CC BY
41
голкофрези характеризуються такими розмiрами: дiаметр D = 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500 мм, ширина В = 20, 24, 30, 32, 34, 50, 60, 70, 75, 85, 90, 100, 105, 140, 160 мм.
Одним Í3 основних напрямюв ще! роботи е дослщження процесу об-роблення щитових елеменлв старих меблiв голкофрезами. Розроблена експе-риментальна установка, яка дае змогу у широкому дiапазонi плавно змшюва-ти швидкiсть рiзання та швидюсть подачi, товщину шару тощо. Попереднi дослiдження пiдтвердили можливiсть оброблення цилшдричними голкофрезами ламiнованих та кашованих ДСП.
Якщо виходити з найпршого випадку - якiсть оброблювано! поверхнi не вiдповiдатиме вимогам для подальшого покриття оброблених плит плiвка-ми чи шпоном, то !х цiлком можна буде використати для виготовлення карка-сiв м'яких меблiв.
Повторне використання щитових елементiв меблiв дае змогу вирши-ти декшька завдань: зменшити потребу галузi у ДСП; частково проблему ути-лiзацil старих корпусних меблiв; покращити еколопчш показники меблево! продукцп за рахунок використання плит iз низьким вмютом формальдегiду; зменшити собiвартiсть меблево! продукци.
Л1тература
1. Шаров Н.В., Гинзбург Е.Н., Лучкин В.Ф. Производство кистещеточных изделий. -М.: Лесн. пром-сть, 1981. - 268 с.
2. Шмелев И.А. Сварочно-монтажные работы при строительстве трубопроводов. - М.: Лесн. пром-сть, 1988. - 236 с.
3. Суслов А.Г., Захаров Л.А., Маслюков В.А. Новые технологии обработки поверхностей катания железнодорожных рельсов. - Брянск: БГТУ, 2004. - 365 с.
УДК 674:621.928.93 Проф. €.М. Лютий, д-р техн. наук;
доц. Л.О. Тисовський. канд. фЬ.-мат. наук - НЛТУ, м. Львiв;
А.В. Ляшеник, канд. техн. наук; В.1. Полоз -Коломийський полiтехнiчний коледж
КОМП'ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РУХУ ПОВ1ТРЯНИХ
ПОТОК1В У ЦИКЛОНАХ
Пропонусться використання CAE (Computer Aided Engineering) технологи для вивчення руху пов^ряних потоюв у циклонах. Проведено порiвняння мiж результатами комп'ютерних та експериментальних дослщжень, проведених авторами. Показано доцшьшсть використання числових методiв, що грунтуються на CAE технологь ях i методi скiнчених елементiв.
Prof. Ye.M. Lyutyj; assist. prof. L.O. Tysovs'kyj-NUFWTof Ukraine, L'viv;
A.V. Lyashenyk; V.I. Poloz - Kolomyjapolytechnic college
Computer design of motion of currents of air in cyclones
The article describes application of CAE technologies for research of motion of currents of air in a cyclone. Comparison is conducted between the results of computer and experimental researches.
Дослiдженням аеродинамiчних процесiв, що вiдбуваються у циклонах, були i е у полi зору велико! кiлькостi дослiдникiв. Циклони, як пристро! для очищення повггря, вiдомi з 1886 р., проте на сьогодш ще не створено загаль-на теорiя очищення пилоповггряного потоку в циклонi, що значно ускладнюе процес створення нових конструкцш цих сепараторiв. При створеннi ново! конструкци циклона автори бiльше опираються на практичний досвiд, а не на теоретичш залежностi. Спочатку створюеться дослiдний зразок, проводяться його випробування та вивчення впливу окремих елемент1в на характеристики пристрою в цшому. Тому процес створення ново! конструкци циклона в таких умовах е тривалим i вимагае значних матерiальних витрат.
Останнiми роками, у зв'язку з потужним розвитком комп'ютерно! тех-нiки та програмного забезпечення ютотно розширилися можливостi числового анашзу завдяки CAE (Computer Aided Engineering) технологш, тобто тех-нологш розрахункового аналiзу конструкцiй. У межах САЕ юнуе такий клас програм, як CFD (Computational Fluid Dynamics), що призначеш для комп'ю-терного аналiзу потокiв. До цього класу належать такi програми, як Cos-mosFloWorks, Fluent, Flowvision та ш.
CFD програми добре себе зарекомендували при наукових дослщжен-нях потоюв у рiзноманiтних галузях промисловостi. Тому у данш статтi зроб-лено спробу вивчити !х можливостi для анашзу конструкцiй циклонiв. З щею метою у студентськiй версi! пакету SoHdWorks було створено твердотiльну модель циклона ЦН-15 (рис. 1). Дослщження аеродинамiчних процесiв у циклош проводилося за допомогою студентсько! верси програми CosmosFloworks.
Рис. 1. Циклон ЦН-15 (а) та його модель (б):
1 - циклон ЦН-15; 2 -бункер; 3 - вх1дний патрубок; 4 - патрубок
Математичний апарат програми СоБтовБ^'^гкв розкрито в робот [1].
Дослiдження аеродинамiчних процеЫв у циклонi проводили, на основi рiвняння Нав'е-Стокса, що описують у нестащонарнш постановцi, закони збереження маси, iмпульсу й енерги середовища. К^м того, використовували рiвняння стану компоненлв потоку, а також емпiричнi залежност в,язкостi й теплопровiдностi цих компонент середовища вiд температури. Цими рiв-няннями моделюються турбулентнi, ламiнарнi i перехiднi потоки. Для моде-лювання турбулентних потокiв (вони найчастiше трапляються в iнженернiй практицi) рiвняння Нав'е-Стокса усереднюються за числом Рейнольдса, тобто використовуеться усереднений за малим масштабом часу вплив турбулен-тностi на параметри потоку, а великомасштабш тимчасовi змiни усереднених за малим масштабом часу i часу складових газодинамiчних параметрiв потоку (тиску, швидкостей, температури) враховуються введенням вiдповiдних похщних за часом. У результатi рiвняння мають додатковi члени - напружен-ня за Рейнольдсом. Для замикання ще1 системи рiвнянь використовувались рiвняння переносу кшетично1 енерги турбулентностi i 11 дисипаци в рамках к-е моделi турбулентностi [1, 2].
Система рiвнянь збереження маси, iмпульсу й енерги нестацiонарного просторового потоку мае наступний вигляд у рамках шдходу Ейлера у Декар-товш системi координат (xi, { = 1, 2, 3), що обертаеться з кутовою швидюстю О навколо ош, що проходить через И початок [1]:
др д
■ + ■ д! дх
к
(рик ) = 0; (1)
д(ри) д ( ч д(рЕ)
д(рЕ) + -Т^-((рЕ + Р)ик + ак - "№) = Бкик + Он, д дхк
(3)
де: ! - час, и - швидюсть потоку повiтря, р - густина повггря, Р - тиск повгг-ряного потоку, Б! - зовтшт масовi сили, що дiють на одиничну масу потоку, Е - повна енерпя одинично1 маси потоку, Он - тепло, що видшяеться тепло-вим джерелом в одиничному об'емi повiтряного потоку, т^ - тензор в'язких напружень, - дифузшний тепловий потiк. Нижнi шдекси означають суму-вання за трьома координатними напрямками.
Для опису граничних умов у моделi циклона на його входi та виходi добавляли допомiжнi тiла, якi описують змют вхiдного та вихiдного потокiв. При завданш граничних умов вибирають поверхш цих тiл, якi розмiщенi на краю розрахункового об'ему. Змодельований потж буде спрямовано перпендикулярно до таких поверхонь.
Метою дослщження був аналiз руху повiтряних потокiв у циклош та дослiдження його гiдравлiчного опору. Гiдравлiчний опiр циклона визначали як рiзницю мiж повним тиском на початку вхщного патрубка та на виходi з вихлопно1 труби сепаратора.
Вихщними параметрами для даного сепаратора у проведеному дослщ були характеристики повпряного потоку та пилу:
атмосферний тиск при нормальних умовах Р0=101325 Па; температура середовища при нормальних умовах Т0=293 К; густина повгтря рп = 1,293кг/м3;
швидшсть потоку повгтря у входному патрубку У0=18 м/с.
Результати проведення експеримештв представленi нижче.
Одержанi результати числового анашзу порiвнювали з результатами експериментального дослiдження такого ж циклона (рис. 1а), як проводились авторами i представленi в роботах [3-5]. Циклон (рис. 1а) був спроекто-ваний i виготовлений вiдповiдно до рекомендацiй [6]. Експериментальний стенд, на якому проводилися дослщження руху пов^ряних потокiв у циклонi розроблявся вщповщно до вимог [7]. За основу прийнято стенд для випробу-вання сухих циклошв, що встановлеш на нагнiтальному боцi мережi. При проведенш дослiджень використовували рекомендаци [3, 8]. Дослщження гiдравлiчного опору циклона проводили на не запиленому повiтрi [7]. Вщпо-вiдно до [7] гiдравлiчний опiр визначали як рiзницю повного тиску перед i пiсля циклону. Повний тиск замiряли за допомогою пневмометричних трубок
та мжроманометра.
п| ы ьа^ 101564 <№<> 101531 1(31515
II
I
10И01
1вие;
101443 101131 191114 Сгэшчеин (Па)
4
101430 101454 101427 101401 101375 101349
а б
Рис. 2. Розподт статичного тиску у вертикальному перерiзi циклона
(а) та вихлопнш трубi (б)
Результати, що були одержат внаслщок комп'ютерного моделювання руху повгтряних потоюв у циклош представлен на рис. 2-4. Вони шдтвер-джуються дослiдженнями, якi проводилися з вивчення таких сепараторiв [3, 8, 9-12]. У циклош, як i в будь-якому криволшшному потоцi, статичний тиск повгтря значно зменшуеться в напрямi вiд перифери до центра обертання потоку. Ефектившсть очищення газiв зменшуеться через перепад тисюв вздовж осi циклона. Зi збшьшенням градiенту тиску знижуеться ефективнiсть цикло-
на, шдсилюються вториннi потоки i збшьшуеться його гiдравлiчний опiр. Тому, при дослщженш конструкци циклона, важливо дослщити розподiл тиску вздовж його ос (рис. 2а). Перепад тиску становить близько 100 Па у просторi мiж вихлопною трубою та зовшшньою стiнкою циклона. Розподiл статичного тиску у вихлопнш трубi циклона вiдображено на рис. 2б. На ньому чiтко прослiдковуються дшянки з розрiдженням, тобто по центру вихлопно! труби трапляються дiлянки, де статичний тиск е меншим за атмосферний. Такi ре-зультати е близькими до висновюв, якi представлено в роботах [3, 8-10, 12]. Характер вертикально! складово! швидкост потоку повггря в циклонi зобра-жено на рис. 3а. Поблизу зовшшньо! стшки вона спрямована вниз i набувае значень 3-6 м/с. У кошчнш частинi циклона вертикальна складова швидкостi потоку повiтря е близькою до нуля. На осi циклона вона спрямована до верху циклона. Найбшьших значень вертикальна складова швидкост набувае у вихлопнш труб^ що може свiдчити про певне вирiвнювання потоку.
3
17 9862
I
-3.64857 -6.50792 -9,2172!
В.СК.1.ШЗНД1С0СГ1
(ИГЦ
I
35 г I 1.5
Г 1 Г I 5
т 8
1 ->.5
-1
-1,5
2
Тп: "Пгтготш □з
3 1
а б
Рис. 3. Розподл вертикально! (а) та тангенщально! складово! (б) швидкостi потоку повШря в циклош
Результати дослщження тангенщально! складово! потоку повггря в циклонi представлеш на рис. 3б. Як бачимо, характер такого розподшу е не-рiвномiрним, тобто у рiзних перерiзах циклона вiн е рiзним. Це певною мь рою суперечить традицшним уявленням про розподiл тангенцiально! складово! швидкост руху повiтря в циклонах [12], проте доволi точно шдтвер-джуеться дослiдженнями, що були проведет в останш роки [8] i свiдчать про
те, що у сепарацiйнiй зонi тангенцiальна швидюсть в радiальному напрямку мае неоднаковий характер змши за висотою.
125.6633 . 23 2769 20 6906 . 18.1043 . 1 5.51 Б - 12 9316 , 10.3453
результати повтстю вщповщають сучасним представленням про аеродинамь ку процесу [3, 9, 11, 12].
Для бшьш детального тестування СББ програм дослiджувався пдрав-лiчний опiр циклона i проводилося порiвняння з результатами, що були одержат при експериментальному вивченнi. На рис. 5 крива 2 вщповщае аероди-намiчнiй характеристицi циклона, яка була одержана внаслщок комп'ютерно-го моделювання, а крива 1 - з експериментальних дослiджень. Крива 2 правильно вщображае, що залежтсть мiж швидкiстю потоку повiтря у вхщному патрубку та гiдравлiчним опором циклона мае квадратичний характер, проте значення гiдравлiчного опору, одержат внаслщок моделювання е дещо ниж-чим. Рiзниця мiж одержаними результатами може бути пояснена факторами, як пов'язат з негативними проявами приповерхневого шару та наявтстю вихрових потокiв, яю складно описуються теоретично [2, 3].
Пщсумовуючи проведенi дослiдження, можна зробити наступний вис-новок. За допомогою програми CosmosFloworks змоделоьвано загальнi особ-ливостi аеродинамiки руху повiтряних потоюв у циклонi, розподiли статичних
Швндюсть потоку повхтря у вхщному паггрубку V, м?с
Рис. 5. Залежшсть гiдравлiчного опору циклона eid швидкостi потоку повтря у exidHOMy патрубку, яка була одержана за результатами експерименту (крива 1)
та моделюванням (крива 2)
тисюв та складових швидкост потоку повггря. Тому застосування CAE тех-нологш та CFD програм можуть значно скоротити час проектування та дос-лщження нових конструкцш апара^в, вiдкинути на еташ проектування зазда-легiдь невдалi конструкци. Рiзниця мiж результатами експериментальних дослщжень i комп'ютерного моделювання вказуе на необхщшсть подальшого вивчення питання застосування CAE технологш та створення додаткового програмного забезпечення для покращення результат моделювання, що бу-де зроблено авторами у наступних публжащях.
Лггература
1. SolidWorks. Компьютерное моделирование в современной практике/ Алямов-ский А.А., Собачкин А.А., Одинцов Е.В. и др. -СПб.: БХВ-Петербург, 2005.-800 с.: ил.
2. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Изд-во "Наука", Гл. ред. физ.-мат. лит-ра, 1978. - 736 с.
3. Ляшеник А.В. Обгрунтування параметрiв фшьтрувального циклона для очищення ас-пiрацiйного повiтря вiд деревного пилу/ Дис.... канд. техн. наук: 05.05.07. - Львiв, 2005. - 150 с.
4. Лютий С.М., Нахаев П.П., Ляшеник А.В. До розпод^ тангенщально! складово! швидкостi потоку в циклош ЦН-15 i фшьтруючому циклонi// Наук. вiсник УкрДЛТУ// Зб. на-ук.-техн. праць. - Львiв: УкрДЛТУ. - 2001, вип. 11.4. - С. 190-195.
5. Лютий С.М., Нахаев П.П., Ляшеник А.В. Ефективнють застосування циклошв iз фшьтруючими зовнiшнiми стшками// Наук. вiсник УкрДЛТУ// Зб. наук.-техн. праць. - Львiв: УкрДЛТУ. - 2002, вип. 12.2. - С. 121-125.
6. Циклоны НИИОГаз. Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации. - Ярославль, 1971. - 94 с.
7. Единая методика сравнительных испытаний пылеуловителей для очистки вентиляционного воздуха. - Л.: ВНИИОТ ВЦСПС, 1967. - 103 с.
8. Майструк В.В. Роздшення запилених газiв у циклонах з промiжним вщведенням твердо! фази/ Дис.... канд. техн. наук: 05.17.08. - Львiв, 2000. - 142 с.
9. Пирумов А.И. Аэродинамические основы инерционной сепарации/ Под ред. Н.Я. Фабриканта. - М.: Госстройиздат, 1961. - 121 с.
10. Fredriksson C. Exploratory Experimental and Theoretical Studies of Cyclone Gasification of Wood Powder. Doctoral thesis/ Lulea university of technology. Sweden. 1999. - P. 169.
11. Ogawa A., Sugiyama K., Nagasaki K. Separation mechanism for fine solid particles in the uniflow type of the cyclone dust collector. Paper presented at Filtech Conference, Horsham, West Sussex, UK, 1993. - PP. 627-640.
12. Frank Th. Application of Eulerian - Lagrangian prediction of gas - particle flow to cyclone separators. Lecture series1999-2000. "Theoretical and experimental modelling of particle flow". Bruessels. Belgium. 03-07 April 2000. - P. 52._
