Аэродинамика циклонной камеры

Исходные данные

Геометрические и режимные характеристики циклонной камеры

Результаты аэродинамических измерений в рабочем объеме

1. Общая картина движения газа в циклонной камере

Циклонная камера представляет собой цилиндр, тангенциально к внутренней поверхности которого вводится газ или жидкость.

Вывод газов из рабочего объема циклонной камеры, как правило, осуществляется через соосное с ним выходное отверстие в одном из торцов. Поле скоростей потока в циклонных камерах отличается сложностью и пространственностью. В любой точке поля вектор скорости можно разделить на три составляющие (компоненты): тангенциальную w_j (вращательную), осевую w_x(продольную) и радиальную w_z. В общем случае соотношение между этими компонентами может быть различными 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 можно разделить на три основные области: осесимметричное ядро потока, приторцевые зоны течения и периферийную пристенную зону (рисунок 1).

Ядро потока занимает основную часть рабочего объема камеры. Внешней границей ядра потока является цилиндрическая поверхность, радиус которой r_z 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 составляющая имеет наибольшую из всех трех компонент величину. В соответствии с характером ее распределения по 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 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. Вращательная составляющая скорости в ядре потока значительно превышает другие компоненты скорости, поэтому основным видом движения считают вращательное. Из курса физики известно, что при равномерном движении по окружности радиуса r равнодействующая сил dF, действующих на элемент жидкости, должна быть равна по модулю и направлена к центру окружности. Если исключить из рассмотрения вследствие их относительной малости силы трения, обусловленные вязкостью, и условие равновесия рассматривать применительно к единице объема среды, то условие радиального равновесия потока, в рассматриваемом случае будет определятся уравнением .

Рисунок 2 – Распределение вращательной составляющей скорости, статического и полного давлений в циклонной камере.

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 (рисунок 2).

В периферийной зоне, так же как и в ядре, вращательная составляющая является наибольшей из всех компонент. Профиль w_j в этой области не осесимметричен и непрерывно перестраивается по мере продвижения потока у вогнутой поверхности рабочего объема. Начальное же распределение w_j- 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

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, 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.

С точки зрения общих аэродинамических характеристик циклонных камер, основным видом движения газа следует считать вращательное. Главной характеристикой вращательного движения в циклонной камере является максимальная вращательная скорость потока (Рисунок 2). Она удачно характеризует общий 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.

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: .

Общее сопротивление циклонной камеры оценивается по суммарному коэффициенту сопротивлению x. Введение этого коэффициента оправдано удобством в выполнении аэродинамических расчетов циклонных устройств. С точки зрения же анализа влияния геометрических и режимных характеристик на сопротивление циклонной камеры он является менее удачной характеристикой, так как не позволяет проследить изменение его составляющих и не связан непосредственно со скоростными характеристиками потока. В этом смысле более удачным является суммарный коэффициент сопротивления вида . С помощью него можно определить затраты энергии на создание определенного уровня вращательных скоростей в устройстве. Фактически он определяет аэродинамическую эффективность циклонной камеры.

2. Влияние основных конструктивных и режимных характеристик на аэродинамику циклонной камеры

Особенно сильное влияние на аэродинамику циклонной камеры оказывает диаметр выходного отверстия. Уменьшение приводит к росту величины , значения статистического давления на боковой поверхности камеры Рс.ст., уменьшению характерного радиуса и других характеристик радиусов ядра потока. При этом наблюдается существенная перестройка профилей и . В то же время влияние 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.

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 .

Распределенность шлицев по периметру камеры (увеличение а) способствует повышению осевой симметрии потока в ядре и равномерности распределения скоростей в периферийной зоне. Относительная длина камеры оказывает влияние, как на структуру, так и на общие аэродинамические характеристики потока. При росте несколько увеличивается радиальная протяженность пристенной зоны течения.

Повышение шероховатости поверхности рабочего объема циклонной камеры приводит к снижению уровня вращательных скоростей, уменьшению сопротивления камеры. Повышение приводит 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.

Трение потока о стенки 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. Коэффициент кинематической вязкости потока при входных условиях приводит к снижению коэффициента трения и, следовательно, к снижению тормозящего действия внутренней поверхности рабочего объема. Так как сопротивление формы не зависит от числа Рейнольдса, то и сопротивление циклонной камеры в этом случае не зависит от . Течение потока становится автомодельным. В общем изменение суммарного коэффициента сопротивления камеры с увеличением числа можно представить следующим образом: при ламинарном режиме течения, если он возможен, x, вероятно, будет увеличиваться 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 существенно меняться от относительной шероховатости поверхности рабочего объема, и, в зависимости от величины d, может иметь место и падение, и увеличение x; в режиме развитой шероховатости суммарный коэффициент сопротивления не меняется.

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 потока.

3. Описание экспериментального стенда и методики измерений

Основным элементом стенда является модель циклонной камеры 10, выполненная из оргстекла. Размеры рабочего объема камеры: диаметр Dк=2R_к=310 мм, длина L_к=1,55. Ввод воздуха в камеру производится двумя расположенными тангенциально к внутренней поверхности рабочего объема входными каналами (шлицами) прямоугольной формы длиной ℓ_вх=257 мм и высотой h_вх = 24 мм из раздаточного короба-ресcивера 9. Отвод газа из камеры осуществляется через плоский торец с круглым осесимметричным выходным отверстием, безразмерный диаметр которого _вых можно варьировать в диапазоне значений от 0,2 до 0,6.

В качестве дутьевого устройства 2 используется воздуходувка. 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 качестве пневмометрического насадка 12 используется трехканальный цилиндрический зонд с диаметром приемной части 2,6 мм (рисунок 4). 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 производятся координатником с ручным приводом конструкции ЛПИ им. М.И. Калинина. Координатник крепится специальным зажимами к каретке, которую можно перемещать. Пуск экспериментального стенда производится путем включения воздуходувки с электрощита управления при закрытой заслонке на воздухопроводе.

Трехканальные цилиндрические зонды применяются для исследования практически плоского потока. Приближенно циклонный поток в пределах его ядра можно рассматривать как плоский. Насадок 3 имеет три отверстия диаметром 0,3–0,4 мм, находящиеся на его боковой поверхности в одной плоскости, перпендикулярной оси зонда, на определенном (не менее 2d) расстоянии от торца. Боковые отверстия по отношению к центральному располагаются симметрично, причем угол между их осями должен составлять . Пуск экспериментального стенда производится путем включения воздуходувки с электрощита управления при закрытой заслонке 3 (рисунок 1) на воздухопроводе.

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

По дифференциальному водяному манометру 1 (рисунок 4) отсчитывают перепад давления А₁ между центральным и одним из боковых отверстий, пропорциональный напору в данной точке потока, а по дифманометру 2 (рисунок 4) – полный напор А₂. Угол скоса поток φ определяют по лимбу координатника с ценой деления 1^0. Полученные данные позволяют определить полную скорость потока и ее тангенциальную (вращательную) и осевую составляющие, а так же статическое давление.

При необходимости исследования пространственного трехмерного потока обычно применяют шаровые зонды. Приемная часть зонда имеет вид сферы, в которой имеется пять отверстий отбора давления. Отверстия расположены в двух перпендикулярных друг другу диаметральных плоскостях. Угол между осями центрального и каждого из боковых отверстий составляет 4050⁰. Все отверстия соединены с измерительными штуцерами импульсными трубками.

Порядок работы с шаровым зондом принципиально ничем не отличается от приведенного выше для цилиндрического. Разница заключается лишь в необходимости дополнительного замера перепада А₃.

4. Расчет распределений скоростей и давлений в циклонной камере

Избыточное статистическое давление потока в точке замера, мм. вод. ст.:

Плотность воздуха в произвольной точке потока, кг/м³:

Полная скорость потока в точке замера, м/с:

Безразмерная осевая составляющая полной скорости:

Безразмерная вращательная составляющая полной скорости потока:

Плотность воздуха во входных каналах циклонной камеры кг/м³:

Безразмерное избыточное статистическое давление в точке замера:

Безразмерное избыточное полное давление в точке замера:

Избыточное безразмерное статистическое давление воздуха на боковой поверхности циклонной камеры:

Соотношение избыточных статистических давлений на боковой поверхности и во входных каналах:

Суммарный коэффициент сопротивления по входу x:

Коэффициент кинематической вязкости воздуха при входных условиях, м²/с:

Число Рейнольдса, определяющее начало автомодельной области течения:

Сравнивая значения и , делаем вывод, что течение потока будет не автомодельным, так как < .

5. Расчет распределения скоростей и давлений по методике аэродинамического расчета

Безразмерная площадь входа:

Безразмерный средний радиус входа потока:

Безразмерный радиус ядра потока:

Относительная площадь выхода потока:

Соотношение площадей входа и выхода потока:

Безразмерный радиус:

где:

,

,

0,2543.

Безразмерный радиус осесимметричного ядра потока:

Коэффициент крутки в ядре потока:

Эффективная относительная площадь входа

Результат обобщенных данных:

,

где:

,

.

Вращательная скорость на границе ядра потока:

Безразмерная максимальная вращательная составляющая скорости течения в ядре потока:

В зоне квазитвердого вращения распределение:

где

,

Распределение в квазипотенциальной зоне:

где:

,

.

Избыточное статистическое давление на боковой поверхности циклонной камеры:

Соотношение статистических давлений на боковой поверхности циклонной камеры и во входных каналах:

Суммарный коэффициент сопротивления циклонной камеры:

Распределение безразмерного статистического давления по радиусу циклонной камеры для зоны квазитвердого вращения:

,

Для зоны квазипотенциального вращения:

,