Аэродинамика недиафрагмированной циклонной камеры большой относительной длины Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 533.6: 621.65.01

А.Н. Орехов, Э.Н. Сабуров, И.А. Горяшин ГОУ ВПО «Архангельский государственный технический университет»

АЭРОДИНАМИКА НЕДИАФРАГМИРОВАННОИ ЦИКЛОННОМ КАМЕРЫ БОЛЬШОЙ ОТНОСИТЕЛЬНОМ ДЛИНЫ

Настоящая работа является продолжением и развитием ранее выполненных исследований [1], [2].

Опыты выполнены на циклонных камерах, изготовленных из бесшовных пластиковых труб с внутренним диаметром йк = 2Нк = 152 мм. У глухого торца камеры находился тангенциальный закручиватель. Оси тангенциальных шлицев находились с диаметрально противоположных сторон на расстоянии 80 мм от торца и имели размеры 22,5 х 84 мм. Относительная площадь входа потока /вх = 4/вх/ 71 Ок2 = 0,21 при относительной высоте входных шлицев /?вх = /?вх/Ок = 0,148. В работе исследовались камеры с относительной длиной /.к= /.к/Ок = 2,25; 3,25; 6,25; 12,25; 18,25 и 32,75.

Поля скоростей и давлений в камере снимались трехканальным пневматическим зондом с диаметром насадка 2,6 мм. Перемещение зонда осуществляли координатником, имеющим погрешность в определении угла вектора полной скорости ± 0,5° и радиального перемещения ± 0,025 мм. Для крепления координатника зонда в нужном сечении камеры использовалось передвижное приспособление из металлической обечайки с резьбовым штуцером. Основные сечения замеров имели координаты 1 = 1 / Ок (г - расстояние от глухого торца камеры вдоль ее оси), равные 0,5; 1,5; 5; 10; 15; 20; ЗООк. Последнее сечение при всех /.к находилось на расстоянии 0,25Ок от выходного торца камеры.

-0,1 --0,2 -0,3 1 -0,4

0,2 0,4 0,6 0,8

0

0,2 0,4 0,6 0,8

0,5 -0,0 -0,5 --1,0 -1,5

7 = 0,5 1,5 5,0

Р П

Воздух к камере подавали воздуходувкой В10/1250

номинальной про-

изводительностью 10 000 м3/ч и располагаемым напором 12,5 кПа. Расход определяли по перепаду давления на диафрагме. Измерение статических давлений на диафрагме, во входных каналах и на боковой поверхности камеры при малых напорах производили микроманометрами ММН-250, а при больших - водяными и-об-разными. Температуру воздуха перед диафрагмой и на входе в циклонную камеру определяли ртутными лабораторными

термометрами ТЛ-4.

На рис. 1 показаны полученные в работе распределения по относительному радиусу камеры 7 = = г / Як безразмерной

вращательной щ= и/ф/\/вх (\/вх -средняя скорость потока в шлицах) и осевой й/2 = \мг /\/вх составляющих полной скорости потока,

безразмерных статического рс = 2рс / рвх \/Вх (рвх- плотность потока во входных шлицах) и полного рп = 2рп/рвх^ давлений в циклонной камере с /.к= 32,75 и /вх = 0,21.

Для большинства сечений в распределении относительной тангенциальной скорости можно выделить два характерных значения: величину максимума тангенциальной скорости Щт при 7 = 7фт и условной тангенциальной скорости на внешней границе рабочего объема камеры й/фк. Величина й/фк является значением функции щ( 7) при 7=1 или г = /?к и примерно равна й/ф§ - безразмерной тангенциальной скорости потока на границе динамического пограничного слоя, сформировавшейся на боковой поверхности рабочего объема.

1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5

7 = 0,5 1,5 5,0 /Л

/>/ ' \ \ \ V \ утёуу/ 10\15\ 20 30 32,5

0

0,2 0,4 0,6 0,8

0.2 0.4 0.6 0.8 г

1,4 -1

1,2 -

1,0 -

0,4

1

1 Ь к

+ - 2.25

х - 3.25

* - 6,25

V? ▲ - 12,25

■ - 18,25

• - 32,75

10

20

30

10

20

30

Из распределений и/ф (рис. 1, 2)

уфт

Гфт по длине циклонных камер

различной относительной длины

Рис. 2. Изменение и/А

видно, что по направлению движения потока следует различать входной, основной и выходной участки.

Наибольшее значение максимума тангенциальной скорости й/фт наблюдается в сечении ввода потока. По мере его продвижения к выходному сечению камеры в пределах основного участка й/фт снижается. Аналогично изменяется на основном участке и радиус, характеризующий положение максимума

0,4 -

0,3 -

0,2 -

0,1

Ь к

+ - 2.25 А - 12.25 х - 3.25 ■ - 18.25 * - 6,25 • - 32,75

Г го а

0,5 -

\\

0,4 -

0,3 - X

0,2 -

0

10

20

30

0 10 20 30

тангенциальной скорости Гфт. На выходном участке течения й/фт резко снижается, а 7фт, наоборот, возрастает. Основной и выходной участки разделены небольшой (г = 0,5 ... 1,5) по протяженности переходной зоной, в центре которой Гфт имеет минимальное значение. (Обозначения,

приведенные на рис. 2, использованы и на других рисунках в дальнейшем).

г>.. ~ п М-.А

. т Изменения максимальной

скорости на границе пристеночного пограничного слоя й/ф8 и условной тангенциальной скорости й/фк на основном участке течения при всех 1к описываются уравнениями

и/ф8= 1,18-0,247 1п г;

и/фк = 1,16-0,24 1п 2.

Распределения осевых скоростей (рис. 1, 3) отражают наличие в рабочем объеме двух противоположно направленных потоков (вихрей): пристеночного выходного и приосевого обратного. В первом максимальные значения \м:т~ =0,3... 0,5 и достигаются на радиусе 7:т =0,9. Во втором (обратном) й/;т=-0,1...-0,3 при 7:т ~ ~0...0,2. Вихри в общем случае разделяются цилиндрической поверхностью радиуса 7:0 (рис. 3). Радиус этой поверхности уменьшается по мере продвижения потока к выходному торцу камеры. Пристеночный выходной поток можно представить и как струйное течение, являющееся результатом взаимодействия и сложения струй газа, выходящих из шлицев, и набегающих на них уже закрученных ранее введенных в рабочий объем камеры газов. Распределения осевой скорости в проточной зоне рабочего объема камеры аналогичны профилям полуограниченной струи.

Анализ полей осевых скоростей свидетельствует о значительном преобладании пристеночного кольцевого выходного течения (вихря) над приосевым обратным. Уровень скоростей в возвратном течении примерно в 2...2,5 раза ниже, чем в выходном. По сравнению с й/ф осевые скорости меньше в среднем примерно в четыре раза.

Распределение по радиусу камеры полного и статического давлений определяется удаленностью рассматриваемого сечения от входных шлицев. Чем ближе сечение расположено к входным шлицам, тем большее значение имеет градиент давления по радиусу, во многом определяющий формирование осевых, тангенциальных и радиальных течений. Профили давлений носят нарастающий по радиальной координате характер. При всех рассмотренных г как полное, так и статическое давления отрицательны в приосевой области течения и положительны в пристеночной.

На рис. 4 показано изменение радиусов нулевого значения статического г„ и полного г„ давлений по длине циклонной камеры. Значения гр^о и гр^о максимальны вблизи входного сечения камеры и снижаются вдоль оси г до выходного участка рабочего объема камеры по линейной зависимости:

гРс0 = 0,66 - 0,0064 г;

г. = 0,46 - 0,0064 2.

РпП ' '

На рис. изменение

5 показано безразмерного

статического давления на

боковой

Рис. 4. Изменение безразмерных радиусов гр и гр ^ подлине циклонной камеры при различных Обозначения приведены на рис. 3

поверхности

циклонном камеры рс.к = 2рс.к/ Рвх^вх ВДОЛЬ ОСИ 1

рабочего объема рассматриваемых камер. На представленных зависимостях рск(!) для циклонных камер большой относительной длины (Ьк > 6) можно выделить три характерных участка. При г ~ гвх ... 2,5 интенсивность снижения рс к максимальна. При г ~ 2,5... (гвых- 1) давления снижаются по логарифмическим зависимостям. На участке вблизи выходного торца циклонной камеры (! > !вых - 1) рск резко падает. Изменение рск от шлица в направлении глухого торца происходит по зависимости, характерной для первого участка.

Рис. 5. Изменение рс к по длине рабочего объема рассмотренных циклонных камер

Связь между безразмерными максимальной тангенциальной скоростью \л/фт и статическим давлением на боковой поверхности рабочего объема в рассмотренных циклонных камерах определяется эмпирической зависимостью

щт = 0,772 рск + 0,375.

Уравнение, связывающее условную тангенциальную скорость и/фк с рс к, имеет вид

и/фк = 0,786 рск + 0,213.

Суммарный коэффициент сопротивления недиафрагмированной циклонной камеры

о

= 2Арп /рвх увх (рп - полное избыточное давление, рвх - плотность потока во входных каналах) в автомодельной области течения с величиной достоверности аппроксимации И2 = 0,93 описывается уравнением

Свх= 3,2474-°<048.

Полученные формулы позволяют рассчитывать основные аэродинамические характеристики недиафрагмированных циклонных камер большой относительной длины.

Список литературы

1. Орехов А.Н., Сабуров Э.Н. Некоторые особенности аэродинамики недиафрагмированной циклонной камеры // Известия вузов и энергетических объединений СНГ. Энергетика. - 2007. - № 3. - С. 70-77.

2. Орехов А.Н., Сабуров Э.Н. Исследование течения газа в недиафрагмированной циклонной камере большой относительной длины // Вестник АГТУ. Сер. Энергетика. - 2006. - Вып. 63. - С. 34-43.