CC BY
39
УДК 621.565.93/.95:532.556.42
Н. Ю. ФИЛЬКИН В. Л. ЮША В. К. ВАСИЛЬЕВ Е. А. ЛИХОБАБИНА
Омский государственный технический университет
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ОСЕВЫМИ РАЗМЕРАМИ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ КОРОТКОГО ДИФФУЗОРА НА ЕГО ГАЗОДИНАМИЧЕСКУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
В статье проанализированы недостатки короткого диффузора и способы улучшения его работы, актуализирована проблема применительно к конструкции диффузора с направляющими. Выполнено теоретическое исследование короткого диффузора с различной длиной направляющих, описан объект исследования, изложена методика расчета. Представлены результаты исследований и их анализ, обозначено направление дальнейшей работы над этой задачей.
Ключевые слова: короткий диффузор, направляющие, поле скоростей, потери давления.
Короткие диффузоры нашли широкое применение в конструкциях фильтров и теплообменных аппаратов систем жизнеобеспечения, холодильных машин, компрессорных установок и т.п. для обеспечения равномерного подвода воздуха к фильтрующей или теплообменной поверхности. При этом основными показателями эффективности диффузора являются величина потерь давления газового потока между входным и выходным сечениями диффузора и равномерность распределения поля скоростей газового потока в выходном сечении диффузора. Однако, как показали ранее проведенные исследования [1], поток воздуха в коротком диффузоре не успевает раскрыться и воздействует преимущественно на центральную область ометае-мой поверхности, что объясняется большим углом раскрытия диффузора и его малой относительной длиной. Это приводит к снижению эффективности фильтра или теплообменного аппарата [2]. Увеличение относительной длины диффузора позволяет повысить ометаемость фильтрующей или теплооб-менной поверхности [3], однако, ведет к значительному увеличению массогабаритных показателей устройств, что не всегда приемлемо.
Существуют различные устройства и рекомендации для повышения эффективности диффузора за счёт применения специальных элементов в его проточной части с целью получения равномерного потока на выходе из диффузора. К таковым можно отнести применение продольных ребер [4], полостей [5] или канавок [6], которые отодвигают границу
отрыва потока, но ограничивают область применения диффузорами с углом раскрытия не более 20 В диффузорах с углами раскрытия больше 40 — 50 ° можно добиться повышения эффективности путем частичного заполнения канала установкой различного рода обтекателей [7 — 9]. Недостатком данного метода является образование затенённых зон в выходном сечении диффузора и высокое гидравлическое сопротивление обтекателя. Из рекомендаций, приведенных в [10], наиболее целесообразным является применение специальных направляющих, позволяющих равномерно распределить поток за диффузором. При этом направляющие могут быть установлены на всю длину диффузора или укорочены. Подобное решение предлагается и другими авторами [11 — 14]. Однако какие-либо рекомендации по выбору длины направляющих и их соотношения с осевой длиной обечайки диффузора в указанных информационных источниках не приводятся. Таким образом, исследование коротких диффузоров с различными соотношения между осевыми размерами элементов проточной части короткого диффузора, а именно между габаритной осевой длиной обечайки диффузора и осевой длиной направляющих газового потока в диффузоре является актуальным.
Объектом исследования в представленной работе выступает короткий диффузор со следующими вариантами исполнения концентрических направляющих:
а) осевая длина направляющих и обечайки диффузора совпадают (рис. 1а);
/ N
V ®
/ •
1
т а
б
б
Рис. 1. Расчетная модель короткого диффузора с направляющими, выполненными: а — на всю длину диффузора; б — удлиненными; в — укороченными
Рис. 2. Визуализация потока в коротком диффузоре для скорости V = 2,82 м/с с направляющими, выполненными: 1 — на всю длину диффузора; 2 — удлиненными; 3 — укороченными
в
в
б) осевая длина направляющих превышает осевую длину обечайки диффузора, при этом направляющие частично размещены в проточной части подводящего трубопровода (рис. 1б);
в) осевая длина направляющих меньше осевой длины обечайки диффузора, при этом входные кромки направляющих удалены от входного сечения диффузора в сторону его выходного сечения (рис. 1в).
х Входное и выходное отверстия диффузора —
| круглые. К входному отверстию присоединен под-Ш водящий трубопровод, к выходному — прямо-о угольный элемент, имитирующий проточную часть | аппарата (теплообменника, фильтра и т.п.) за диф-£ фузором.
0Д Основной целью данного исследования является теоретическая оценка влияния соотношения между
осевыми размерами элементов проточной части короткого диффузора на его газодинамическую эффективность, то есть на величину потерь давления газового потока между входным и выходным сечениями диффузора и на равномерность распределения поля скоростей газового потока в выходном сечении диффузора.
Газодинамический расчет течения газа в коротком диффузоре осуществлялся на базе пакета ЛЫБУВ СБХ, использующего метод конечных элементов. Как и в предыдущих расчётах короткого диффузора [15—16], расчет рассматриваемых объектов проходил в несколько этапов: 1. Подготовка расчетной модели: а) создание геометрической модели объекта, а также моделей потоков, описывающих расчетную область;
д
Рис. 3. Профиль скоростей, построенный на выходе из диффузора по радиусу выходного сечения для скорости потока: а — V = 2,82 м/с; б — V = 5,64 м/с; в — V = 8,46 м/с; г - V = 11,28 м/с; д — V = 14,1 м/с; 1 — направляющие во всю длину диффузора; 2 — удлиненные направляющие; 3 — укороченные направляющие
б) генерация сеточной модели на основе созданной геометрии;
в) задание граничных и начальных условий — препроцессинг.
2. Решение задачи в решателе.
3. Просмотр результатов расчета — постпроцес-синг.
Основные результаты расчетов представлены на рис. 2 — 4.
Анализ профилей скоростей (рис. 3), построенных при различных скоростях потока, показал, что наиболее благоприятная картина течения на выходе из диффузора достигается при установке направляющих во всю длину диффузора, позволяя получить
Рис. 4. Зависимость потерь давления от скорости потока в коротком диффузоре с направляющими, выполненными: 1 — на всю длину диффузора; 2 — удлиненными; 3 — укороченными
достаточно равномерное поле скоростей за большей частью выходного сечения.
Удлинение направляющих с заходом в подводящий трубопровод приводит к выраженному росту скорости потока в центральной части диффузора, что сравнимо с полем скоростей в случае без направляющих. Применение укороченных направляющих приводит к скачкообразному росту скорости потока в центральной части, что является неприемлемым с учетом требований, предъявляемых к направляющим.
Если оценивать различные варианты с точки зрения гидравлических потерь (рис. 4), то можно отметить, что все три варианта обладают качественно схожими газодинамическими характеристиками, при этом вариант с удлиненными направляющими обеспечивает наименьшие потери, что связано с более плавным переходом потока от прямолинейного участка трубы к диффузорной части.
Таким образом, наиболее предпочтительными являются варианты с длиной направляющих, равной или превышающей длину диффузора. Дальнейший параметрический анализ этих схем позволит оценить возможность снижения потерь давления при длине направляющих равной длине диффузора и возможность обеспечения более равномерного поля скоростей в выходном сечении диффузора при удлинённых направляющих.
Библиографический список
1. Филькин, Н. Ю. Исследование течения потока газа в диффузорах с различными конструктивными соотношениями / Н. Ю. Филькин // Техника и технология современного нефтехимического и нефтегазового производства : материалы III науч.-техн. конф. В 2 кн. Кн. 2. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. — С. 57-61.
2. Влияние неравномерности поля скоростей воздуха по фронту конденсатора на работу холодильного агрегата / С. Р. Гопин [и др.] // Холодильная техника. — 1979. — № 4. — С. 25 — 29.
3. Зеликовский, И. Х. Малые холодильные машины и установки : справочник / И. Х. Зеликовский, Л. Г. Каплан. — 3-е изд., перераб. и доп. — М. : Агропромиздат, 1989. — 672 с.
4. Пат. 2469214 Российская Федерация, МКП Б 04 Б 29/44, Б 04 Б 29/54, Б 03 В 11/00. Диффузор / А. Е. Зарянкин, С. В. Арианов ; заявитель и патентообладатель ООО «Турбо-ЗАР». — № 2010128979/06 ; заявл. 14.07.10 ; опубл. 20.01.12, Бюл. № 34. — 8 с.
5. A. Mariotti, A.N. Grozescu, G. Buresti, M.V. Salvetti. Separation control and efficiency improvement in a 2D diffuser by means of contoured cavities. Eur. J. Mech. B/Fluids, 41 (2013), pp. 138-149.
6. Зарянкин, А. Е. Некоторые пути повышения аэродинамической нагрузки на диффузорные элементы турбомашин / А. Е. Зарянкин, В. Г. Грибин, А. Н. Парамонов // Известия АН СССР. - 1989. - Вып. 2. - С. 40-44.
7. Пат. 2032812 Российская Федерация, МКП6 F 01 D 25/30, F 15 D 1/08. Широкоугольный диффузор / А. Е. Зарянкин [и др.] ; заявитель и патентообладатель Московский энергетический институт - № 5030043/06 ; заявл. 27.02.92 ; опубл. 10.04.95, Бюл. № 24.
8. B. Sahin, A.J. Ward-Smith. The use of perforated plates to control the flow emerging from a wide-angle diffuser, with application to electrostatic precipitator design. International Journal of Heat and Fluid Flow, 8 (1987), pp. 124-131.
9. M.N. Noui-Mehidi, J. Wu and I. Sutalo. Velocity distribution in an asymmetric diffuser with perforated plates. Proceedings of 15th Australasian Fluid Mechanics Conference, the University of Sydney, Australia, 13-17 December. 2004.
10. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М. О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 1992. - 672 с.
11. Пат. 2384760 Российская Федерация, МКП F 15 D 1/00. Диффузор / И. Ф. Пивин ; заявитель и патентообладатель И. Ф. Пивин. - № 2008149803/06 ; заявл. 18.12.08 ; опубл. 20.03.10, Бюл. № 8. - 5 с.
12. А. с. 664101 СССР, МКИ2 G 01 P 5/00, G 01 F 1/00. Устройство для спрямления профиля скоростей потока жидкости / М. Л. Фрисман [и др.] (СССР) ; заявитель и патентообладатель Всесоюзное научно-производственное объединение целлюлозно-бумажной промышленности. - № 2521250/18-10 ; заявл. 05.09.77 ; опубл. 25.09.79, Бюл. № 19. - 2 с.
13. Пат. 2079843 Российская Федерация, МКП6 G 01 P 5/00. Устройство для спрямления профиля скорости потока жидкости / Г. А. Бочков, В. Г. Глазов ; заявитель и патентообладатель Опытное конструкторское бюро «Гидропресс». -№ 94033557/28 ; заявл. 13.09.94 ; опубл. 20.05.97, Бюл. № 17.
14. Пат. 129175 Российская Федерация, МКП F 15 D 1/00. Диффузор / В. Л. Юша, Н. Ю. Филькин, Н. А. Райковский ; заявитель и патентообладатель Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации. - № 2012136170/06 ; заявл. 21.08.12 ; опубл. 20.06.2013, Бюл. № 17. - 5 с.
15. Юша, В. Л. Теоретический анализ эффективности применения коротких диффузоров в компактных теплообменниках / В. Л. Юша, Н. Ю. Филькин, А. А. Шипунова // Динамика систем, механизмов и машин. - 2014. - № 2. - С. 162-167.
16. Исследование эффективности применения коротких диффузоров в компактных теплообменниках / В. Л. Юша, Н. Ю. Филькин, В. К. Васильев, А. А. Шипунова // Проблемы региональной энергетики. — 2014. — № 3 (26). — С. 46 — 52.
ФИЛЬКИН Николай Юрьевич, аспирант кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология».
ЮША Владимир Леонидович, доктор технических наук, профессор (Россия), декан нефтехимического института, заведующий кафедрой «Холодильная и компрессорная техника и технология».
ВАСИЛЬЕВ Владимир Константинович, доктор технических наук, профессор кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология». ЛИХОБАБИНА Екатерина Александровна, аспирантка кафедры «Холодильная и компрессорная техника и технология». Адрес для переписки: finick@inbox.ru
Статья поступила в редакцию 08.09.2015 г. © Н. Ю. Филькин, В. Л. Юша, В. К. Васильев, Е. А. Лихобабина
Книжная полка
621.56/Р13
Рабочие вещества технологического и низкотемпературного оборудования : учеб. пособие / А. В. Зиновьева [и др.]. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 130 с.
Приведены сведения о термодинамических свойствах различных рабочих веществ низкотемпературной, вакуумной и компрессорной техники, классификация и обозначение, а также требования, предъявляемые к рабочим веществам.
Рекомендовано студентам, обучающимся по направлениям подготовки «Технологические машины и оборудование» и «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения», при выполнении расчетов различных низкотемпературных, вакуумных и компрессорных установок, а также выпускной квалификационной работы.
621.941/В58
Влияние структуры и механических характеристик колесных сталей на изнашивание и режимы восстановления профиля колесных пар : моногр. / В. С. Кушнер [и др.] ; под ред. И. А. Иванова, В. С. Кушнера. -Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 221 с.
Монография посвящена вопросам исследования влияния структуры колесной стали на эксплуатационные свойства, а также вопросам исследования условий эксплуатации и ремонта колесных пар подвижного состава путем восстановления профиля токарной обработки. Рассмотрены вопросы, касающиеся увеличения ресурса колесных пар.
Книга предназначена для научных и инженерно-технических сотрудников предприятий и научно-исследовательских организаций, работающих в области проектирования и эксплуатации подвижного состава, а также для преподавателей, аспирантов и студентов механических факультетов вузов.
621.5/Я60
Январев, И. А. Технология автоматизированного проектирования компрессорных, холодильных и технологических установок : [Электронный ресурс] : конспект лекций / И. А. Январев. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
Рассмотрены различные аспекты и виды обеспечения систем автоматизированного проектирования, необходимые квалифицированным пользователям САПР в области компрессорной, холодильной техники и технологических установок. Значительное внимание уделено математическому обеспечению процедур анализа и синтеза проектных решений. Кроме основ теории и проектирования, студенты могут ознакомиться с основными тенденциями и новыми программными средствами расчета отдельных конструктивных решений и технологических схем различных установок, в частности ANSYS и HYSYS.
Для студентов, обучающихся по специальностям 150801 «Вакуумная и компрессорная техника физических установок», 140401 «Техника и физика низких температур», 240100 «Химическая технология и биотехнология», 240801 «Машины и аппараты химических производств».
621.9-52/К62
Кольцов, А. Г. Управление станками и станочными комплексами : [Электронный ресурс] : учеб. пособие / А. Г. Кольцов. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
В конспекте лекций приведены основные темы лекционного курса дисциплины «Управление станками и станочными комплексами». Приведены теоретические основы систем автоматического управления, числового программного управления, представлены элементы конструкций станков с ЧПУ.
Конспект лекций предназначен для студентов специальности 151002 всех форм обучения.
