CC BY
57
ш
УДК 621.928.93+ 621.733.2 Асламов Александр Анатольевич,
к. т. н., профессор каф. машин и аппаратов химических производств, Ангарская государственная техническая академия (АГТА), е-mail: aslamov@agta.ru,
Аршинский Максим Иннокеньевич, оператор ОАО АНХК (НПЗ), е-mail: arshmax@mail.ru,
Асламова Вера Сергеевна, д. т. н., профессор каф. «Безопасность жизнедеятельности и экология», Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), е-mail: aslamovav@yandex.ru,
Кулакова Ирина Михайловна, к. т. н., доц. каф. вычислительных машин и комплексов АГТА, е-mail: iyelkina@mail.ru
АППРОКСИМАЦИЯ ПОЛЕЙ СКОРОСТЕЙ И ДАВЛЕНИЙ В ПРЯМОТОЧНОМ ЦИКЛОНЕ С СЕПАРАЦИОННОЙ КАМЕРОЙ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ
A.A. Aslamov, M.I. Arshinsky, V.S. Aslamova, I.M. Kulakova
APPROXIMATION OF THE VELOCITY AND PRESSURE FIELDS IN THE STRAIGHT-THROUGH CYCLONE WITH VARIABLE CROSS-SECTION OF THE SEPARATION CHAMBER
Аннотация. Выполнена аппроксимация экспериментально измеренных полей полных скоростей и статических давлений в кольцевом закрученном потоке переменного сечения, характерном для сепарационной зоны прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли при наличии в ней конического или профилированного внутреннего вытеснителя потока, предназначенного для подавления центрального вихря.
Ключевые слова: прямоточный циклон, профилированный вытеснитель, центральный вихрь, поля полной скорости и статического давления.
Abstract. Abstract approximation of experimentally measured fields of full speeds and static pressures in the annular swirling stream of variable section, typical for a separation zone of uniflow cyclone with intermediate selection of dust in the presence of conical or profiled inner stream propellant in it designed to suppress the central vortex is made.
Keywords: straight-through cyclone, shaped propellant, field of full speed and static pressure.
Закрученные потоки широко используются в технических устройствах для интенсификации тепломассообменных и сепарационных процессов в поле действия центробежных сил (сушка дисперсных материалов, обеспыливание воздуха, энергоразделение в трубках Ранка и т. д.). В работе рассматривается закрученный поток, в котором завихренность создается при помощи аксиального лопаточного аппарата, установленного на входе в прямоточный циклон. Ранее исследователями от-
мечались некоторые особенности закрученных потоков: противоток, прецессирующее вихревое ядро [1]. Уточнение аэродинамических особенностей потока в пылеулавливающем аппарате, в частности изучение профилей изменения полной скорости и статического давления, позволит усовершенствовать конструкцию и повысить сепара-ционную эффективность процесса.
В работах [2, 3] представлены экспериментально измеренные поля скоростей и давлений закрученного потока воздуха в прямоточном циклоне с промежуточным отбором (ПЦПО) с внутренним диаметром D = 114 мм, кольцевая сепара-ционная камера которого имеет переменное сечение, сформированное за счет внутреннего вытеснителя центрального вихря. Исследованы на чистом воздухе два вытеснителя центрального вихря: конический (конфигурация К1) и профилированный (конфигурация К2) с максимальным диаметром 85 мм. Точки расположения замеров приведены на рис. 1 .
Для ПЦПО конфигурации К1 в результате обработки экспериментальных данных в пакете Statgraphics Plus профили полной скорости и статического давления аппроксимированы регрессионными зависимостями от безразмерного радиуса r = 2r/D, представленными в табл. 1 и табл. 2 соответственно. Критерии достоверности аппроксимации: R 2 - коэффициент детерминации, DW -критерий Дарбина - Уотсона, стандартная о и абсолютная А ошибки.
а б
Рис. 1. Расположение точек замера в ПЦПО конфигурации К1 (а) и К2 (а)
Т а б л и ц а 1
Зависимость скорости от безразмерного радиуса r для ПЦПО ^ с К1
Точка замера Полная скорость, м/с R2 DW a A
Т7 W = 138,857-94,039r0'3 -11,468/r 89,94 2,593 0,863 0,459
Т9 W = -10,614 + 39,087 r03 + 7,207 / r 96,42 1,98 0,467 0,291
Т10 W = 140,227 -107,3 70 r0 3 - 7,480 / r 95,07 1,85 1,205 0,880
Т11 W = 128,172 - 97,219 r0,3 - 6,224 / r 91,44 1,26 1,784 1,274
Т12 W = 13 0,363 - 96,045 r0 3 - 7,443 / r 87,21 1,82 2,663 1,786
Т13 W = 139,745-107,902r0'3 -6,676/r 93,53 1,38 1,690 1,250
Т14 W = 145,656 -114,683 r0 3 - 6,971 / r 93,60 1,41 1,784 1,298
Т15 W = 163,953 -135,100r0,3 - 7,897 / r 96,64 1,32 1,507 1,042
Т16 W = 170,812- 139,151F0'3 -9,258/r 91,46 2,17 2,598 1,635
Т а б л и ц а 2
Зависимость статического давления от Г для ПЦПО с К1
Точка замера Статическое давление, кПа R2 DW a A
Т7 Р = 92,105 + 2,141 F 95,08 2,16 0,078 0,052
Т8 Р = 92,131 + 2,085 г 94,17 2,27 0,100 0,076
Т9 P = 91,550 + 5,306 r - 2,344 r2 99,77 1,86 0,031 0,021
Т10 P = 90,233 + 8,677 r - 4,460 r2 99,67 1,30 0,060 0,043
Т11 P = 90,821 + 6,932 r - 3,175 r2 98,39 1,56 0,143 0,093
Т12 P = 89,869 + 6,561 r -2,791 r2 97,51 1,29 0,179 0,122
Т13 P = 90,052 + 5,716 r-1,910 r2 97,32 1,28 0,188 0,134
Т14 P = 91,932 + 6,530 r - 2,752 r2 97,06 1,58 0,196 0,134
Т15 P = 91,984 + 6,817r -2,993 r2 96,58 1,63 0,214 0,136
Т16 P = 92,146 + 5,468 r -1,674 r2 96,69 1,17 0,210 0,154
m
Для описания скорости закрученного потока W в технологических аппаратах используют так называемый вихрь Рэнкина [4]: W ■ rn = const, где n = -1 для квазитвердого вращения газа (0 < r < rm), и n < 1 для квазипотенциального движения газа (rm < r). Здесь rm - радиус раздела квазитвердого и квазипотенциального вращения газа. Для циклонных противоточных пылеуловителей с радиусом R сепарационной камеры приводятся следующие данные [5]: 0,45 < n < 0,8 при rm < r < R, причем 0,4R < rm < 0,6R .
На рис. 2 представлены зависимости полной скорости W и статического давления P от безразмерного радиуса r в циклоне ПЦПО конфигурации К1 в точке замера Т10 (зона промежуточного отбора (ПО) пыли). Точки - экспериментальные данные, кривая - регрессионная зависимость. Каждая точка является средним арифметическим значением результатов 5-6 опытов.
Как видно из табл. 1, до ПО распределение скорости имеет вид
W = A + B■ r 03 + C/r , (1)
где А, В, С - параметры, изменяющиеся от точки замера.
После ПО, где начинается полая часть сепарационной камеры, с увеличением относительной длины z = z / D сепарационной камеры доля зоны с квазитвёрдым вращением газа уменьшается.
Для ПЦПО конфигурации К2 получены регрессионные зависимости распределений полной скорости и статического давления от безразмерного радиуса r , представленные в табл. 3 и табл. 4
соответственно.
На рис. 3 приведены зависимости полной скорости W и статического давления P от безразмерного радиуса r в циклоне ПЦПО конфигурации К2 в точке замера Т10 (зона ПО пыли).
Из сопоставления рис. 2, а и 3, а следует, что профиль скорости, как и при конфигурации К1, тоже имеет экстремум при радиусе rm . Для конфигурации К2 максимум смещен к стенке се-парационной камеры циклона, для вытеснителя при конфигурации К1 - к границе центрального вихря. Полученные данные согласуются с результатами исследования Э.Н. Сабурова, С.В. Карпова и С.И. Осташева [6]. В случае конфигурации К1 экстремум объясняется возникновением вихря на оси пустотелого циклона. В случае конфигурации К2 экстремум, очевидно, следует объяснять тре-
0 0,2 0,4 0,6 0,8 Г 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Г
а б
Рис. 2. Зависимости полной скорости (а) и статического давления (б) от безразмерного радиуса для ПЦПО
конфигурации К1 в зоне промежуточного отбора
Т а б л и ц а 3
Зависимость скорости от безразмерного радиуса r для П1 [ПО с К2
Точка замера Полная скорость, м/с R2 DW a A
Т7 W = 494,614-373,745F03 -87,143/F 95,75 2,59 1,376 0,798
Т8 W = 225,305-154,909F0 3 -36,264/F 94,78 1,56 2,150 1,531
Т9 W = 730,246-578,338F03 -123,016/F 97,23 2,77 2,288 1,376
Т10 W = 42,23F0'3 - 6,739/F 97,28 1,16 2,4548 1,853
Т11 W = 39,226F0 3 - 6,616/ F 94,83 1,28 1,690 1,285
Т12 W = 42,620F0 3 -9,569/F 95,76 1,43 1,164 0,795
Т15 W = 17,672F03 +11,163/ F 96,42 2,37 0,465 0,283
Т16 W = 5,324F0'3 +18,903/F 99,62 2,48 0,472 0,326
Т а б л и ц а 4
Зависимость статического давления от Г для ПЦПО с К2_
Точка замера Статическое давление, кПа Я2 БЖ а Д
Т7 Р = 95,538-6,669г + 5,291г2 99,46 2,63 0,018 0,010
Т8 Р = 94,250- 3,085г + 2,847г2 97,49 3,13 0,028 0,020
Т9 Р = 94,520- 4,025г + 3,551г2 99,09 2,83 0,020 0,012
Т10 Р = 93,804-1,559г + 1,802г2 99,96 2,96 0,004 0,002
Т11 Р = 93,877-1,438 г + 1,547г2 99,72 3,67 0,008 0,005
Т12 Р = 94,524- 3,101Г + 2,599Г2 98,64 2,60 0,018 0,009
Т15 Р = 91,864+3,682Г -1,578Г2 99,14 3,19 0,025 0,012
Т16 Р = 90,268+ 7,467Г - 3,783Г2 99,76 2,43 0,023 0,001
нием о поверхности, ограничивающие кольцевой канал, - корпус и вытеснитель. Благодаря этому экстремуму центральная зона закрученного потока по-прежнему обладает свойствами квазитвердого движения, как и в пустотелом аппарате (см. табл. 1 и 3).
Перед выхлопным патрубком при наличии профилированного вытеснителя характер зависимости Щ г) меняется. В зоне основного отбора (Т15-Т16) формируется центростремительный поток (рис. 4, б, точка замера Т15), при этом пристенная скорость снижается (на 5-6 м/с) по срав-
нению с ПЦПО конфигурации К1 (см. рис. 4, а), что благоприятно сказывается на работе основного отбора пыли за счет уменьшения турбулентных возмущений в этой зоне. Таким образом, экспериментальные данные по полям скоростей подтверждают выполнение аэродинамической задачи по снижению скорости потока в зоне промежуточного и основного отборов пыли.
Значение максимальной скорости тах Жк существенно изменяется по длине г сепарацион-ной камеры циклона (см. рис. 5). В случае профилированного вытеснителя К2 минимальное значе-
б
Рис. 5. Зависимость значения максимальной скорости от безразмерной длины сепарационной камеры для конфигурации К1 (а) и К2 (б)
а б
Рис. 6. Зависимость безразмерного радиуса, соответствующего максимальной скорости, от безразмерной длины
сепарационной камеры для конфигураций К1 (а) и К2 (б)
а
ние максимальной скорости наблюдается перед промежуточным отбором на расстоянии l = 0,85D (точки замера Т8), при К1 - на расстоянии z = = 2,30D (точки замера Т12).
На рис. 6 представлены зависимости относительной радиальной координаты rm = rm / R, соответствующей максимальной скорости закрученного потока в радиальной плоскости, от относительной длины l = l /D сепарационной камеры циклона. Видно, что для ПЦПО конфигурации К2 rm смещен к стенке циклона, для конфигурации К1 - прижат к границе центрального вихря r . В отличие от данных для противоточного циклона [5], для ПЦПО n = 0,3 при 0 < r < rm, причем - для К1: 0,29R < rm < 0,84R ;
- для К2: - 0,47R < rm < 0,92R.
В табл. 5 приведены полученные регрессии и их критерии достоверности.
Выводы
1. Выполнена аппроксимация экспериментально измеренных полей полных скоростей и статических давлений в кольцевом закрученном потоке переменного сечения, характерном для сепарационной зоны прямоточного циклона с промежуточным отбором пыли. Установлено, что в обеих исследованных конфигурациях кольцевого канала имеются зоны как с квазипотенциальным на периферии, так и с квазитвёрдым в центральной части режимами течения. При коническом вытеснителе К1 квазитвёрдое течение обусловлено вих-реобразованием в центральной части потока.
Т а б л и ц а 5
Регрессионные модели и критерии их достоверности
Конфигурация Вид регрессии R2 DW а A
К1 max Щ = 39,074 - 3,25412 + 0,27914 92,60 2,40 1,279 0,776
rm = 0,285+ 0,079/1 92,69 1,51 0,044 0,069
К2 max Щ = 36,736+ 4,967^1 - 0,85 95,87 1,02 0,602 0,461
г = 0,899-0,3381 + 0,17812 - 0,00315 m ' ' ' ' 87,42 2,71 0,061 0,041
В случае профилированного вытеснителя К2 квазитвёрдое течение формируется за счет кругового поверхностного трения о вытеснитель. Показатель степени в зависимости скорости от безразмерного радиуса в квазипотенциальном течении равен (0,3), в квазитвердом - (-1) для любой конфигурации вытеснителя.
2. Обнаружено, что профиль скорости имеет экстремум при радиусе ^ . Для конфигурации К2 экстремум смещен к стенке сепарационной камеры циклона, для вытеснителя конфигурации К1 - к границе центрального вихря. Значение максимальной скорости закрученного потока существенно изменяется по длине сепарационной камеры циклона.
3. В диффузорно-конфузорной зоне сепара-ционной камеры впервые экспериментально обнаружено паразитное пристенное противоточное течение, обусловленное перепадом давлений на поверхностях конфузорной и диффузорной части вытеснителя.
Работа выполнена по плану государственных заданий высшим учебным заведениям на 2013 год и на плановый период 2014 и 2015 годов в части проведения научно-исследовательских работ «Исследование двухфазных закрученных потоков в кольцевом канале переменного сечения», номер государственной регистрации № 01201257743.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Алексеенко С. В., Окулов В.Л. Закрученные потоки в технических приложениях: обзор // Теплофизика и аэромеханика. 1996. Т. 3. № 2. С.101-138.
2. Исследование полей скоростей и давлений закрученного потока в кольцевом канале / М. И. Аршинский, А. А. Асламов, И. М. Кулакова, В. С. Асламова // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 4 (36). С. 75-78.
3. Поля скоростей и давлений закрученного потока в кольцевом канале / М. И. Аршинский, А.
A. Асламов, И. М. Кулакова, О. Н. Карпачева,
B. С. Асламова // Безопасность регионов - основа устойчивого развития : материалы 3-й Междунар. науч.-практ. конф. (Иркутск, 12-15 сентября 2012). Иркутск : Изд- во ИрГУПС, 2012. С.139-144.
4. Гуцол А. Ф. Эффект Ранка // Успехи физических наук. Т. 167. № 6. С. 665-687.
5. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки. М. : мир, 1987. 588 с.
6. Сабуров Э. Н. Карпов С.В., Осташев С.И. Теплообмен и аэродинамика закрученного потока в циклонных устройствах. Л. : Изд-во Ленингр. ун-та, 1989, 276 с.
УДК 629.7.05 Кивокурцев Александр Леонидович,
доцент кафедры авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов Иркутского филиалаМГТУГА, тел. 89148839187, e-mail: kivokurtsev_al@mail.ru
Мишин Сергей Владимирович,
к. т. н., доцент, декан факультета авиационных систем и комплексов Иркутского филиала МГТУ ГА,
тел. 89148832815, e-mail: sv_mishin@mail.ru
СИНТЕЗ ВЫСОКОТОЧНОГО БЕЗРАЗГОННОГО ЭКОНОМИЧНОГО АЛГОРИТМА БЛОКА ОРИЕНТАЦИИ АВИАЦИОННОЙ БЕСПЛАТФОРМЕННОЙ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ
НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
A.L. Kivokurtsev, S. V. Mishin
A SYNTHESIS OF HIGHLY-PRECISE EFFICIENT ORIENTATION
UNIT ALGORITHM WITHOUT ACCELERATING OF AVIATION STRAPDOWN INERTIAL NAVIGATION SYSTEM
Аннотация. Представлена структура алгоритмического обеспечения авиационной бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Дана общая характеристика семейства разгонных и безразгонных экономичных алгоритмов ориентации. Предложена методика синтеза безраз-
гонного экономичного алгоритма ориентации повышенной точности на основе правила Рунге. Приведены результаты исследования разработанных алгоритмов ориентации, сформированы общие их характеристики.
