CC BY
11
УДК 622.412.1
А.А. Трубицын
ОАО «НЦ ВостНИИ»
Я.С. Ворошилов, Д.С. Хлудов
ООО «Горный ЦОТ» А.А. Поморцев
ИУУ СО РАН
Выбор и оптимизация профиля приемной трубки
анемометра АР-П
Приведены результаты компьютерного моделирования полей скорости и давления в приемной трубке, а также итоги стендовых испытаний анемометра АР-П
Контроль параметров рудничной атмосферы является важнейшей составляющей комплекса мероприятий по обеспечению безопасности при ведении горных работ в угольных шахтах. К контролируемым параметрам рудничной атмосферы относятся токсичные и взрывоопасные газы, пары воды (влажность воздуха), концентрация угольной и породной пыли, абсолютное давление воздуха, депрессия (разность давлений), скорость воздушного потока, расход воздуха, температура. Для контроля этих параметров используют различные контрольно-измерительные приборы и аппаратуру, которые классифицируются по назначению, роду преобразуемых физических величин, положенных в основу измерения, и другим признакам. Одним из основных факторов, определяющих конструктивные особенности контрольно-измерительных приборов того или иного назначения, является физическое явление, на котором базируется процесс измерения.
Для обеспечения безопасности горных работ измерение расхода и скорости воздуха имеет одно из первостепенных значений, т.к. является объективной оценкой эффективности системы проветривания. Совместный контроль концентрации, например метана, скорости и расхода воздуха позволяет оценить статические и динамические свойства источников метановыделения, выявить обусловленные ими опасности и оперативно реагировать на параметры системы вентиляции.
Основным недостатком существующих приборов контроля скорости воздуха является то, что нижний предел измеряемых величин скорости составляет в лучшем случае 0,1 м/с. Это приводит к тому, что в наиболее опасных зонах шахтного поля измерение скорости движения вентиляционной струи становится очень трудоемким процессом.
В связи с этим была поставлена задача разработки шахтного анемометра с широким диапазоном измерения 0...50 м/с, который бы обеспечивал достаточную точность в граничных областях.
В результате проведенных исследований был разработан и принят к реализации способ контроля скорости воздуха, основанный на создании перепада давления воздушного потока на диафрагме, установленной в патрубке. При этом осуществляют измерение расхода воздуха с помощью одного или двух датчиков. Данные с датчиков расхода воздуха поступают в преобразователь, входящий в компьютерную систему или в адаптированную систему сбора и обработки информации.
Известно, что течение газов через диафрагмы либо конфузорно-диффузорные сечения сопряжено со значительными турбулентными явлениями, такими как отрыв потока, вихреобразова-ние и пр. В связи с этим была поставлена задача выбора оптимальной конфигурации рабочего пространства анемометра.
На данном этапе исследований было проведено компьютерное моделирование полей скорости и давления при обтекании различных профилей рабочего пространства приемной трубки, а также скорости движения внешнего аэродинамического потока с разной длиной приемной трубки.
Моделирование аэродинамического сопротивления проводилось в два этапа с учетом того, что диафрагма устанавливалась точно посередине рабочего пространства анемометра. На первом этапе необходимо было минимизировать турбулентные течения в зависимости от длины трубки во всем диапазоне скоростей движения воздуха. На втором этапе проводилась оптимизация конфигурации рабочего пространства анемометра и выбор оптимальной длины приемной трубки также во всем диапазоне скоростей.
Выбор конфигурации рабочего пространства анемометра осуществлялся, исходя из следующих предпосылок:
1 Длина рабочего пространства должна быть минимальной для обеспечения компактности прибора. При этом необходимо обеспечить максимально возможную равномерность в распределении полей скорости и давления во всем рабочем пространстве.
2 Для реализации выбранного способа измерения воздушного потока необходимо обеспечить разность давлений воздуха в центральной ограниченной области рабочего пространства. Это неизбежно требует детального рассмотрения конфигурации области диафрагмы в месте размещения каналов отвода воздуха для получения течения без интенсивных скачков уплотнения и разрежения.
3 Устойчивость полей скорости и давления во всем диапазоне скорости спутного потока (0...30 м/с), отсутствие явных турбулентных течений в области размещения каналов для отвода воздуха.
Результаты компьютерного моделирования аэродинамических ситуаций приведены ниже.
Первоначально была предложена кольцевая диафрагма, установленная перпендикулярно в цилиндрическом профиле приемной трубки (рисунки 1, 2). В этом случае при наличии проходящего потока газ подходит к отверстию с одной стороны, а его истечение происходит под углом при более поджатом сечении струи за отверстием диафрагмы. Это поджатие потока обусловливает повышение в нем скоростного давления, которое для данной конфигурации теряется на выходе. При использовании такой диафрагмы в измерительном канале анемометра после диафрагмы образовывались значительные по размерам вихревые зоны даже на малых скоростях. Перепад давления на диафрагме на малых скоростях не превышал 2 Па, что делало невозможным обеспечение стабильности измерения.
а б
Рисунок 1 - Поля давлений (а) и скорости (б) в рабочем пространстве анемометра с диафрагмой при скорости спутного потока 0,25 м/с
Рисунок 2 - Поля давлений (а) и скорости (б) в рабочем пространстве анемометра с диафрагмой при скорости спутного потока 5 м/с
В процессе дальнейшей отработки конфигурации рабочего пространства анемометра проводились исследования и других профилей продольного сечения приемной трубки, в том числе классического сопла Лаваля, конфузорно-диффузорных сечений с различными углами сужения и расширения и разными профилями. Компьютерное моделирование полей скоростей и давлений проводилось на моделях с различными углами раствора сужающихся (или расширяющихся) участков. В результате установлено, что наиболее оптимальным вариантом, при котором разность давлений хорошо регистрируема (т.е. в данном случае отсутствуют масштабные вихревые зоны), является вариант симметричной конфузорно-диффузорной конфигурации с длиной приемной трубки 100 мм. Результаты моделирования для этого случая приведены на рисунках 3 и 4.
Проведенное компьютерное моделирование позволило разработать конструкцию, реализованную в макетном образце портативного анемометра. Конструктивно устройство для измерения скорости воздуха выполнено следующим образом. Корпус прибора соединен с конфузорно-диффузорной приемной трубкой, в которой с обеих сторон диафрагмы выведено по два входных и выходных штуцера с двух датчиков расхода воздуха. Данные с одного или двух датчиков расхода воздуха поступают в преобразователь и отображаются на цифровом табло. Диапазон измерения скорости воздушного потока при использовании двух датчиков составляет 0,05-50 м/с при погрешности измерения не более 2,5% даже при загрязнении воздушного потока пылью и при относительной влажности до 100%.
Рисунок 3 - Поля давлений (а) и скорости (б) в рабочем пространстве конфузорно-диффузорной конфигурации анемометра при скорости спутного потока 0,25 м/с
Рисунок 4 - Поля давлений (а) и скорости (б) в рабочем пространстве конфузорно-диффузорной конфигурации анемометра при скорости спутного потока 20 м/с
Особенностью предлагаемого устройства является также возможность измерения скорости реверсированной струи воздуха, при этом оно выдает измеренное значение скорости со знаком «-».
Были проведены стендовые испытания макетного образца портативного анемометра АР-П для измерения скорости воздуха в горных выработках. Испытания проводились в условиях, максимально приближенных к условиям реальной эксплуатации прибора. В результате установлено, что в диапазоне запыленности воздуха до 200 мг/м погрешность измерения во всех диапазонах скоростей составляла 1,4-2,3 % (таблица 1). При запыленности в пределах от 200 до 1300 мг/м3 погрешность была несколько выше, но не превышала 2,6 %. На точность измерения предложенным устройством не оказывает существенного влияния наличие в воздушном потоке различных примесей (пыль, капли влаги и т.д.).
Таблица 1 - Результаты стендовых испытаний анемометра АР-П
Запылен- Влажность Показания Показания Погрешность
ность воздуха, мг/м3 воздуха, % термоанемометра, м /с АР-П, м/с абсолютная, %
0,5 0,507 -1,4
48 90 1,7 1,727 -1,59
2,7 2,645 2,04
18,6 19,018 -2,25
0,6 0,589 1,8
90 1,7 1,727 1,59
195 2,7 2,655 1,67
18,6 19,037 -2,35
0,4 0,395 1,25
340 90 1,7 2,6 1,729 2,573 1,71 1,04
18,6 18,79 -1,02
0,5 0,507 -1,4
1250 90 1,7 1,731 -1,82
2,6 2,658 -2,23
18,6 18,116 2,6
В результате стендовых исследований макетного образца портативного анемометра для измерения скорости воздуха в горных выработках было установлено следующее:
1 Обеспечение точности (минимизация погрешности измерений) измерений скорости воздушного потока достигается за счет оптимизации профиля приемной трубки.
2 Расширение диапазона измерений скорости воздушного потока в диапазоне 0-50 м/с возможно при оснащении анемометра двумя датчиками расхода разной чувствительности, которая обеспечивается различными диаметрами входных и выходных штуцеров датчиков.
3 Единообразное размещение датчиков относительно диафрагмы обеспечивает плавный переход измерений в двух диапазонах 0-2 и 2-50 м/с с минимизацией погрешности измерений до 2,5-2,6 %.
4 Разработан образец прибора для измерения скорости воздуха в горных выработках, который успешно прошел стендовые испытания и испытания по внесению в Госреестр средств измерения. Прибор прост в эксплуатации и позволяет точно произвести необходимые измерения.
