CC BY
78
7/)П11 ВЕСТНИК _Z/20Z}_МГСУ
ВЛИЯНИЕ ВХОДНОЙ ЧАСТИ КАМЕРЫ СМЕШЕНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ЭЖЕКТОРА
INFLUENCE OF AN OF THE MIXTURE CHAMBER ENTRANCE PART ON EJECTOR'S WORK EFFICIENCY
Ю.Б. Александров, В.И. Панченко J.B. Aleksandrov, V.I. Panchenko
Казанский ГТУ им. A.H. Туполева (КГТУ-КАИ)
Экспериментально определена характеристика работы эжектора и сопоставлена с численным расчетом. На основе найденных подходов проведена оптимизация проточной части одной из рассматриваемых моделей эжектора.
The work ejector's characteristic is defined experimentally and the one compared with numerical calculation. On the basis of the found approaches optimization of a flowing part of one of considered ejector's model is spent.
Эжектор - самое простое устройство для перемещения капельной жидкости, газа и других сред, не имеющее подвижных частей. Его действие основано на передаче энергии от одной среды, движущейся с большей скоростью, к другой. Следствием этого является надежность конструкции и широкое применение в инженерных системах отопления, вентиляции, авиационной, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Например, для систем отопления эжектор может применяться для смешения охлажденной воды с высокотемпературной и передачи части давления, создаваемого сетевым насосом на тепловой станции, в систему отопления для обеспечения циркуляции воды. Одним из недостатков эжекторов является низкий коэффициент полезного действия (к.п.д.). Достигая наивысшего значения 43 % (исследования профессора П.Н. Каменева) при малом коэффициенте смешения [2]. Несмотря на это эжекторы получили распространение благодаря их безотказному и бесшумному действию.
Применяются эжекторы и в установках с авиационными двигателями, например для разбавления продуктов горения на выходе относительно холодным атмосферным воздухом, а также для увеличения тяги или в стационарных установках - мощности.
Целью нашей работы была разработка методики численного расчета, позволяющая проводить исследования по оптимизации проточной части эжектора. В первой части исследования разрабатывается методика численного расчета и сопоставляется с результатами эксперимента. Во второй части с помощью разработанной методики рассмотрено влияние входной части камеры смешения на характеристику эжектора.
На первом этапе исследования, для разработки методики определения параметров эжектора численным методом, была создана расчетная модель водо-водяного эжектора, показанная на рис. 1. Такая же физическая модель была создана в лаборатории гидравлики, что позволило в дальнейшем произвести сравнение результатов вычислений и эксперимента.
ВЕСТ мгс*. 7/2011
Рис. 1. Геометрическая модель и сетка водо-водяного эжектора (модель № 1): 1 - активное сопло; 2 - приемная камера; 3 - вход эжектируемой жидкости; 4 - камера
смешения; 5 - диффузор
В расчетной области, программой Gambit, была построена пространственная сетка, содержащая ~100 000 hexahedral и wedge элементов. Особое внимание было обращено на области течения с большими градиентами, где применялось сгущение сетки, обеспечивающее получение более качественного решения. Модель, показанная на рис. 1, обозначена как "модель № 1".
В качестве граничных условий для расчетной модели задавали давления и температуру на входе, и давление на выходе эжектора. Ввиду того, что эжектор относительно оси симметричен, для расчета выбрана его половина, ограниченная плоскостью симметрии. Различные режимы работы эжектора получали путем изменения давления на входе в активное сопло [1].
Применяли следующие модели турбулентной вязкости: Spalart-Allmaras, k-epsilon и ряд других. Все модели дали близкие результаты при расчете характеристики эжектора, представляющей зависимость относительного перепада давления Р = (p* _p2)/(p* -p*) от коэффициента эжекции n = G2/G1, где g1 и g2 - массовые расходы (все величины показаны на рис. 1). Поэтому, как наиболее простая, для расчета характеристики эжектора была принята модель турбулентности Spalart-Allmaras. Решение, при выборе такой модели вязкости, сходилось лучше и за меньший промежуток времени.
Расчеты проводились в среде программного комплекса моделирования течений жидкостей и газов Fluent 6.3.26 на персональном компьютере с двуядерным процессором Intel® Core™ 2 CPU 2.40 GHz, с объемом оперативной памяти 4 GB, под управлением операционной системы Windows XP Professional. Задача решалась в стационарной постановке. Для получения установившегося решения на одном режиме требовалось осуществить приблизительно 1000 итераций.
На рис. 2 изображены линии тока на одном из режимов работы. Здесь можно видеть, как поток эжектируемой (пассивной) жидкости, попадая в приемную камеру, изменяет свое направление и увлекается активной жидкостью в камеру смешения. По длине диффузора наблюдаются отрывные течения. Это происходит вследствие того, что угол раскрытия диффузора для рассматриваемого эжектора больше оптимального. С целью визуализации процесса смешения активного потока с пассивным задавали разницу по температуре (T1 - T2) между ними в 10 градусов. Область возле сопла показана на рисунке 3 в увеличенном виде и с нанесенными в плоскости симметрии линиями изотерм. На выходе из эжектора температурные поля выравниваются вследст-
7/2011_^ ВЕСТНИК
вие смешения активном и пассивной жидкостей и стремятся к температуре Г3 - Г4 - 283 К.
Рис. 2. Линии тока на одном из режимов работы эжектора (модель № 1)
Рис. 3. Линии изотерм в плоскости симметрии на одном из режимов работы
эжектора (модель № 1)
С выравниванием скоростей смешиваемых потоков, происходит повышение давления, показанное на рис. 4 сплошной линией. На этом же рисунке показано распределение динамического давления по характерным зонам "а", "б", "в", ограниченным штрих пунктирными линиями.
Для "модели № 1" были получены экспериментальные данные, которые хорошо согласуются с расчетными (отклонение экспериментальных точек от расчетной зависимости по p не превышает 8 % при п = 0.5).
Экспериментальная установка содержала в своем составе образцовые манометры и вакуумметры для определения давления в характерных сечениях эжектора. Расход жидкости замеряли методом заполнения контрольного объема с регистрацией времени. Расчетная характеристика эжектора, сопоставленная с экспериментальными данными, приведена на рис. 5.
Рис. 4. Распределение давления вдоль оси водо-водяного эжектора (модель № 1): а - расстояние от среза сопла до входа в камеру смешения; б - камера смешения; в диффузор; "штриховая линия" - динамическое давление (0^/2); "сплошная линия" перепад статического давления относительно атмосферного (^ - Paтм)
Рис. 5. Характеристика эжектора (модель № 1)
В результате разработанная методика расчета имеет более широкое применение и допустима для расчета не только водо-водяного, но и газовых эжекторов если скорости малы по сравнению со скоростью звука (без учета сжимаемости газа в активном и пассивном потоках).
Па втором этапе, с использованием методики расчета, отработанной на эжекторе "модель № 1", проведено исследование по выявлению влияния геометрии входной части камеры смешения на характеристику эжектора.
Для исследования, за базовую модель был принят эжектор, геометрически подобный эжектору фирмы "СгоП-КеупоШ". Он имеет камеру смешения с коническим входом. Такая модель была названа как "модель №2-0", а последующие ее модификации имели нумерацию 2-1 и 2-2, все они показаны на рис. 6.
Рис. 6. Схемы исследуемых эжекторов с нанесением на них линий тока: а - базовая модель № 2-0; б - модель № 2-1; в - модель № 2-2
Были получены картины течения в базовом эжекторе (рис. 6, а) ив моделях, которые отличались от базового варианта отсутствием сужающегося конического участка на входе (рис. 6, б) и длиной камеры смешения (рис. 6, в). Диффузоры у всех моделей из группы № 2 были одинаковы. Результаты расчета линий тока показаны на рис. 6. Обнаружены обширные зоны циркуляционного течения во входной сужающейся части базовой модели.
На основе расчетов во fluent, были построены характеристики исследуемых эжекторов p = f (n), см. рис. 7.
На рис. 7 можно видеть, что базовая модель обеспечивает существенно меньшие значения относительного перепада давления при одинаковых коэффициентах эжекции. Это является следствием присутствия упомянутых выше зон циркуляционного течения во входной части камеры смешения.
Влияние входной части является более сильным, чем влияние длины камеры смешения. Это видно из сравнения характеристик для моделей № 2-1 и № 2-2.
При сравнении всех моделей, как видно из рис. 7, наилучшей характеристикой обладает эжектор с длиной камеры смешения, составляющей 8 диаметров, замеренных на выходе из камеры смешения и без конического входного участка (модель № 2-2). В данном случае длина камеры смешения оценивается диаметрами на ее выходе, так как диаметры на входе для моделей №№ 2-0 и 2-1, 2-2 отличаются.
Рис. 7. Расчетные характеристики эжекторов
Более полно оценить работу и эффективность работы эжекторов можно по графику зависимости коэффициента полезного действия т/ от коэффициента эжекции п , построенному по формулам работы [3].
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,1 Коэффициент эжекции П
Рис. 8. Расчетные зависимости коэффициента полезного действия Т] от коэффициента эжекции П
Из графика, показанного на рис. 8, видно, что максимальное значение к.п.д. Т] тах во всех случаях получается при значении коэффициента эжекции п « 0,5птах.
При птах имеем р = 0 и Т] = 0.
Также из графика видно, что "модель № 2-2" превосходит по своим характеристикам все предыдущие модели. Модели № 1 и № 2-1 работают наиболее эффективно каждый в своем диапазоне по коэффициенту эжекции. Например, "модель № 1" более эффективна при п < 1.05 (при этом коэффициенте эжекции характеристики моделей
7/2011 ВЕСТНИК
_7/2011_мгсу
№ 1 и № 2-1 пересекаются между собой), а "модель №2-1" при более высоких коэффициентах эжекции. Модель № 2-0 оказалась в данном случае менее эффективной, чем другие. Таким образом, установка конического участка на входе в камеру смешения приводит к уменьшению достижимого относительного перепада давления и снижению коэффициента полезного действия.
Литература
1. Александров Ю.Б., Панченко В.И., Валькова Э.И., Дрягалова А.Н., Иванова Н.В. Анализ работы эжектора в энергетических установках методом вычислительной гидрогазодинамики. Материалы 23-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий". Часть 2. Казанское ВВКУ (военный институт), 16-18 мая 2011. Казань, 2011. - с. 112-113
2. Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление. М: "АСВ", 2008. - 576 с.
3. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. М: "Энергоатомиздат", 1989. - 352 с.
References
1. Aleksandrov J.B., Panchenko V.I., Valkova E.I., Drjagalova A.N., Ivanova N.V. Analys of ejector's operation in power installations by a computing gidrogasodinamics method. Materials of 23rd All-Russia interuniversity scientific and technical conference "Elektromehanihesky and intrachamber processes in power installations, jet acoustics and diagnostics, devices and a monitoring method's of environment, substances, materials and products". Part 2. Kazan HMCS (military institute), on May, 16-18th 2011. Kazan, 2011. - p. 112-113
2. Skanavi A.N., Mahov L.M. Heating. M: "ASV", 2008. - 576 p.
3. Sokolov E.Ja., Singer N.M. Jet devices. M: "Energoatomisdat", 1989. - 352 p.
Ключевые слова: эжектор, сопло, приемная камера, камера смешения, диффузор, модели эжектора, характеристика работы, коэффициент эжекции, коэффициент полезного действия.
Keywords: ejector, nozzle, the reception chamber, mixing chamber, diffuser, ejector's model, operation characteristics, ejection ratio, efficiency.
e-mail: Alexwischen@rambler.ru
