкамеры он является менее удачной характеристикой, так как не позволяетпроследить изменение его составляющих и не связан непосредственно соскоростными характеристиками потока. В этом смысле более удачным являетсясуммарный коэффициент сопротивления вида />.С помощью него можно определить затраты энергии на создание определенногоуровня вращательных скоростей в устройстве. Фактически он определяетаэродинамическую эффективность циклонной камеры.
2. Влияниеосновных конструктивных и режимных характеристик на аэродинамику циклоннойкамеры
Особенносильное влияние на аэродинамику циклонной камеры оказывает диаметр выходногоотверстия. Уменьшение /> приводит к ростувеличины />, значения статистическогодавления на боковой поверхности камеры Рс.ст., уменьшению характерного радиуса /> и других характеристикрадиусов ядра потока. При этом наблюдается существенная перестройка профилей /> и />. В то же время влияние /> на поток в пристенной зонепрактически мало существенно.
Увеличениеотносительной суммарной площади входа циклонной камеры приводит к повышениюуровня вращательных и осевых скоростей, статистического давления и смещениюхарактерных радиусов в ядре потока в приосевую область, а границы ядра потока –в периферийную область рабочего объема.
Относительнаявысота шлицев основное влияние оказывает на поток в пристенной зоне. Сувеличением />уменьшаются потери нарасширение струи и вихреобразование у кромок шлицев, поэтому возрастает уровень/> во всей пристенной зонетечения, в том числе и величина />.
Распределенностьшлицев по периметру камеры (увеличение а) способствует повышению осевойсимметрии потока в ядре и равномерности распределения скоростей в периферийнойзоне. Относительная длина камеры оказывает влияние, как на структуру, так и наобщие аэродинамические характеристики потока. При росте /> несколько увеличиваетсярадиальная протяженность пристенной зоны течения.
Повышениешероховатости поверхности рабочего объема циклонной камеры приводит к снижениюуровня вращательных скоростей, уменьшению сопротивления камеры. Повышение /> приводит к некоторойперестройке поля осевых скоростей, особенно в центре рабочего объема камеры. Сростом />может быть ликвидированосевой обратный ток, увеличивается радиальная протяженность и уровеньмаксимальной осевой скорости выходного вихря.
Трение потокао стенки оказывает влияние на уровень вращательных скоростей в рабочем объеме,следовательно, на величину затрат на достижение определенного уровня крутки ивеличины входной и выходной составляющих суммарного коэффициента сопротивления.Коэффициент кинематической вязкости потока при входных условиях /> приводит к снижению коэффициентатрения и, следовательно, к снижению тормозящего действия внутренней поверхностирабочего объема. Так как сопротивление формы не зависит от числа Рейнольдса, тои сопротивление циклонной камеры в этом случае не зависит от />. Течение потока становитсяавтомодельным. В общем изменение суммарного коэффициента сопротивления камеры сувеличением числа />можно представитьследующим образом: при ламинарном режиме течения, если он возможен, x, вероятно, будетувеличиваться и достигнет максимума при критическом значении числа Рейнольдса,в переходном режиме x убывает, при турбулентном промежуточном режиме,в отличие от двух предыдущих, характер изменения x начинает существенноменяться от относительной шероховатости поверхности рабочего объема, и, в зависимостиот величины d, может иметь место и падение, и увеличение x; в режиме развитойшероховатости суммарный коэффициент сопротивления не меняется.
Загрузкаобъема циклонной камеры различного рода вставками не вызывает коренных измененийв картине распределения скоростей. В то же время она оказывает влияниепрактически на все аэродинамические характеристики потока.
3.Описание экспериментального стенда и методики измерений
Основнымэлементом стенда является модель циклонной камеры 10, выполненная из оргстекла.Размеры рабочего объема камеры: диаметр Dк=2Rк=310 мм, длина Lк=1,55. Ввод воздуха вкамеру производится двумя расположенными тангенциально к внутренней поверхностирабочего объема входными каналами (шлицами) прямоугольной формы длиной ℓвх=257 мми высотой hвх = 24 мм из раздаточного короба-ресcивера 9. Отвод газа изкамеры осуществляется через плоский торец с круглым осесимметричным выходнымотверстием, безразмерный диаметр которого />выхможно варьировать в диапазоне значений от 0,2 до 0,6.
В качестведутьевого устройства 2 используется воздуходувка. Измерение расхода воздухачерез установку производят методом снятия поля скоростей пневмометрическимнасадком 6 в мерном сечении подводящего трубопровода 5.
Температуравоздуха, подаваемого в циклонную камеру, измеряют ртутными лабораторными термометрами4, 7, установленными в гильзах в начале измерительного участка трубопровода инепосредственно перед циклонной камерой.
Отборстатистического давления во входных каналах и на боковой поверхности моделиосуществляется через дренажные отверстия диаметром 0,7 мм. В качествеизмерительного прибора используется дифференциальный водяной манометр 14,соединяемый с соответствующими точками отбора давления переключателем 15.
В объемекамеры производится снятие распределений скоростей и давлений в одном илинескольких сечениях в качестве пневмометрического насадка 12 используетсятрехканальный цилиндрический зонд с диаметром приемной части 2,6 мм(рисунок 4). Как показывают тарировочные опыты, введение измерительного насадкав рабочий объем модели не вносит существенных возмущений в поток. Перемещениезонда в измерительном сечении и его аэродинамическая ориентировка в потоке попоказаниям микроманометра производятся координатником с ручным приводомконструкции ЛПИ им. М.И. Калинина. Координатник крепится специальнымзажимами к каретке, которую можно перемещать. Пуск экспериментального стендапроизводится путем включения воздуходувки с электрощита управления при закрытойзаслонке на воздухопроводе.
Трехканальные цилиндрические зондыприменяются для исследования практически плоского потока. Приближенно циклонныйпоток в пределах его ядра можно рассматривать как плоский. Насадок 3 имеет триотверстия диаметром 0,3–0,4 мм, находящиеся на его боковой поверхности водной плоскости, перпендикулярной оси зонда, на определенном (не менее 2d) расстоянии от торца. Боковые отверстия по отношению кцентральному располагаются симметрично, причем угол между их осями долженсоставлять />. Пуск экспериментальногостенда производится путем включения воздуходувки с электрощита управления призакрытой заслонке 3 (рисунок 1) на воздухопроводе.
Прежде чемприступить к производству замеров, необходимо вывести установку на стационарныйрежим. Для этого обычно требуется 30–40 мин. Убедившись в достижениистационарного режима, приступают к проведению эксперимента.
Подифференциальному водяному манометру 1 (рисунок 4) отсчитывают перепад давленияА1 между центральным и одним из боковых отверстий, пропорциональныйнапору в данной точке потока, а по дифманометру 2 (рисунок 4) – полный напор А2.Угол скоса поток φ определяют по лимбу координатника с ценой деления 10.Полученные данные позволяют определить полную скорость потока и еетангенциальную (вращательную) и осевую составляющие, а так же статическоедавление.
Принеобходимости исследования пространственного трехмерного потока обычноприменяют шаровые зонды. Приемная часть зонда имеет вид сферы, в которойимеется пять отверстий отбора давления. Отверстия расположены в двухперпендикулярных друг другу диаметральных плоскостях. Угол между осямицентрального и каждого из боковых отверстий составляет 40/>500. Всеотверстия соединены с измерительными штуцерами импульсными трубками.
Порядокработы с шаровым зондом принципиально ничем не отличается от приведенного вышедля цилиндрического. Разница заключается лишь в необходимости дополнительногозамера перепада А3.
4. Расчетраспределений скоростей и давлений в циклонной камере
Избыточноестатистическое давление потока в точке замера, мм. вод. ст.:
/>
Плотность воздуха впроизвольной точке потока, кг/м3:
/>
Полнаяскорость потока в точке замера, м/с:
/>
Безразмернаяосевая составляющая полной скорости:
/>
Безразмернаявращательная составляющая полной скорости потока:
/>
Плотностьвоздуха во входных каналах циклонной камеры кг/м3:
/>
Безразмерноеизбыточное статистическое давление в точке замера:
/>
Безразмерноеизбыточное полное давление в точке замера:
/>
Избыточноебезразмерное статистическое давление воздуха на боковой поверхности циклонной камеры:
/>
Соотношениеизбыточных статистических давлений на боковой поверхности и во входных каналах:
/>
/>
Суммарныйкоэффициент сопротивления по входу x:
/>
Коэффициенткинематической вязкости воздуха при входных условиях, м2/с:
/>
Число Рейнольдса,определяющее начало автомодельной области течения:
/>
/>
/>
Сравнивая значения/> и />, делаем вывод, что течениепотока будет не автомодельным, так как /> ./> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
5. Расчетраспределения скоростей и давлений по методике аэродинамического расчета
Безразмернаяплощадь входа:
/>
Безразмерный среднийрадиус входа потока:
/>
Безразмерный радиус ядрапотока:
/>
Относительная площадьвыхода потока:
/>
Соотношение площадейвхода и выхода потока:
/>
Безразмерный радиус:
/>
где:
/>,
/>
/>,
/>0,2543.
Безразмерный радиусосесимметричного ядра потока:
/>
Коэффициент крутки в ядрепотока:
/>
Эффективная относительнаяплощадь входа
/>
Результат обобщенныхданных:
/>,
где:
/>,
/>.
Вращательная скорость награнице ядра потока:
/>
Безразмерная максимальнаявращательная составляющая скорости течения в ядре потока:
/>
В зоне квазитвердоговращения распределение:
/>
где
/>,
/>
Распределение вквазипотенциальной зоне:
/>
где:
/>,
/>.
Избыточное статистическоедавление на боковой поверхности циклонной камеры:
/>
/>
/>
/>
/>
Соотношениестатистических давлений на боковой поверхности циклонной камеры и во входныхканалах:
/>/>
Суммарный коэффициентсопротивления циклонной камеры:
/>
Распределениебезразмерного статистического давления по радиусу циклонной камеры для зоныквазитвердого вращения:
/>,/>
Для зоныквазипотенциального вращения:
/>,
/>