CC BY
28
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
188-199.
3. Cattoni R., Coianiz T., Messelodi S., Modena C. M. Geometric layout Analysis Techniques for Document Image Understanding : a Review // Technical report. IRST. Trento. - Italy. - 1998. -P. 68
4. Chaudhuri J., Nandy S. C., Das S., Largest Empty Rectangle Among a Point Set // Journal of Algorithms. - 2003. - Vol. 46. - Issue 1. - P. 54-78.
5. Lyman P., Varian H. R. How Much Information? // Technical Report. 2003. - URL : http://www.sims.berkeley.edu/ how-much-info-2003.
6. Machine Learning in Document Analysis and Recognition / Eds. : Marinai S., Fujisawa H. // Series:
Studies in Computational Intelligence. - 2008. -Vol. 90. P. - 434.
7. Orlowski M. A New Algorithm for the Largest Empty Rectangle Problem // Algorithmica. - 1990. - Vol. 5, No. 1-4. - P. 65-73.
8. Shigarov A. O., Bychkov I. V., Ruzhnikov G. M., Khmel'nov A. E. A Method for Table Detection in Metafiles // Pattern Recognition and Image Analysis. - 2009. - Vol. 19, No 4. - P. 693-697.
9. Бычков И. В., Ружников Г. М., Хмельнов А. Е., Шигаров А. О. Эвристический метод обнаружения таблиц в разноформатных документах // Вычислительные технологии. - 2009. - Т. 14. -№ 2.- C. 58-73.
УДК 621.7, 532.5 Курносов Николай Ефимович,
д-р техн. наук, профессор, зав. каф. «Транспортно-технологические машины и оборудование», Пензенский государственный университет, тел.: (8412) 36-80-71, e-mail: ttmo-pgu@mail.ru
Лебединский Константин Валерьевич, аспирант, вед. инженер каф. «Транспортно-технологические машины и оборудование», Пензенский государственный университет, тел.: (8412) 36-80-71, e-mail: Lebedinskiy_K@mail.ru
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАВИТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА В ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКАХ ЖИДКОСТИ
N.E. Kurnosov, K. V. Lebedinsky
COMPUTER SIMULATION OF CAVITATIONAL PROCESS IN THE TWIRLED STREAMS OF THE FLUID
Аннотация. Рассмотрена модель закрученного течения жидкости и образования в потоке зоны пониженного давления. Определены режимы, минимизирующие необходимые энергозатраты для возникновения кавитации. Выполнена экспериментальная проверка адекватности полученных моделей, изложены рекомендации по использованию результатов исследования.
Ключевые слова: закрученный поток, кавитация, вихревое устройство.
Abstract. The model of the twirled current of a fluid and formation in a stream of a lowered pressure zone is considered. ^nditions minimizing necessary power inputs for origin of a cavitation are certain. Experimental inspection of adequacy of the received models is executed, recommendations on use of results of research are stated.
Keywords: twirled stream, cavitation, vortical device.
В настоящее время эффекты гидродинамической кавитации широко используются для разработки новых технологических процессов и повышения эффективности работы существующего
оборудования в области физико-химической интенсификации различных технологических процессов. Анализ работ, связанных с возникновением и развитием гидродинамической кавитации в жидкостях, показывает недостаточность данных по теории возникновения кавитации в закрученных потоках жидкости. Отсутствуют также работы по моделированию процесса гидродинамической кавитации, позволяющие выявить закономерности и сформировать рекомендации по минимизации энергозатрат на образование кавитационной зоны в потоке жидкости. Практически не изучена гидродинамическая кавитация в целой группе кавита-ционных устройств, использующих закрученное или вихревое течение жидкости. [1-5] Согласно экспериментальным исследованиям [6], режим кавитации в различных гидрокавитационных устройствах наблюдается при организации течения жидкости с соответствующей скоростью при давлении от 0,5 МПа.
В связи с этим возникает необходимость продолжения работ в области моделирования ка-витационных процессов в жидких средах при их закрученном течении. Работа по исследованию
Современные технологии. Механика и машиностроение
ш
кавитационного процесса при закрученном течении жидкости расширяет видение общей картины кавитации в жидких средах и жидкостно -газовых потоках, что может послужить базой для разработки новых энергоэффективных технологий и устройств.
Цель настоящей работы заключалась в разработке рекомендаций по минимизации энергозатрат для обеспечения кавитационного процесса в закрученных потоках жидкости.
В процессе исследований проведено компьютерное моделирование течения закрученного потока жидкости и выявлены условия возникновения кавитационной зоны; определены режимы возникновения кавитации с минимальными энергозатратами; проведено экспериментальное исследование образования кавитационной зоны при закрученном течении жидкости на физических образцах с целью оценки адекватности полученных компьютерных моделей.
При исследовании использовалось компьютерное моделирование в модуле FlowSimulation программного продукта SoПdWorks. Экспериментальная проверка адекватности полученных результатов осуществлялась на физическом образце кавитационного устройства, размещенном на испытательном стенде.
Компьютерная модель вихревого кавитационного устройства показана на рис. 1. Описание граничных условий приведено в табл. 1.
ление в потоке жидкости, рг - давление насыщенных паров, р - плотность жидкости, и - скорость потока.
Таблица 1
Граничные условия
№ п/п Наименование граничной области Обозначение граничной области Тип граничных условий Описание граничной области Задаваемые значения
1 Входное отверстие In Inlet (вход) Поверхность отверстия штуцера Inlet Mass Flow -0,845 кг/с
2 Выходное отверстие Out Opening (открытая граница) Поверхность отверстия в крышке Pressure -0,1 МПа
3 Остальная граница Default Real Wall (стенка) Внутренняя поверхность (камера)
Рис. 1. Компьютерная модель вихревого кавитационного устройства: 1 - штуцер, 2 - улитка, 3 - корпус, 4 - крышка
При изменении граничных условий (скорость и давление в потоке), в частности входного расхода и давления жидкости, выявлялись условия образования зоны пониженного давления. Кавитация в жидкости происходит при условии падения давления ниже давления насыщенных паров при
Р - РV
данной температуре
0,5ро:
< 1 [7], где p - дав-
Учитывая, что при моделировании использовалась вода при температуре 20 С, начало кави-тационного процесса должно происходить при достижении давления в потоке жидкости ниже значения 2,34 кПа [8]. Достижение данного показателя наблюдалось при подаче жидкости в вихревое устройство [9] под избыточным давлением 0,45 МПа.
С целью снижения требуемого входного давления проведено моделирование при варьировании различных геометрических параметров вихревого устройства, в частности диаметра входного отверстия, типа завихрителя жидкости, длины вихревой камеры, диаметра и длины выходного отверстия.
Проведенное исследование позволило выявить закономерности течения потока жидкости при изменении геометрических параметров устройства и граничных условий. Установлено, что при закручивании потока жидкости существенно снижается требуемое входное давление, необходимое для достижения кавитации. Обнаружено и доказано, что для большего снижения входного давления требуется определенная организация закрученного течения жидкости.
На основе исследований разработаны рекомендации для реализации в конструктивно -техническом исполнении устройства. При закрученном течении жидкости для получения зоны кавитации с минимальными энергозатратами необходимо:
1. Подачу жидкости осуществлять по траектории наименьшего динамического сопротивления (эффективно может использоваться закручивание по спирали Архимеда), проходное сечение нагнетательного патрубка и самой узкой части улиточ-
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
ного ввода необходимо выполнять равной по площади.
2. Осуществлять одностороннее течение жидкости по сечению устройства, для этого создать истечение жидкости из улитки в одном направлении без дополнительной камеры разворота потока.
С использованием выявленных закономерностей изменена конструкция компьютерной модели вихревого устройства и получены количественные оценки. Распределение скоростей (а) и давлений (б) по продольному сечению устройства приведено на рис. 2.
Распределение скоростей и давлений по объему потока в устройстве представлено на рис. 3.
Рис. 3. Распределение скоростей и давлений по объему потока
В полученной оптимизированной компьютерной модели устройства удалось снизить энергозатраты - требуемое входное давление уменьшилось с 0,45 МПа до 0,28 МПа, при достижении тех же условий возникновения кавитации.
Закономерности кавитационного процесса в закрученном потоке жидкости также были определены для типоразмерной группы вихревых устройств с проходным сечением от 10 до 100 мм.
Для проверки адекватности полученных моделей было изготовлено вихревое устройство (рис. 4), полностью соответствующее геометрическим параметрам компьютерной модели, и экспериментальный стенд (рис. 5).
б
Рис. 2. Распределение скоростей (а) и давлений (б) по продольному сечению устройства
Современные технологии. Механика и машиностроение
m
Рис. 4. Вихревое устройство
Рис. 5. Экспериментальный стенд
Экспериментальная оценка проводилась с помощью замера давления жидкости на входе в устройство и создаваемого вакуума, замеряемого в специальном технологическом отверстии. Практические данные сравнивались с данными, полученными при компьютерном моделировании. Результаты сравнения представлены в табл. 2.
Таблица 2 Теоретические и экспериментальные данные
Входящее давление, МПа Эжекция, МПа
Моделирование Эксперимент
0,05 0.0005 0,000
0,1 0,0041 0,0042
0,15 0,0081 0,0088
0,2 0,0130 0,0132
0,25 0,0164 0,0166
0,3 0,0215 0,0212
0,35 0,0256 0,0254
0,4 0,0311 0,0320
0,45 0,0365 0,0366
0,5 0,0429 0,0424
0,55 0,0473 0,0472
0,6 0,0536 0,0534
Подсчитанные погрешности измерений позволяют прогнозировать доверительную вероятность при уровне значимости 0,05, в связи с чем подобные модели и полученные закономерности достоверно могут быть использованы при разработке технологий и устройств кавитационного действия.
Полученные результаты легли в основу разработки более энергоэффективных кавитационных устройств для нагрева жидкостей. Использование полученных данных при проектировании теплотехнических устройств гидрокавитационного действия позволило получить снижение общей металлоемкости устройства на 60 % и прирост тепловой энергии на 15 %. Данные устройства апробированы на ряде машиностроительных предприятий не только России, но и зарубежья. Полученные результаты показывают значительную экономическую целесообразность разработки.
Анализ использования кавитационных устройств в различных отраслях показал, что можно существенно повысить эффективность работы оборудования для очистки деталей машиностроительной продукции за счет использования устройств кавитационной интенсификации процесса.
Внедрение кавитационного устройства на операцию очистки алюминиевых деталей на одном производственном предприятии Пензенской области позволило снизить энергетические затраты и экономию химических моющих средств более чем на 20 % при незначительных капитальных вложениях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Промтов М. А. Перспективы применения кави-тационных технологий для интенсификации химико-технологических процессов / М. А. Промтов // Вестн. ТГТУ. - 2008. - Т. 14, № 4. -С.861-869.
2. Young F. R. Cavitation. - London, U. K. : Imperial Collage Press, 1999. - 418 p.
3. Ламекин Н. С. Кавитация: теория и применение / Н. С. Ламекин. - М. : Русаки, 2000. - 248 с.
4. Franc J. P., Michel J. M. Fundamentals of Cavitation // Springer. - New York, 2004. - 300 p.
5. Гулый И. С., Федоткин И. М., Боровский В. В. Кавитация. Интенсификация процессов смешения и диспергирования гидродинамической кавитацией. - Киев : Арктур-А, 1998. - 128 с.
6. Федоткин И. М., Гулый И. С. Кавитация, кави-тационная техника и технология, их использование в промышленности. Ч. II. - Киев : ОКО, 2000. - 898 с.
7. Козырев С. П. Гидроабразивный износ метал-
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
9.
лов при кавитации. - М. : Машиностроение, 1964. - 140 с.
Физический энциклопедический словарь. М. : Сов. Энциклопедия, 1960. - Т. 1. Давление насыщенного пара.
European Patent Application ЕР № 1 808 651 А2, F24J 3/00. Cavitation Thermogenerator and Me-
thod for Heat Generation by the Cavitation Ther-mormogenerator /Applicant Vortexco Tecnologies Limited P. C 1095, Nicosia (CY); Representative Adorno, Silvano et al Societa Italiana Brevetti S. p. A., Via Carducci 8 20123 Milano. MI (IT), Priority 17.01.2006.
УДК 622.23.05:681.523 Ереско Татьяна Тимофеевна,
д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой ОКМ Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М. Ф. Решетнева Тубольцев Анатолий Анатольевич, аспирант, Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М. Ф. Решетнева
Ереско Сергей Павлович,
д-р техн. наук, профессор кафедры «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»
Сибирского федерального университета им. академика М. Ф. Решетнева
сот. +7 913-509-3766, дом. (391)246-22-88.
Ереско Владимир Сергеевич, аспирант, Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ГИДРОПНЕВМОУДАРНЫХ АГРЕГАТОВ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
T.T. Eresko, A.A. Tubolcev, S.P. Eresko, V.S. Eresko
HYDROPNEUMOBLOW AGGREGATES CONSTRUCTION IMPROVEMENT BASED ON IMITATING MODELLING
Аннотация. Приводится описание конструкции, принципа действия и методики имитационного математического моделирования гидро-пневмоударного агрегата с учетом перемещения его корпуса под действием внешних и внутренних возмущающих усилий. Разработанная математическая модель позволяет определить кинематические, динамические, энергетические характеристики гидропневмоударного агрегата при различных значениях структурных параметров с оценкой устойчивости функционирования, обеспечивая минимум ограничений динамических состояний его элементов.
Ключевые слова: гидропневмоударный агрегат, математическая модель, гидросистема, жидкость, клапан, поршень-боек, рабочий цикл, ударная мощность.
Abstract. Description of construction, action principle and imitating methodic of mathematic modeling of hydropneumoblow aggregate subject to movement it's case under effect outer and inner perturbation loads is presented. The mathematical model which provides to determine kinematic, dynamic and energy characteristics of hydropneumoblow aggre-
gate with various values of structure parameters with stability estimation of functioning, supports minimum of limitations of dynamic conditions of its elements is designed.
Keywords: hydropneumoblow aggregate, ma-thematic model, hydrosystem, fluid, valve, piston-pane, operating cycle, percussion powerfulness.
Описание конструкции и принципа действия гидропневмоударного агрегата
Гидропневмоударный агрегат состоит из корпуса 1 с радиальными и осевыми каналами, бойка 3 с цилиндрическими поясками 4 и 5, клапана
7 и инструмента 18. Боек и корпус образуют полости взвода 2, слива 10 и пневмоаккумулятора 11.
В начале работы боек 3 и клапан 7 находятся в крайних левых по рисунку (рис. 1) положениях.
От насосной станции жидкость подается в рабочую полость 6 и в полость взвода 2, воздействуя на левый торец 17 бойка 3. Боек начинает двигаться вверх, сжимая газ в пневмоаккумулято-
