CC BY
19Аверкова О. А., канд. техн. наук, доц. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРЫВНЫХ ТЕЧЕНИЙ НА ВХОДЕ ВО ВСАСЫВАЮЩИЕ ОТВЕРСТИЯ*
Описываются разработанные экспериментальные установки и методика проведения натурного эксперимента по исследованию отрывных и вихревых течений на входе во всасывающие каналы.
Ключевые слова: отрывные течения, всасывающие каналы, натурный эксперимент, коэффициент местного сопротивления._
Внедрение аспирационных систем важно с экономической и социальной сторон [1]. Их производительность должна быть такой, чтобы эффективно улавливались пылевые выбросы, при этом расходы электроэнергии должны быть минимальны [2-8]. Главным элементом системы аспирации является всасывающее отверстие. При входе в каналы образуется отрывная область течения, которая теоретически изучалась в работах [9-14]. Однако, экспериментальных работ посвященных отрыву потока на входе во всасывающие каналы крайне мало. Поэтому целью работы являлась разработка экспериментальных стендов и методики эксперимента по изучению отрывных и вихревых течений в аспи-рационных системах.
Экспериментальные исследования поля скоростей в непосредственной близости от входного отверстия предлагается выполнять на опытной установке (рис.1), рабочей частью ко-
торой является канал, образованный двумя вертикальными плоскостями 500x500 мм (из оргстекла толщиной 8 мм) и двумя горизонтальными полосами из оцинкованного листового железа (толщиной 0,55мм). Расстояние между плоскостями, как и между полосами, составляет 100мм. Общая длина нижней полосы равна 600 мм (причем на 100 мм входит во внутрь примыкающей камеры статического давления). Верхняя, длинной 100мм, была прикреплена к вертикальной стенке камеры и к вертикальным плоскостям и образовывает выступ канала (с поперечным сечением 100 x100мм). Вертикальные плоскости продолжены во внутрь камеры статического давления на расстояние 100мм (как и нижняя стенка канала). Таким образом, рабочая часть установки была максимально приближена к модели плоских задач течения вблизи вытяжного отверстия.
Рис. 1. Опытная установка для исследования поля скоростей вблизи всасывающей щели:
1 - всасывающее отверстие; 2 - камера статического давления (500 X 500 X 1100 мм);
3 - перегородка; 4 - измерительный коллектор ( 0 =112 мм); 5 - микроманометры ММН-2400; 6 - воздуховод (0 =125
мм); 7 - вертикальные плоскости; 8 - горизонтальная полоса (100 X 600 мм, 8 =0,55 мм); 9 - выступ (козырек, 100 X 100
мм, 8 =0,55 мм); 10 - зонд термоанемометра testo 425 (0 =6/7,5 мм); 11 - вертикальная стенка камеры статического давления; 12 - датчик скорости
Измерения поля скоростей проводили в вертикальной плоскости, проходящей через ось симметрии канала термоанемометром testo-435 (погрешностью ±(0,03 + 0,05u) м/с). Скорость автоматически усреднялась в интервале времени измерений At = 20 ^ 25 сек (при этом в автоматическом режиме осуществлялось около 50 измерений скорости в заданной точке). Определение расхода воздуха, отсасываемого из герметичной камеры статистического давления двумя последовательно соединенными вентиляторами (ВКМ 150 фирмы Вентс и ЕХ-18 4с фирмы Systemair), осуществляется с помощью коллектора и микроманометра ММН-2400. Для исключения деформации потока на входе в коллектор, камера статического давления оснащена перегородкой из фильтровальной ткани.
Характерная скорость определялась из уравнения расхода
q=иЩB = u* ■<£;
где U
средняя скорость в щели; q - удель-
ный расход воздуха, определяемый при измеренном с помощью микроманометра перепаде статических давлений в коллекторе Ар (Па). В нашем случае (при длине щели 0,1м) эти величины определялись по формулам:
Sk
q = ■
2Ap
0,1 ^ (1+ Ck )р
= 0,0507 A— , —
u = 0,507
щ ?
, Р
—— , м/с, Р
с ■ м
(1)
где ^ - площадь замерного сечения коллектора (в нашем случае ^ = 0,1122 • ж / 4 = 0,00985 м2); р — плотность воздуха, кг/м3; ^ = 0,073 —
к.м.с. коллектора.
Точность измеренных продольных составляющих в вертикальных сечениях щели проверялась графическим интегрированием и сопоставлением полученного среднего значения ско-*
рости и* с расчетами по формуле (1). Погрешность не превышала 2-3%.
Для определения коэффициента местного сопротивления была разработана и смонтирована следующая экспериментальная установка (рис.2).
Коэффициент местного сопротивления при входе воздуха в экранированный воздуховод определяется в соответствии с общепринятым соотношением £ = 2АР /(ри2) , представляющим собой отношение разности полных давлений к динамическому (скоростному) давлению.
Опыты проводили на установке (рис.2), измерительная часть которой состоит из микроманометра ММН-2500 и пневмометрической трубки Пито-Прандтля. Измерение давлений проводили в сечении, удаленном на расстоянии 1.5 м от оси входного сечения винипластовой трубы с внутренним диаметром 125 мм и толщиной стенки 1.7 мм. Система экранов (щита на трубе и экрана с круглым отверстием) связаны с помощью стальных шпилек диаметром 4 мм и длиной 400 мм. Для обеспечения перпендикулярности этой системы к оси трубы и ее осевой симметрии щит, моделирующий вертикальную непроницаемую стенку, жестко прикреплен к скользящей по трубе трехгранной правильной призме высотой 100 мм, а шпильки для крепления экрана - к ребрам этой призмы. Щит и экран выполнены из прессованного картона толщиной 4 мм в виде дисков с диаметрами О0 = 128 мм,
Б = 450мм и О0 = 128 мм, Б = 360мм, соответственно в некоторых опытах внутренний диаметр экрана О0 составлял 106.5, 102.5, 90 и 73 мм. Большая часть опытов проводилась при О0 = 128 мм. Для жесткой фиксации и установки экрана на нужном расстоянии г использовали гайки для зажима с двух сторон.
_2_ 1
Рис. 2. Схема экспериментальной установки для определения сопротивления при входе воздуха в экранированное круглое отверстие:
1 - экран с центральным отверстием; 2 - щит; 3 - направляющая трехгранная призма; 4 - труба; 5 - микроманометр с наклонной трубкой; 6 - пневмометрическая трубка Пито-Прандтля; 7 - стальные стержни-шпильки; 8 - гайки для фиксации экрана
В опытах изменялась длина выступающей части трубы d = 0 +100 мм и величина зазора между входным сечением и экраном г = 0 +150 мм. Средняя скорость воздуха в трубе и определялась с помощью измерения скоростного давления по оси трубы и внесения поправочного коэффициента на неравномерность поля скоростей, величина которого была определена измерениями скорости в четырех точках равновеликих колец. Потерями давления на трение о стен-
*
ки трубы от входного до замерного сечения пренебрегали (не только из-за гладкости трубы, но и из-за невозможности корректного учета этих потерь в условиях стабилизации потока при отрывном входе воздуха). Средняя скорость воздуха в трубе составляла 7-9 м/с.
Таким образом, разработаны и смонтированы экспериментальные установки для определения поля скоростей и коэффициента местного сопротивления на входе во всасывающие каналы. Разработана методика проведения натурного эксперимента. Полученные результаты могут быть использованы для исследования математических моделей отрыва потока на достоверность.
*Исследования выполнены при поддержке Совета по грантам Президента РФ (код проекта НШ-588.2012.8).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Логачев, И.Н. Характеристика пылевых выбросов при перегрузках сыпучих материалов / И.Н. Логачев, К.И. Логачев, О.А. Аверкова // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. -2009. - № 3. - С.63-67.
2. Логачев, К.И. Численное моделирование пылевоздушных течений вблизи вращающегося цилиндра-отсоса / К.И. Логачев, А.И. Пузанок // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2005. - № 9. - С. 63-70.
3. Логачев, К.И. Компьютерное моделирование пылегазовых потоков в пульсирующих аэродинамических полях/ К.И. Логачев, А.И. Пузанок, В.Ю. Зоря // Вычислительные методы и программирование: новые вычислительные технологии. - 2006. - Т. 7. - № 1. - С. 195-201.
4. Логачев, К.И. Численное исследование поведения пылевой аэрозоли в аспирационном укрытии/ К.И. Логачев, И.Н. Логачев, А.И. Пузанок // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2006. - № 5. - С. 65-71.
5. Логачев, И.Н. О прогнозировании дисперсного состава и концентрации грубодисперс-ных аэрозолей в местных отсосах систем аспирации/ И.Н. Логачев, К.И. Логачев // Известия высших учебных заведений. Строительство. -2002. - № 9. - С. 85-90.
6. Логачев, К.И. Закономерности изменения дисперсного состава пылевых аэрозолей в аспи-рационном укрытии/ К.И. Логачев, О.А. Авер-
кова, В.Ю. Зоря // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2007. - № 9. - С. 46-52.
7. Аверкова, О.А. Особенности поведения аэрозольных частиц в аспирационном укрытии стандартной конструкции/ О.А. Аверкова, В.Ю. Зоря, К.И. Логачев // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2007. - № 11. - С. 34-36.
8. Аверкова, О.А. К вопросу о моделировании пылегазовых потоков в аспирационном укрытии/ О.А. Аверкова, В.Ю. Зоря, И.Н. Логачев, К.И. Логачев // Вычислительные методы и программирование: новые вычислительные технологии. - 2009. - Т. 10. - № 1. - С. 371-376.
9. Логачев, К.И. Расчет течения вблизи круглого всасывающего патрубка/ К.И. Логачев,
B.Н. Посохин// Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. - 2004. - № 1. - С. 29-32.
10. Логачев, К.И. Расчет течений на входе в отсосы-раструбы методом дискретных вихрей/ К.И. Логачев, А.И. Пузанок, ВН. Посохин // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2004. - № 7-8. - С. 61-69.
11. Посохин, В.Н. К расчету течения вблизи щелевидного отсоса-раструба/ В.Н. Посохин, Н.Б. Салимов, К.И. Логачев, А.М. Живов // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2002. - № 10. - С. 81-84.
12. Логачев, И.Н. Моделирование отрывных течений вблизи всасывающей щели/ И.Н. Логачев, К.И. Логачев, В.Ю. Зоря, О.А. Аверко-ва // Вычислительные методы и программирование: новые вычислительные технологии. -2010. - Т. 11. - № 1. - С. 43-52.
13. Логачев, И.Н. Математическое моделирование отрывных течений при входе в экранированный плоский канал/ И.Н. Логачев, К.И. Логачев, О.А. Аверкова // Вычислительные методы и программирование: новые вычислительные технологии. - 2010. - Т. 11. - № 1. - С. 6877.
14. Логачев, И.Н. Математическое моделирование струйного течения воздуха при входе в плоский канал с козырьком и непроницаемым экраном/ И.Н. Логачев, К.И. Логачев, О.А. Аверкова // Вычислительные методы и программирование: новые вычислительные технологии. - 2010. - Т. 11. - № 1. - С. 160-167.
1. Экологические проблемы и ситуации. -
C. 157-162.
