CC BY
10
НЛТУ
УКРЛ1НИ
Hl/IUB
Науковий BicHMK НЛТУУкраТни Scientific Bulletin of UNFU
http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40270633 Article received 05.09.2017 р. Article accepted 28.09.2017 р.
УДК 674:621.928.93
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
[^1 Correspondence author Yu. R. Dadak yuriydadak@gmail.com
Ю. Р. Дадак1, А. В. Ляшеник2, Л. О. Тисовський1
'Нацюналший лкотехтчний утверситет Украши, м. Львiв, Украша 2Коломийський полтехтчний коледж НУ "Львiвська полтехтка", м. Коломия, Украша
ЧИСЛОВЕ ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ ОКРЕМИХ ЕЛЕМЕНТ1В АСШРАЦШНО1 СИСТЕМИ
НА II ЕКСПЛУАТАЦ1ЙН1 ХАРАКТЕРИСТИКИ
На основi створених авторами та описаних рашше математичних моделей i mдходiв до вивчення впливу окремих еле-ментiв циклона на його аеродинамiчнi характеристики, дослiджено вплив геометричних параметрiв конфузора на аеродина-м1ку потоку в трубопроводi астра^йн^ системи та значения втрат тиску. Дослiдження проведено шляхом моделювання процесiв руху повпряних потокiв у трубопроводi астра^йн^ системи за допомогою спецiалiзованого програмного забезпе-чення в середовищi MathCad та Flowvision. Актуальнiсть дослiджеиь тдтверджуеться широким запровадженням астра-цiйиих систем у деревообробшй галуз^ що зумовлено вимогами щодо покращення умов працi на виробництвах. Одночасно експлуатацiя систем астрацп нев^^ьно пов'язана з високими затратами електроенергп, пеобхiдноl для забезпечення ефек-тивних режимiв 1х роботи. Саме тому для тдвищення ефективностi та зниження енергозатрат на 1х експлуатащю потрiбно шукати пiдходи для зменшення втрат тиску, якi виникають у повiтропроводi п1д час руху сум^ повiтря та транспортовано-го матерiалу. Для виршення цiеl задачi по^бно дослiдити окремi елементи аспiрацiйиих систем та визначити розподiл по-лiв тискiв та швидкостей руху повпряного потоку, що зумовленi 1х параметрами та конструктивними особливостями. Ре-зультати таких дослщжень дадуть змогу запропонувати ефективш технiчнi ршення для вдосконалення наявних конструкцiй аспiрацiйиих систем, а також рацiональнi технiчнi ршення на еташ 1х проектування.
Ключовi слова: дифузор; конфузор; поле швидкостей; приповерхневий шар; iмiтацiйне моделювання; числовий аналiз.
Вступ. Сучасиi пiдходи до оргатзацп виробничого процесу на деревообробних шдприемствах зумовлюють необхвдшсть використання високоефективиих систем астрацп, яш сьогодиi е невщ'емною частиною бшьшос-тi техиологiчиих процеав. Разом з тим експлуатацiя систем астрацп невщ'емно пов'язана з високими затратами електроенергп, необхвдно! для забезпечення ефек-тивних режимiв 1х роботи. Саме тому для тдвищення ефективносп та зниження енергозатрат на 1х експлуата-цiю потрiбио шукати тдходи для зменшення втрат тиску, яш виникають у повiтропроводi пiд час руху сумiшi повиря та транспортованого матерiалу. Для виршення ще1 задачi потрiбио дослiдити окремi елементи астра-цiйиих систем та визначити розподш полiв тисков та швидкостей руху повпряного потоку, що зумовлет !х параметрами. Результати таких дослщжень дадуть змогу запропонувати ефективш техшчш рiшеиня для вдосконалення наявних конструкцш аспiрацiйиих систем, а також рацюнальт техиiчиi ршення на етапi !х проекту-вання.
У системах а^раци доволi часто використовують пристро! для змiии дiаметра трубопроводу з меншого на бшьший, або навпаки. Частину трубопроводу, у яшй
швидк1сть потоку повiтря поступово зростае внаслщок зменшення дiаметра, називають конфузором (рис. 1). У раз^ коли швидк1сть потоку повiтря знижуеться внасль док зростання перерiзу трубопроводу - маемо справу з дифузором. Конфузори та дифузори одночасно з такими елементами як колша значною мiрою визначають значення гiдравлiчного опору систем астрацп, що, своею чергою, впливае на витрати енергп на забезпечення ефективних режимiв !х експлуатацп. Зважаючи на позитивний досвщ який набуто пiд час вивчення окремих елемеппв циклона на його аеродинамiчнi характеристики (Liutyi et а1., 2009; Tysovskyi et а1., 2009, 2010; Dadak et а1., 2015; Liashenyk et а1., 2011, 2012), вважаемо корисним провести дослвдження впливу окремих елемеппв астрацшно1 системи на основi запропо-новано! ранiше математично1 моделi (Tysovskyi et а1., 2009, 2010).
Аналiз досл1джень i публiкацiй. Питання досль дження окремих елементiв астрацшних систем з метою тдвищення !х енергоощадностi та ефективностi розглядали автори в низцi публiкацiй, що базуються як на власних дослвдженнях, так i на класичних теорiях.
Втрати тиску в конфузорi визначають за допомогою
1нформащя про aBTopiB:
Дадак Юрiй Романович, канд. техн. наук, доцент кафедри технологш лiсопиляння, столярних i дерев'яних будiвельних виробiв.
Email: yuriydadak@gmail.com Ляшеник Андрiй Васильович, канд. техн. наук, доцент, викладач. Email: lyashenyk@mail.ru
Тисовський Любомир Осипович, канд. фiз.-мат. наук, доцент кафедри прикладной' механти. Email: Tlo10@ukr.net Цитування за ДСТУ: Дадак Ю. Р., Ляшеник А. В., Тисовський Л. О. Числове дослщження впливу окремих елеменнв астрацмно'''
системи на м експлуатацiйнi характеристики. Науковий вiсник НЛТУ Украши. 2017. Вип. 27(6). С. 164-167. Citation APA: Dadak, Yu. R., Lyashenyk, A. V., & Tysovskiy, L. O. (2017). Numerical Study of the Effect of Selected Elements of the Aspiration System on its Operating Performance. Scientific Bulletin of UNFU, 27(6), 164-167. https://doi.org/10.15421/40270633
164
Науковий вкник НЛТУ Украши, 2017, т. 27, № 6 Scientific Bulletin of UNFU, 2017, vol. 27, no 6
$opMynu ,3,apci-BeHc6axa, 3 BHKopucTaHHaM eMnipnHHux 3ane®HocTen, aKi 3anponoHyBaB I.E. IgenbHHK (Idelchik,
1954).
K0H$y30piB BapTO Bu6upaTH 3HaneHHa KyTiB a/2<30°. no-jiohi bhchobkh TpanjunoTbca ii y niTepaTypi.
PHC. 1. cxema k0h^y30pa
®opMyna ,3,apci-BeHc6axa b rigpoaepoguHaMiui - eM-nipHHHa $opMyna, ^o BH3Hanae BTpaTH Hanopy a6o BTpa-th THCKy 3a Typ6yneHTHoro pe^HMy npoTiKaHHa HecTuc-KyBaHoi' piguHH Ha rigpaBninHux onopax. BBa^aroTb, ^o BTpaTH THCKy (AP) Ha rigpaBniHHoMy onopi 6ygyTb npo-nopuinm KBagpaTy mBHgKocTi (V), noMHo^eHoMy Ha ko-e^iuieHT rigpaBniHHoro onopy Ta o6epHeHo nponop-uiftm npucKopeHHM 3eMHoro Ta^iHHa (g). To6to
V 2
AP = E— . 2g
,3,na KoH$y3opa % = -
Xt n K SI
-(1 -—r), ge n =--CTe-
8sina/2 n2 S2
niHb 3By®eHHa, XT - Koe^iuieHT BTpaT no goB^HHi Tpy-
6onpoBogy 3a Typ6yneHTHoro pe^HMy pyxy noToKy. y pa-
3i panToBoro po3mupeHHa noToKy (a/2=90°) Koe^iuieHT
rigpaBniHHoro onopy (£) BH3HanaroTb i3 3ane®Hocri
1 - S2/Si 2
ge S1 Ta S2 - nno^a nonepenHoro nepepi3y Tpy6onpoBogy, BignoBigHo, nepeg 3By®eHHaM Ta nicna Hboro.
os'ckth Ta MeTogHKa goenig:®eHHH. ^ocnig^yBanu pyx noBiTpaHoro noToKy b KoH$y3opi, reoMeTpu^Hi po3Mi-pu aKoro 6ynu TaKHMu:
0D^4OOmm, 0D2=2OOmm, Za/2 3MiHMBaBca Big 20° go 180°, 3aranbHa goB^HHa Tpy6onpoBogy - 3 m.
,3,na gocnig^eHb BHKopucTOByBanu MaTeMamnHy mo-genb (Tysovskyi et al., 2009, 2010), gna peani3auii aKoi' bh-KopucToByBanu cepegoBH^a Flowvision, MathCAD.
rigpaBninHHH onip Tpy6onpoBogy BH3Hananu aK pi3HH-um noBHux THCKiB Ha Bxogi i Ha Buxogi 3 Hboro. ,3,ocni-g^eHHa npoBogunu 3a yMoB naMiHapHoro Ta Typ6yneHTHo-ro pe^HMy pyxy noBiTpaHoro noToKy.
Pe3yntTara goe^ig^eHHH. Ha puc. 2 npegcTaBneHo rpa^iK 3ane®HocTi rigpaBniHHoro onopy (AP) KoH$y3opa Big 3HaneHHa KyTa a/2.
rpa^iK 3ane®HocTi Mae HenimHHHH xapaKTep. 3i 3poc-TaHHaM 3HaneHHa KyTa a/2 y npoMmKy Big 10° go 45° no-BinbHo 3pocTae rigpaBninHHH onip KoH$y3opa Big 10 na go 50 na 3a naMiHapHoro pyxy (guB. puc. 2, a, KpuBa 2) Ta Big 18na go 50na 3a Typ6yneHTHoro pyxy (puc. 2, 6, Kpu-Ba 2). ^oBoni uiKaBi pe3ynbTaTH oTpuMam 3a KyTiB a/2 =85°. y npoMmKy 84< a/2 <86 rigpaBninHHH onip KoH^y-3opa, to 3HH®yMTbca to 3HoBy 3pocTae. 3a a/2 > 87° rig-paBninHHH onip 3HH®yeTbca go 3HaneHHa 6nu3bKo 55 na -3a naMiHapHoro Ta 92na - 3a Typ6yneHTHoro pe^HMiB pyxy noBiTpa. TaKi 3HaneHHa rigpaBninHoro onopy 3a 60°<a/2<87° Mo^yTb 6yTH noacHeHi BigpuBaMH noToKy noBiTpa y KoH$y3opi, ^o npu3BoguTb go nigBH^eHHa cTy-neHa Typ6yni3auii noToKy. ToMy nig nac npoeKTyBaHHa
Phc. 2. 3ane®HicTb 3HaneHHa rigpaBni^Horo onopy KoH^y3opa Big 3HaneHHa KyTa a/2 3a yMoBH naMiHapHoro (a) Ta Typ6yneHTHoro (6) pe^HMy pyxy noBiTpaHoro noToKy
Ha puc. 3 npegcTaBneHo po3nogin mBHgKocTi noToKy y nno^HHi, aKa npoxoguTb nepe3 Bicb KoH$y3opa npu KyTi a/2 BignoBigHo piBHoMy 10°(gHB. puc. 3, a), 28°(gHB. puc. 3, 6), 80°(gHB. puc. 3, b), 90°(gHB. puc. 3, r).
npoBegeHHH aHani3 gae 3Mory 3po6uTH bhchobok npo Te, ^o reoMeTpuHHi po3Mipu KoH$y3opa MaMTb 3HanHHH BnnuB Ha xapaKTep pyxy noBiTpaHoro noToKy y Tpy6onpo-Bogi aK go, TaK i nicna Hboro. 3a 3pocTaHHaM 3HaneHHa KyTa a/2 po3nogin y Tpy6onpoBogi nicna KoH$y3opa cTae He-piBHoMipHimuH. no6nu3y 3oBHimHix cTiHoK cnocTepira-MTbca mBugKocTi noToKy, 3HaneHHa aKux e 6nu3bKHM go Hyna (guB. puc. 3; b, r). TaKe aBH^e npu3BoguTb go 3MeH-meHHa "^HBoro" nepepi3y Tpy6onpoBogy, BHacnigoK noro 6yge 3pocTaTH Horo rigpaBninHun onip.
TeoMeTpuHHi po3Mipu KoH$y3opa MaMTb 3HanHHH BnnuB Ha xapaKTep pyxy noBiTpaHoro noToKy nicna TaKoro npucTpoM. Ha puc. 4 npegcTaBneHo xapaKTep po3noginy TaHreHuianbHoi cKnagoBol' mBugKocTi noToKy noBiTpa y Tpy6onpoBogi. Mo^eMo 3po6uTH bhchobok, ^o 3i 3poc-TaHHaM 3HaneHHa KyTa a/2 BH^e 30° noTiK nonuHae o6ep-TaTuca ^e go KoH$y3opa. 3 iHmoro 6oKy, nicna KoH$y3o-pa noTiK noBiTpa o6epTaeTbca o6oB'a3KoBo. 3a 3HaneHb a/2 = 10° Ta a/2 = 28° 3HaneHHa TaHreHuianbHoi cKnagoBol' mBugKocTi noToKy noBiTpa BignoBigHo 6nu3bKi go 18 m/c Ta 21 m/c. 3a 3HaneHb a/2 = 80° Bigpa3y nicna KoH$y3opa BHHHKae ginaHKa, ge TaHreHuianbHa cKnagoBa mBugKocTi noToKy 6nu3bKa go 30 m/c. To6to yTBoproeTbca btophh-hhh noTiK, HaaBHicTb aKoro 3HanHoro MipoM nigBH^ye 3HaneHHa rigpaBninHoro onopy noBiTponpoBogy. 3a 3Ha-neHb a/2 = 90° TaKuH Buxop 3HHKae i TaHreHuianbHa cKnagoBa mBugKocTi noToKy e 6nu3bKoM go 24 m/c. yMoBH bh-HHKHeHHa Ta npupogy TaKoro Buxopy 6yge gocnig^eHo y HacTynHux ^6niKauiax, ane, Ha Hamy gyMKy, caMe noro
HayKOBMM BicHUK H^Ty yKpaiHM, 2017, t. 27, № 6 Scientific Bulletin of UNFU, 2017, vol. 27, no 6
165
B) velocity [mis] | r)
Phc. 3. rpa^iKH po3noginy mBngKocii noToKy noBiTpa npu KyTi a/2 piBHoMy 10°(a), 28°(6),
°(b), 90°(r)
Phc. 4. rpai^iKH po3noginy TaHreHuianbHoi craiagoBoi mBngKocri noToKy noBiTpa 3a KyTa a/2 piBHoro 10°(a), 28°(6), 8O°(b), 90°(r)
Bhchobkh. Ha ocHoBi po3po6neHol' MaTeMaTHHHoi mo-geni noTpi6Ho npoaHani3yBam pyx noToKy Ta eKcnnyaTa-uiHHi xapaKTepucTHKH TaKux eneMeHTiB acnipauiHHoi cuc-TeMH, aK gu$y3opu, KoniHa, nepexogu i3 Kpyrnoro nepepi-3y Ha KBagpaTHHH, a TaKo® po3po6uTH KoMnneKcHi peKo-
MeHgauii ^ogo BnnuBy oKpeMux KoHcipyKUiHHHx eneMeHTiB acnipauiHHoi' cucTeMH Ha i'l eHeproo^agrncTb Ta npo-gyKTHBHicTb.
166
HayKOBMM BicHUK HHTy yKpaiHM, 2017, t. 27, № 6 Scientific Bulletin of UNFU, 2017, vol. 27, no 6
nepe^iK BHKopHcraHHx g»epe.n
Dadak, Yu. R., Lyashenyk, A. V., Tysovsky, L. O., Dorundyak, L. M. (2015). Effect of geometrical dimensions of cyclone on its hydraulic resistance. Collection of scientific articles "Energy, energy saving and rational nature use", 2(5), 5-12. Radom (Poland): Kazi-mierz Pulaski University of Technology and Humanities in Radom.
Idelchik, I. E. (1954). Gidravlicheskie soprotivleniia: (fiziko-mekha-nicheskie osnovy). Moscow: Gosenergoizdat. 316 p. [in Russian].
Liashenyk, A. V., Tysovskyi, L. O., Dorundiak, L. M., & Dadak, Yu. R. (2012). Doslidzhennia vplyvu bunkera na aerodynamiku tsyklo-na shliakhom modeliuvannia protsesiv zasobamy Cosmos Flo-works. Scientific Bulletin of UNFU, 22(1), 113-119. [in Ukrainian].
Liashenyk, A. V., Tysovskyi, L. O., Dorundiak, L. M., Dadak, Yu. R., & Krupa, V. M. (2011). Pro vplyv heometrychnykh rozmiriv
tsyklona na yoho hidravlichnyi opir. Scientific Bulletin of UNFU, 21(6), 71-77. [in Ukrainian].
Liutyi, Ye. M., Tysovskyi, L. O., Dadak, Yu. R., & Liashenyk, A.V. (2009). Tsyklony v derevoobrobnii promyslovosti. Lviv: Redaktsiia zhurnalu "Ukrainskyi pasichnyk". 148 p. [in Ukrainian].
Tisovskii, L. O., Dorundiak, L. M., Liashenik, A. V., Dadak, Iu. R. (2009). Matematicheskoe modelirovanie aerodinamicheskikh prot-cessov v tciklone. Noveishie dostizheniia v oblasti importoza-meshheniia v khimicheskoi promyshlennosti i proizvodstve stro-itelnykh materialov i perspektivy ikh razvitiia: Materialy mezhdu-nar. nauchn.-tekhn. konf. (in 2 parts). Minsk, 25-27 november 2009, (pp. 188-182). MN BGTU (part 2). [in Russian].
Tysovskyi, L. O., Dorundiak, L. M., Liashenyk, A. V., & Dadak, Yu. R. (2010). Pobudova matematychnoi modeli dlia zadachi pro rukh povitria v tsykloni. Vseukrainskyi naukovo-tekhnichnyi zhurnal PHiP, 2(28), 57-62. [in Ukrainian].
Ю. Р. Дадак1, А. В. Ляшенык2, Л. О. Тысовский1
1Национальный лесотехнический университет Украины, г. Львов, Украина 2Коломыйский политехнический колледж НУ "Львовская политехника", г. Коломыя, Украина
ЧИСЛОВОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АСПИРАЦИОННОЙ
СИСТЕМЫ НА ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
На основании разработанных авторами ранее опубликованных математических моделей и подходов к изучению влияния отдельных элементов циклона на его аэродинамические характеристики, исследованы геометрические параметры конфузо-ра на аэродинамику потока в трубопроводе аспирационной системы и значения потерь давления. Исследование проведено путем моделирования процессов перемещения воздушных потоков в трубопроводе аспирационной системы средствами специализированного программного обеспечения в среде MathCad и Flowvision. Актуальность исследований подтверждается широким внедрением аспирационных систем в деревообрабатывающей отрасли, что обусловлено требованиями к улучшению условий труда на предприятиях. В то же время эксплуатация систем аспирации неотделимо связана с высоким энергопотреблением, необходимым для обеспечения эффективных режимов их работы. Поэтому для повышения эффективности и уменьшения энергопотребления на их эксплуатацию нужно искать подходы для уменьшения потерь давления, что возникают в воздухопроводе во время движения воздуха и транспортированного материала. Для решения этой задачи следует исследовать отдельные элементы аспирационных систем и определить распределение полей давлений и скоростей движения воздушного потока, что обусловлены их параметрами и конструкционными особенностями. Результаты таких исследований позволят предложить эффективные технические решения для усовершенствования существующих конструкций аспираци-онных систем, а также рациональные технические решения на этапе их проектирования.
Ключевые слова дифузор; конфузор; поле скоростей; приграничный слой; имитационное моделирование; числовой анализ.
Yu. R. Dadak1, A. V. Lyashenyk2, L. O. Tysovskiy1
1Ukrainian National Forestry University, Lviv, Ukraine 2Kolomyya Polytechnic College Lviv Polytechnic National University, Kolomyya, Ukraine
NUMERICAL STUDY OF THE EFFECT OF SELECTED ELEMENTS OF THE ASPIRATION SYSTEM
ON ITS OPERATING PERFORMANCE
The article, based on the mathematical models and approaches to the study of effects of selected cyclone elements on its aerodynamic properties, which have been already developed and described by the authors, considers impact of the confusor's geometric parameters on the flow aerodynamics in the aspiration system pipeline and the pressure loss. The research was carried out by simulating the airflow movements in the aspiration system pipeline using the specialized software in the MathCad and Flowvision environments. Relevance of the research is confirmed by the wide application of aspiration systems in the woodworking industry, as required to meet requirements for improving the industrial working standards. At the same time, the operation of aspiration systems is linked to the high costs of electricity to provide efficient modes of operation. That is why, in order to increase efficiency and reduce energy costs for their operation, it is necessary to find approaches to reduce the pressure losses in the airline during the movement of the air and material mixture. To solve this problem, it is necessary to study individual elements of aspiration systems and describe the distribution of pressure fields and airflow rates, which are determined by their parameters and design. The research results would enable us to implement effective technical solutions to improve the existing structures of aspiration systems, as well as to offer rational technical solutions at the design stage. Aspiration systems often use devices to change the pipeline diameter from smaller to larger ones, or vice versa. Confusors and diffusers, along with such elements as turning joints, largely determine the values of hydraulic resistance of the aspiration systems, which in turn affects the energy consumption for an effective mode of operation. Given the positive experience obtained by the study effect of individual elements of the cyclone and its aerodynamic characteristics, the authors explored impact of certain elements of the aspiration system based on the previously suggested mathematical models by simulating flows of the dust-air mixture in the aspiration system pipeline. The data obtained allows drawing the constant patterns of the pressure fields and rates distribution in the aspiration system pipelines and making constructive changes at the stage of aspiration systems design. As a result of the research performed, the authors have defined ways to reduce the hydraulic resistance of aspiration systems and determined directions of further research.
Keywords: diffuser; confuser; velocity field; boundary layer; simulation; numerical analysis.
Науковий вкник НЛТУ УкраТни, 2017, т. 27, № 6 Scientific Bulletin of UNFU, 2017, vol. 27, no 6
167
