CC BY
53
группах c различными патогенетическими формами аллергической риносинусопатии, осложнённой хламидиозом и без него, в периоды обострения и ремиссии [3,13].
Отоларингологические заболевания являются большой социально-экономической проблемой, связанной не только со стремительным ростом распространенности, но и тяжестью течения этих заболеваний. Были проанализированы данные по тугоухости у мигрантов Севера [9].
Как говорилось выше, эффект группового стресса проявляется не только для биологических систем, но и для других. Так, в работе [11] исследовано экономическое состояние 30 крупнейших компаний Британии в период с 03.01.2006 по 20.11.2008.
Позднее, для Российской экономической системы этот метод был применен для оценки ситуации в банковской системе во время кризиса. Анализировались данные крупнейших банков России за период 2007-2010 год [10].
Доказано, что в период экономических кризисов корреляции между выделенными признаками компаний увеличивались. Что объяснимо, так как кризис - это некомфортное, неестественное состояние для экономических объектов.
Таким образом, для многих экстремальных ситуаций было выявлено, что взаимосвязь параметров системы объектов может служить наилучшей оценкой напряженности системы. Далее встает вопрос о необходимости разработки программного обеспечения для реализации этого метода. Такая программная экспресс-оценка наглядно показала бы, как протекает процесс адаптированности к воздействию неблагоприятных факторов, можно проанализировать поведение системы в условиях стресса.
Литература
1. Анохин П.К. Узловые вопросы теории функциональной системы. - М.: Наука, 1980. - 197 с.
2. Горбань А.Н., Манчук В.Т., Петушкова Е.В. Динамика корреляций между физиологическими параметрами при адптации и эколого-эволюционный принцип полифакториальности // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. - Л., 1987. - С. 187-198.
3. Игнатова И.А., Смирнова С.В., Покидышева Л.И., Манчук В.Т. Аллергическая риносинусопатия у жителей Крайнего Севера и средних широт Восточной Сибири (вопросы распространенности, этиологии, патогенеза). Математическое моделирование. // Красноярск: Изд-во КГПУ им. В.П. Астафьева, 2005. - 206 с.
4. Седов К.Р., Горбань А.Н., Петушкова Е.В., Манчук В.Т., Шаламова Е.Н. Корреляционная адаптометрия как метод диспансеризации населения. // Вестн. АМН СССР. - 1988.-N10.- C. 69-75.
5. Селье Г. Очерки об адаптационном синдроме. - М: Медгиз, 1960. - 255 с.
6. Светличная Г.Н., Смирнова Е.В., Покидышева Л.И. Корреляционная адаптометрия как метод оценки кардиоваскулярного и респираторного взаимодействия // Физиология человека. -1997. - Т.23. - №3. - С.58-62.
7. Светличная Г.Н., Смирнова Е.В., Покидышева Л.И. Оценка физической работоспособности и функциональной системы, обеспечивающей ее, методом корреляционной адаптометрии // Красноярск: ИФ СО РАН. - Препринт. - 1995. - 36 с.
8. Покидышева Л.И., Белоусова Р.А., Смирнова Е.В. Метод корреляционной адаптометрии в оценке секреторной функции желудка у детей в условиях Севера // Вестник Российской Академии медицинских наук. - 1996. - №5. - С. 42-45.
9. Покидышева Л.И., Игнатова И.А. Корреляционная адаптометрия и метод главных компонент в оценке адаптационных возможностей иммунной системы // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. - 2011. - Т.10. -№1. -С. 152157.
10. Покидышева Е.В., Покидышева Л.И., Янкина И.А. Метод корреляционной адаптометрии в оценке сопряженности денежно-кредитной и банковской политик в период кризиса // Интеграл. - 2010. - №3. - С. 44-46.
11. А.№ Gorban, E. V. Smirnova, T. A. Tyukina, General Laws of Adaptation to Environmental Factors: From Ecological Stress to Financial Crisis. // Math. Model. Nat. Phenom. - 2009, Vol. 4 No. 6. - PP. 1-53.
12. A.N. Gorban, L. I Pokidysheva, E.V. Smirnova, T.A. Tyukina Law of the Minimum Paradoxes / Bull. Math. Biology, Springer, V.73, №9, Sept.2011, pp2013-2045.
13. Pokidysheva L., Ignatova I. Principal Component Analysis Used in Estimation of Human’s Immune System, Suffered from Allergic Rhinosinusopathy Complicated with Clamidiosis or without It / Advances in Intelligent Analysis of Medical Data and Decision Support Systems // Springer International Publishing. 2013. P.147-156.
Алексенский В.А.1, Жарковский А.А.2, Пугачев П.В.3
'Кандидат технических наук, ОАО “Пролетарский завод”; 2доктор технических наук, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет; 3кандидат технических наук, ассистент, Санкт-Петербургский государственный политехнический
университет
ОДНОЛОПАСТНОЕ ОСЕВОЕ ПРЕДВКЛЮЧЕННОЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
Аннотация
В статье рассмотрены этапы развития кавитации в предвключенных осевых колесах при уменьшении величины кавитационного запаса. Объясняются преимущества использования однолопастного осевого предвключенного колеса для обеспечения максимальных антикавитационных качеств.
Ключевые слова: кавитация, однолопастное предвключенное колесо
Aleksensky V.A.1, Zharkovsky A.A.2, Pugachev P.V.3
^PhO of technical sciences, JSC “Proletarsky zavod”; 2grand doctor of technical science, St. Petersburg State Polytechnical University; 3 PhD of technical sciences, assistant, St. Petersburg State Polytechnical University SINGLE-BLADE AXIAL INDUCER FOR CENTRIFUGAL PUMPS
Abstract
The article deals with the stages of development of cavitation in the axial inducers with decreasing value of NPSH. It explains the advantages of using single-blade axial inducers for achieving maximum anti-cavitation characteristics.
Keywords: cavitation, single-blade inducer
При работе предвключенного осевого колеса (ПК) с кавитационным запасом Ah, не обеспечивающим полное отсутствие кавитации, протяженность кавитационных каверн превышает область разрежения соответствующую данному значению Ah при бескавитационном обтекании (рис. 1). Это объясняется тем, что развитие кавитации сопровождается образованием кавитационных каверн, размеры которых увеличиваются с уменьшением величины кавитационного запаса, стесняя тем самым поток жидкости. Что приводит к увеличению скоростей в проточной части, а значит к дополнительному снижению давления.
123
Рис. 1. Распределение давления вокруг профиля лопасти предвключенного осевого колеса при отсутствии и наличии
кавитации
При достижении каверной сечения канала ПК между рабочей и тыльной сторонами лопасти происходит понижение давления у рабочей стороны (рис. 2). В момент, когда давление на рабочей стороне лопасти понижается до величины давления парообразования, входная часть стороны давления лопасти захватывается областью кавитации. Именно в этот момент по результатам расчетов с двухфазной моделью кавитации фиксируется резкое снижение напора и КПД предвключенного осевого колеса [1].
На режимах малых подач в периферийной зоне на входе в ПК возникает область противотока, которая занимает часть сечения и обеспечивает практически безударный вход активного потока. Это приводит к тому, что средние скорости активного потока на входе ПК практически не меняются при изменении подачи.
Экспериментально установлено, что при развитии кавитации в ПК область противотока уменьшается вследствие загромождения проходного сечения кавитационными кавернами.
Результаты расчетов течения в ПК с использованием двухфазной модели кавитации Ansys CFX12 подтверждают данный факт. В момент непосредственно перед полным срывом напора ПК область противотока отсутствует.
Увеличение относительных скоростей в каналах и меридианных скоростей на входе в ПК происходит при отсутствии противотока.
На основании сказанного момент резкого падения напора предвключенного колеса определяется двумя условиями: площадь кавитационной каверны должна превышать площадь противотока при бескавитационном обтекании и кинетическая энергия активного потока на входе в ПК с учетом стеснения потока кавитационной каверной равна значению кавитационного запаса:
FK1>Fn ; (1)
Ah =
V
у M
2 • g
(2)
где Vm ср - среднее значение меридианных скоростей активного потока на входе в ПК с учетом загромождения проходного сечения кавитационными кавернами.
СР
124
На режимах работы ПК меньше 50% от расчетной, как правило, при выполнении условия (2), еще остается запас по наличию противотока, и условие (1) не выполняется. При этом скорости активного потока на входе в ПК могут незначительно уменьшиться, что дает некоторый запас по моменту полного срыва напора, однако, работа ПК при этом будет неустойчивой.
Исходя из проведенного анализа, следует, что лучшими антикавитационными качествами будет обладать ПК, в котором обеспечены минимальные пики разрежения на входе в ПК, а значит и меньшие поперечные размеры кавитационных каверн при различных значениях кавитационного запаса. Помимо этого, для достижения максимальных антикавитационных качеств ПК необходимо обеспечить вид эпюр давлений вокруг его лопастей, исключающий провалы на стороне давления и разрежения. Чем интенсивнее будет рост давления на стороне разрежения лопасти ПК от входа к выходу, тем раньше будет схлопываться кавитационная каверна, и, следовательно, достигать стороны давления следующей лопасти при меньших значениях кавитационного запаса.
На основании изложенного можно определить оптимальную геометрию предвключенного осевого колеса с целью обеспечения максимальных антикавитационных качеств на всех режимах его работы.
На режимах малых подач определяющим параметром с точки зрения момента полного срыва работы ПК является средняя меридианная скорость активного потока. Минимальные значения кавитационного запаса могут быть достигнуты за счет увеличения диаметра ПК при уменьшении углов лопастей на входе. Однако, увеличение наружного диаметра ПК приводит к повышению относительных скоростей в его периферийном сечении и к повышению среднеинтегрального значения относительных скоростей на входе ПК, что негативно сказывается на величине пиков разрежения у входной кромки. Данное влияние сильнее сказывается на режимах работы ПК близких к расчетному (безударному), т.к. при больших относительных скоростях в ПК стеснение потока будет приводить к большему снижению давления.
Выполнение условия 2 является необходимым для работы ПК на всех режимах работы ПК, но не достаточным для работы на режимах близких к расчетному, когда нет запаса по наличию противотока на входе ПК, и кавитационные каверны стесняют основной поток жидкости.
На расчетном режиме работы ПК можно обеспечить динамическое падение давления соответствующее кавитационному коэффициенту быстроходности СКр~3000. При незначительном уменьшении кавитационного запаса стеснение потока кавитационными кавернами происходит очень резко и они достигают рабочих поверхностей соседних лопастей.
Замедлить данный процесс можно увеличением наружного диаметра ПК от входа к выходу, что позволит получить более интенсивное повышение давления по тыльной стороне лопасти. Однако самым существенным фактором является непосредственное расстояние между тыльной и рабочей поверхностями соседних лопастей друг от друга. Очевидно, что наибольшим оно будет при количестве лопастей ПК ZnK=1. При этом кавитационная каверна, чтобы достичь стороны давления лопасти, должна будет иметь протяженность по углу охвата почти в 360°.
Еще одним положительным фактором является то, что при равных поперечных размерах кавитационной каверны в ПК с 1, 2 или 3 лопастями меньшее стеснение потока будет происходить в ПК с одной лопастью.
Для обеспечения безотрывного течения в ПК на расчетном режиме необходимо применять переменное втулочное отношение.
На кафедре “Турбины, гидромашины и авиационные двигатели” СПбГПУ было спроектировано несколько вариантов предвключенных осевых колес с Zm=1 с различными наружными диаметрами, с переменным и постоянным наружными диаметрами. Трехмерная модель одного из вариантов ПК представлен на рис. 3.
Вопросы балансировки такого ПК решаются выполнением сверлений во втулке.
Рис. 3. Однолопастное предвключенное осевое колесо
По результатам расчетов с использованием двухфазной модели кавитации Ansys CFX 12 было получено, что можно достичь значения кавитационного коэффициента быстроходности на расчетном режиме свыше C3%>4500 для шнеко-центробежной ступени. При этом, значение гидравлического КПД ПК на режимах работы (0,8M,0)QP меняется в пределах 85^94% для вариантов с различными наружными диаметрами.
На режимах меньших подач расчетное значение кавитационного запаса получается еще меньше, чем для расчетного значения.
Расчет течения выполнялся совместно с центробежным рабочим колесом без выполнения осреднения параметров потока за предвключенным колесом на поверхности интерфейса. По результатам расчета не осредненного течения было обнаружено, что несмотря на то, что ПК имело одну лопасть, давление перед центробежным РК практически выравнивается.
Расчетные кавитационные характеристики одного из вариантов ПК приведены на рис. 4 ^7.
Так как расчет выполнялся для полных областей ПК и РК параметры расчетных сеток были несколько хуже оптимальных, что привело к некоторому снижению расчетного значения КПД ступени (~2^3%).
Расчетное значение кавитационного коэффициента быстроходности в диапазоне работы Q=(0,8M,0)QHOM для представленных характеристик составляет СКР=5100^4500 при гидравлическом КПД ПК >80%.
В настоящее время прорабатывается вопрос проведения испытаний спроектированных ПК.
125
Рис. 5. Расчетная частная кавитационная характеристика 1 лопастного ПК и РК на режиме Q=3000 м/ч
60
3 4 Ah, м
Рис. 7. Расчетная частная кавитационная характеристика 1 лопастного ПК и РК на режиме Q=2500 м3/ч
126
Литература
1. Пугачев П.В., Развитие методов расчета элементов проточной части шнеко-центробежных насосов на основе двухмерных и трехмерных моделей течения, автореферат диссертации, ООО “КОСКО”, СПб, 2012. -16 с.
Слесаренко В.В.1
'Доктор технических наук, профессор, Дальневосточный федеральный университет; Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской Академии наук.
МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТАНОВОК ОБРАТНОГО ОСМОСА ДЛЯ СТАНЦИЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Аннотация
В статье приведены результаты исследований процессов, происходящих в комбинированных установках водоснабжения и водоотведения, включающих обратноосмотические и ультрафильтрационные мембранные аппараты магнитной обработки воды. Определены возможности применения метода магнитной обработки воды для корректировки процессов нанофильтрации. Предложены новые схемы обработки воды с использованием магнитных аппаратов с целью предотвращения формирования коллоидных и солевых отложений на поверхности мембран обратноосмотических и ультрафильтрационных установок.
Ключевые слова: кондиционирование воды, магнитное поле, мембрана, нанофильтрация, обессоливание воды.
Slesarenko V.V.1
'Doctor of Technical sciences, professor, Far Eastern Federal University; Institute of Chemistry, Far-Eastern Branch of Russian
Academy of Sciences.
MODELING OF REVERSE OSMOTIC INSTALLATIONS FOR WASTEWATER TREATMENT PLANTS
Abstract
The investigation results of the processes in the combined plants for water and drainage cleaning including RO and UF membrane apparatus for magnetic water treatment have been shown in this paper. The potentialities of the magnetic water treatment method application for correcting nanofiltration processes have been defined. New schemes for using magnetic water treatment apparatus with the purpose ofpreventing colloid and salt deposits formation on the membrane surface of the RO and UF apparatus have been offered.
Keywords: magnetic field, membrane, nanofiltration, water conditioning, water desalting.
Introduction
Reverse osmosis (RO) plants have considerable opportunities in the technological cycle of water supply systems. RO apparatuses are capable of treating water for industrial enterprises and drinking purposes, actually with its any initial quality, right up to sea water conversion. As to power expenses, the reverse osmosis process slightly benefits in comparison with distillation and competes with electrodialysis enabling to have desalinated water with a lower cost [1-3].
Discussion
Фм = 1 Cp
C
The performance of RO plants depends on selectivity of membranes w applied in them, where Cw и Ср are
correspondingly concentration of diluted substance in initial water and after membrane apparatus in desalinated water.
A ratio between the amount of desalinated water obtained in the osmotic plant Gp (permeate) and processed initial water or drain Gw is
G
V =
p
evaluated by desalinated water extraction ratio
G
The specific capacity of the RO plant which operated an excessive pressure of APm is connected with a impermeability coefficient of membranes jm for reverse osmosis and with membrane selectivity with the relationship:
J
p
jm APm Ф M
(1)
where empiric coefficient ю depends on physical properties of material and operation conditions of the RO plants.
Membranes manufactured by various companies differ in characteristics and design [4-6]. Selectivity of the best membranes attain 99-99,8 % with Jp = 0,1-0,25 m3/(m2-h). As the specific capacity increases up to 1,0-2,0 m3/( m2-h), a selectivity coefficient decreases up to ф,^ = 50-60 %.
A temperature range of the use of membranes is 10-50 °C, a recommended рН value is 5-8 for acetate cellulose membranes, and for ethyl cellulose membranes рН value is 4-14. When backed membrane are used the capacity of RO modules increases approximately by a factor of two.
With the empiric model the capacity and selectivity of membranes in RO plants without regard for their internal properties, hydrodynamics and deposit formation mainly depend on operating pressure APm, as well as on initial water salt content. This suggests that economical efficiency of desalination process considerably depends on these parameters.
Various variations of a structure of membrane materials determines the factors which make influence upon a value of selectivity and impermeability coefficients of membranes. This influence may be evaluated by model equations describing a reverse osmosis process. In so doing, a relation of these factors with the change of salt concentration and operating pressure in osmotic apparatuses should be taken into account.
Mathematical description of complex model processes applied for reverse osmosis tasks requires to essentially simplify initial conditions and does not give an exact decision. In our opinion, more qualitative evaluation of conditions of a course of the process under consideration may be attained with an allowance for the influence of every factor individually.
Actually, design and structural characteristics of membranes used for RO plants are not basic parameters from the point of view of their operation, because they are installed by developer companies and cannot be adjusted in most instances. Therefore, the most expedient is the evaluation of influence of external parameters connected with the operation of osmotic plants upon the reverse osmosis process.
The thermodynamic function to calculate a maximum value of the selectivity coefficient of the RO membrane is as follows:
127
