CC BY
12
УДК 532.5 - 681.5
ПОВЫШЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ВИХРЕВЫХ КЛАПАНОВ С ОДНОСТОРОННИМ ВЫХОДОМ
Д. А. Сёмин, А. Н. Левашов, Я. Н. Левашов
Луганский государственный университет им. В. Даля, Луганск, Украина sdaa261@ukr.net
Исследованы гидродинамические процессы в вихревом клапане с радиальным каналом питания и диффузорным выходом. Стабилизировано течение в вихревом клапане установкой цилиндрического выступа (обтекателя) в нижней стенке вихревой камеры. Оптимизирована высота обтекателя для достижения максимальной пропускной способности.
Ключевые слова: вихревой клапан, пропускная способность, обтекатель, диффузор.
UDC 532.5 - 681.5
FLOW CAPACITY INCREASE OF NONRETURN VORTEX VALVES
D. A. Syomin, A. N. Levashov, Y. N. Levashov
V.Dahl Lugansk National University
Lugansk, LPR
sdaa261@ukr.net
The article studies hydrodynamic processes in a vortex valve with a radial channel of supply and a diffuser outlet. The issue of current stabilization in the vortex valve is solved by installation of a plain spigot (fairing) in the lower wall of a vortex chamber. Due to optimization of height of a fairing it was managed to reach the maximum flow capacity for this design.
Keywords: vortex valve, flow capacity, fairing, diffuser.
Введение. Ни одно индустриальное предприятие не обходится без систем, использующих в качестве рабочей среды различные жидкости и газы. При этом управление потоками текучих сред осуществляется устройствами с дросселирующими или запорными механическими рабочими органами. Наличие в них подвижных контактирующих механических пар приводит со временем к их износу, снижает надежность и долговечность не только самих устройств, но и, в конечном счете, сказывается на показателях эффективности работы систем в целом.
В неблагоприятных условиях эксплуатации, таких как резкие перепады температур, вибрация, ударные знакопеременные нагрузки, повышенная влажность, химическая агрессивность рабочей среды, наличие в ней твердых или абразивных частиц, повышенная влажность и запыленность внешней среды и др., снижаются показатели надежности в десятки и сотни раз. Важно отметить, что к перечисленным факторам нечувствительны устройства струйной техники благодаря отсутствию в ее элементах подвижных механических частей.
Одним из элементов струйной техники, обладающим широкими функциональными возможностями является вихревой клапан. Агрегатные состояния сред, текущих через вихревой клапан, могут быть любыми — жидкими, газообразными, содержать твердые примеси [1]. Вместе с тем, для поддержания вихревого клапана в закрытом состоянии требуются затраты мощности в виде расхода и давления управляющей среды. Уменьшить затраты расхода на запирание вихревого клапана можно повысив его пропускную способность в открытом состоянии. Это позволит получить тот же расход при меньших размерах и, таким образом, снизить затраты на его запирание.
Повышение пропускной способности вихревого клапана с радиальным каналом питания тесно связано с вопросом стабилизации течения. В предшествующих исследованиях авторами было установлено, что течение через открытый клапан, кроме ожидаемого — стационарного, может быть закрученным или пульсирующим [2]. Решить задачу стабилизации течения удалось за счет установки цилиндрического выступа (обтекатель, стабилизатор) на нижней стенке вихревой камеры. Оптимизации размеров этого устройства и его влиянии на характеристики вихревого клапана посвящена данная работа.
Основная часть. Ранее была разработана и изготовлена модель вихревого клапана с диффузором на выходе и возможностью регулирования высоты обтекателя [3]. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для испытания вихревых клапанов
Эксперименты проводились при постоянном давлении питания Р5— с о пб t = 3922 П а (400 мм. вод. ст.), что обеспечивало автомодельный режим при числах Рейнольдса порядка Яе=105. При изменяемой высоте обтекателя определялся коэффициент расхода, приведенный
к «горлу» вихревого клапана ц0, поэтому его значения больше единицы.
По полученным данным был построен график зависимости коэффициента расхода ц0 от высоты обтекателя Л (рис. 2). Для общности результатов высота Л отнесена к диаметру горла вихревого клапана ё0.
Рис. 2. Зависимость приведенного коэффициента расхода ц0 от высоты обтекателя
Из графика видно, что максимальный коэффициент расхода, приведенный горлу вихревого клапана ц0=1,75, достигается при высоте обтекателя Л = 2, 4.
В ходе проведения экспериментов было установлено, что при высоте обтекателя , наблюдается неустойчивое течение в вихревой камере (поток, выходящий из вихревого клапана, пульсирует с различной частотой), интенсивность которого снижается по мере увеличения высоты обтекателя. В диапазоне 0, 8 < Л < 1, 2 , наряду с повышением стабильности течения, улучшается работа диффузора. Это приводит к повышению значения коэффициента расхода до максимально возможного для данной проточной части. Снижение значения ц0, для
значений превышающих , обусловлено дросселированием площади выходного отверстия.
Для установления гидродинамической картины течения было проведено математическое моделирование течения жидкости в вихревом клапане с радиальным каналом питания и диффузором на выходе [4]. Геометрическая модель для математического моделирования представлена на рис. 3.
Рис. 3. Геометрическая модель вихревого клапана с радиальным каналом питания и стабилизатором
Математическое моделирование течения производилось на основе уравнений Рейнольдса для несжимаемой жидкости и SST модели турбулентности [5]. Программная реализация модели осуществлена в свободном пакете вычислительной гидродинамики с открытым выходным кодом ОрепБОАМ.
Математическая модель турбулентного течения:
д(рк~) д(риук)
дг
5Ху
дк
О + <№) ^г
д(рш) | д(ри}ш) = у р ш2+А.
С^ дХ; Ус дХ;
дш
О + <№) ^г
+ (1 - Рг)
дк да) О) ЗХу Зху'
г I у = М t (
дт
Р = т----■
13 дХ]'
2 дщ 25;; <5;;
'7
зах 11
* 1у=2\ д ху + д х)
рагк
агдг = тт
тах{ага), Ш^)' 0 = РгФг + (1 - ^)02;
Vк 50 ОтЛ 4раш2к
тах
( 1 дк да)
^^ аХ( 2ра" 2 шдхУдхУ'10 ~ ,
Р2 = 1апк{агд2);
/ 500тЛ
а^"32 = ах (
1 (дщ диЛ
Щу = 2\дху~~дх1);
тт(Р, 20(3*ра)к);
ит _ип
~ < ш/аг/1еШ
<10 —
10 0,1 и1
-5ц2
и оо .
Т < ^/¿вш < -^г
>а11 - Ю-
6 V
МЛ^)2 '
кыа11=0; °а>1к2 °а>2к2
р* ТР ; 72 г #* ;
ак1 = 0,85; аш1 = 0,5; & = 0,075; ак2 = 1,0; <тш2 = 0,856; (32 = 0,0828; Р* = 0' 0 9; к = 0' 41; а х = 0' 3 1 .
Начальные условия:
Pin = 105249 Па,Ре = 101325 Ua.t = 0,и = 0, Шероховатость поверхности стенок клапана Д=5 мкм. Граничные условия:
Ш
Qe ~ Qin> V-wall ~ 0
По результатам математического моделирования был рассчитан коэффициент расхода, приведенный к горлу вихревого клапана |10=1,72, что с 95% точностью совпадает с результатами физического моделирования. На рис. 4 приведены характерные линии тока жидкости в вихревом клапане с радиальным каналом питания и осевым диффузором на выходе.
Как видно из рисунка, в осевом диффузоре происходит локальный отрыв потока от одной из стенок диффузора. Это объясняет полученное в физическом эксперименте несколько меньшее значение ц0=1,72 клапана по сравнению с ц0=2, приведенное для конфузорно-диффузорной насадки тех же геометрических параметров [6]. Данное расхождение определяет потенциальный резерв для дальнейшего совершенствования вихревых клапанов.
1. При высоте обтекателя 0 < к < 0,8 наблюдается нестабильный автоколебательный режим течения.
Отрыв по
I
Рис. 4 Линии тока жидкости в вихревом клапане с радиальным каналом питания, стабилизатором и осевым диффузором на выходе
Выводы:
2. Оптимальной высотой обтекателя является h = 2,4, при которой пропускная способность вихревого клапана в открытом состоянии для данной конструкции максимальная, а приведенный коэффициент расхода |i0=1,72.
3. Расчетное значение коэффициента расхода вихревого клапана с помощью математической модели на основе уравнений Рейнольдса и «к-омега» модели турбулентности Ментера, расходится с результатами физического эксперимента на величину, не превышающую 5% .
Библиографический список.
1. Сьомш, Д. О. Вихровi виконавчi пристро'1: В 2-х частинах. Ч.2 Однорщш робочi середовища: монографiя. / Д. О. Сьомш [и др.]. — Луганськ : вид-во СНУ iм. В.Даля, 2009. — 256с.
2. Сёмин, Д. А. Разработка и совершенствование характеристик крупномасштабных вихревых клапанов. Дисс. канд. техн. наук / Д. А. Сёмин. — Луганск, 1992. — 203 с.
3. Сёмин, Д. А. Исследование вихревых усилителей с диффузорами различных типов / Д. А. Сёмин, В. А. Павлюченко, Я. И. Мальцев // Вестник НТУУ «КПИ». Машиностроение. Вып. 42.— 2002. — Т.2. — С. 54-56.
4. Семин, Д. А. Моделирование трехмерных течений в вихревых усилителях с диффузорным выходом / Д. А. Сёмин, Я. И. Мальцев // Вюник СумДУ. — Суми : Вид-во СумДУ. — №3 (49). — 2003. — С. 16-23.
5. Menter, F. R. (August 1994), "Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications", AIAA Journal 32 (8): 1598-1605.
6. Идельчик, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И. Е. Идельчик. — Москва : Машиностроение, 1975. — 560c.
