Аэродинамика циклонной камеры

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 263203

Курской Сергей Витальевич

Руководитель проекта Леухин Ю.Л.

Архангельск 2014

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

по дисциплине Гидрогазодинамика

студенту ИЭиТ курса3 группы 263203 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

СОДЕРЖАНИЕ

1. Общая картина движения газа в циклонной камере

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

2.1 Измерение расхода воздуха

.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 ÷ 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 ω_φ (вращательную), ω_х осевую (продольную) и радиальную ω_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 [13]. 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 ω_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 w_j по направлению к периферии, уменьшению сопротивления камеры. Профиль w_j 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 ξ (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость ξ = ξ (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 ξ зависит от d 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 ξ. 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, ξ, вероятно, будет увеличиваться и достигнет максимума при критическом значении числа Рейнольдса, в переходном режиме ξ убывает, при турбулентном промежуточном режиме, в отличие от двух предыдущих, характер изменения ξ начинает существенно меняться от относительной шероховатости поверхности рабочего объема, и, в зависимости от величины d, может иметь место и падение, и увеличение ξ; 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 ℓ_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 [1] (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 420÷480 мм вод. ст. (4,12÷4,71 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 ÷ 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;- 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 0,3÷0,4мм, 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 ÷ 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 φ 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 ρ, 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.

, (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 [14].

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)

2,88472

В диапазоне относительной длины  = 1÷2 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.

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

.        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.

.        Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении,- Л.: Машиностроение, 1974, с. 164-210.

.        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.

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

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

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

1.   1976.-44 с.

.     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.

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

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

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

.        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.

.        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.

.        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.

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

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

.        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 - ŵ_x=f(r); ŵ_φ=f(r)

График 2 - Распределение избыточного статистического и полного давления по радиусу циклонной камеры - P_c=f(r) P_n=f(r)

График 3 - Расчетное распределение безразмерной тангенсальной скорости и её сопоставление с опытными данными - ŵ_φ=f(ɳ) и w_φ=f(ɳ)

График 4 - Расчетное распределение статистического давления и его сопоставление с опытными данными - P_c = f(ɳ) и Ṕ_c = f(ɳ)