CC BY
238
Вестник Курганской ГСХА №3,2018 Технические науки J J
УДК 631.374
А.В. Фоминых, А.В. Тельминов, Н.А. Ковшова
ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА ПОТЕРЬ НА ТРЕНИЕ ПО ДЛИНЕ ТРУБЫ В ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ АПК
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Т.С. МАЛЬЦЕВА», КУРГАН, РОССИЯ
A.V. Fominykh, A.V. Telminov, N.A. Kovshova THE DEPENDENCE OF THE COEFFICIENT OF FRICTION LOSSES ALONG THE LENGTH OF THE PIPE IN HYDRAULIC SYSTEMS OF THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «KURGAN STATE AGRICULTURAL ACADEMY BYT.S. MALTSEV», KURGAN, RUSSIA
Александр Васильевич Фоминых
Alexander Vasilyevich Fominykh доктор технических наук, профессор prof_fav@mail.ru
Александр Владимирович Тельминов
Alexandr Vladimirovich Telminov prof_fav@mail.ru
Надежда Александровна Ковшова
Nadezhda Aleksandrovna Kovshova prof_fav@mail.ru
Аннотация. В сельскохозяйственном производстве важную роль играют системы водоснабжения, мелиорации, приготовления и раздачи жидких кормов, транспортирования навоза внутри зданий и к местам хранения или переработки, внесения жидких удобрений и другие гидравлические и пневматические системы. Кроме того они попутно позволяют произвести ряд технологических процессов: охлаледение, увлажнение, смешивание и очистку от примесей. Одним из путей повышения эффективности гидравлических систем в сельском хозяйстве является использование закрученных потоков. При вращении жидкости в трубе образуются пристенные вихревые потоки, которые перекатываются по стенке трубы с незначительным трением. Центральный вихревой поток жидкости движется по пристенным вихревым потокам как по роликам подшипника также с очень малым трением. Закрутка в трубопроводах значительно уменьшает потери напора, что является актуальной задачей. ANSYS Fluent является самым мощным инструментом для вычислительной гидродинамики. Для выявления оптимальных параметров движения жидкости в системе конечно-элементного анализа ANSYS нами создана математическая модель экспериментальной установки, состоящая из завихрителя и трубы диаметром 0,04 м и длиной 0,5 м. Завихритель представляет собой 3 пластины размером 10x10 мм, толщиной 1 мм, расположенные в начале трубы на стенках. Выполнены расчёты по определению гидравлических характеристик рассматриваемой системы с углами наклона лопаток от 0 до 90 градусов относительно оси трубы через 10 градусов. Программа ANSYS Fluent отражает эффект уменьшения коэффициента потерь на трение по длине трубы при вращении потоков жидкости. Проведенное исследование выявило зависимость коэффициента потерь на трение по длине трубы от интенсивности вращения потоков жидкости. Максимальный эффект проявил себя при повороте лопаток на 30 градусов относительно оси трубы. На расстоянии от лопаток завихрителя, равном 3...7 диаметров трубы, коэффициент потерь на трение снизился почти на 25%. Подобный эффект был описан и
Виктором Шаубергером. Вращение потока жидкости относительно оси трубы приводит к уменьшению коэффициента потерь на трение.
Ключевые слова: труба, жидкость, завихритель, коэффициент потерь, ANSYS Fluent.
Abstract. In agricultural production water supply systems, land reclamation, preparation and distribution of liquid feed, transportation of manure inside buildings and to storage or processing sites, application of liquid fertilizers and other hydraulic and pneumatic systems play an important role. In addition, they simultaneously allow for a number of technological processes: cooling, moistening, mixing and purification from impurities. One of the ways to improve the efficiency of hydraulic systems in agriculture is the use of swirling flows. During the rotation of the fluid wall vortex flows are formed in the pipe which roll over the pipe wall with slight friction.
The central vortex flow of fluid moves along the wall vortex flows as in the bearing rollers also with very little friction. Spin in pipelines significantly reduces head loss which is an important task. ANSYS Fluent is the most powerful tool for computational fluid dynamics. To identify the optimal parameters of fluid motion in the ANSYS finite-element analysis system we have created a mathematical model of an experimental setup consisting of a swirl and a pipe with diameter of 0.04 m and length of 0.5 m. located at the beginning of the pipe on the walls. Calculations were made to determine the hydraulic characteristics of the system under consideration with the angles of inclination of the blades from 0 to 90 degrees relative to the pipe axis through 10 degrees. The ANSYS Fluent program reflects the effect of reducing the coefficient of friction loss along the length of a pipe during rotation of fluid flows. The study revealed the dependence of the coefficient of friction loss along the length of the pipe on the intensity of rotation of the fluid flows. The maximum effect manifested itself when the blades were rotated 30 degrees relative to the pipe axis. At a distance from the swirler blades equal to 3 ... 7 pipe diameters, the coefficient of friction loss decreased by almost 25%. A similar effect was described by Viktor Shauberger. Rotation of the fluid flow relative to the pipe axis leads to a decrease in the friction loss coefficient.
Keywords: pipe, fluid, swirl, loss coefficient, ANSYS Fluent.
Введение. В сельскохозяйственном производстве важную роль играют системы водоснабжения, мелиорации, приготовления и раздачи жидких кормов, транспортирования навоза внутри зданий и к местам хранения или переработки, внесения жидких удобрений и другие гидравлические и пневматические системы [1-5]. Кроме того они попутно позволяют произвести ряд технологических процессов: охлаждение, увлажнение, смешивание и очистку от примесей [6-10]. Одним из путей повышения эффективности гидравлических систем в сельском хозяйстве является
использование закрученных потоков [11].
Австрийский ученый Виктор Шаубергер в своих работах показал возможность снижения трения жидкости о стенки труб при закручивании потока относительно оси трубы [12]. При вращении жидкости в трубе образуются пристенные вихревые потоки, которые перекатываются по стенке трубы с незначительным трением. Центральный вихревой поток жидкости движется по пристенным вихревым потокам как по роликам подшипника также с очень малым трением. В такой трубе несущая способность и эффектив-
AMSYS
R19-1
Academic
ность работы течения возрастает благодаря уменьшению трения и предотвращению осадкообразования. Закрутка в трубопроводах значительно уменьшает потери напора, что является актуальной задачей.
Методика. ANSYS Fluent является самым мощным инструментом для вычислительной гидродинамики, позволяющим ускорить и углубить процесс разработки и повышения эффективности любых изделий, чья работа так или иначе связана стечениями жидкостей и газов. Он содержит широкий набор тщательно верифицированных моделей, обеспечивающих быстрое получение точных результатов для самых разных задач гидро- и газодинамики [13-15].
Для выявления оптимальных параметров движения жидкости в системе конечно-элементного анализа ANSYS нами создана математическая модель, состоящая из за-вихрителя и трубы диаметром 0,04 м и длиной 0,5 м, исходные данные для которой выбраны в соответствии с экспериментальной установкой (рисунок 1). Завихритель представляет собой 3 пластины размером 10x10 мм, толщиной 1 мм, расположенные в начале трубы на стенках.
В качестве эталонных параметров течения выберем течение без завихрения. Лопатки завихрителя в этом случае расположены вдоль оси трубы, и их воздействие на поток минимально. Для лучшей визуализации результатов расчета в программе ANSYS в одном проекте рассчитаем параметры потока жидкости для текущего и эталонного положения лопаток одновременно [16-22].
Результаты. При повороте лопаток завихрителя на угол 10 градусов наблюдается небольшое вращение жидкости относительно оси трубопровода (рисунок 2 а). Изменение коэффициента трения представлено на графике (рисунок 2 б). Среднее значение коэффициента трения для эталонного движения составило 0,0112, для измеряемого движения - 0,0114 единиц, т.е. коэффициент трения
О
Рисунок 1 - Цифровая модель установки для проведения исследований
увеличился на 1,8%.
При повороте лопаток завихрителя на угол 20 градусов наблюдается вращение жидкости относительно оси трубопровода (рисунок 3 а). Среднее значение коэффициента трения (рисунок 3 б) увеличилось на 0,9% с 0,0112 до 0,0113 единиц.
При повороте лопаток завихрителя на угол 30 градусов наблюдается вращение жидкости относительно оси трубопровода (рисунок 4 а). Среднее значение коэффициента трения (рисунок 4 б) уменьшилось на 7,1% с 0,0112 до 0,0104 единиц. На участке трубы на расстоянии от 0,12 до 0,27 м наблюдается значительное уменьшение коэффициента трения с 0,0108 до 0,0081 единиц, т.е. на 25%.
При повороте лопаток завихрителя на угол 40 градусов наблюдается вращение жидкости относительно оси трубопровода (рисунок 5 а). Среднее значение коэффициента трения (рисунок 5 б) уменьшилось на 0,9% с 0,0112 до 0,0111 единиц. На участке трубы на расстоянии от 0,085 до
Угол
Вихрь
Коэффициент трения
Ю грд
_ 0,05 С
■¡3 0,04 4 £
щ 0,03 -
с 0Г02 -\
■Ы 0,01 t
= о —1
(Л
од
I I -0,1 -0,2 Z[ ш ]
Series 1 for Etalon of FFF -
~T~
T
-0,3 -0,4 -0,5 Series 1 for FFF
а) эпюра скоростей жидкости в сечении трубы; б) изменение коэффициента трения по длине трубы Рисунок 2 - Результаты расчётов при повороте лопаток на угол 10 градусов
Угол
Вихрь
Коэффициент трения
20 грд
0,05 -| 0,040,03 -0,020,01 -0 -
Г
0,1
~г
"1 I I I
-0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 Z[ m ]
Series 1 for Etalon of FFF - Series lfor FFF
а) эпюра скоростей жидкости в сечении трубы; б) изменение коэффициента трения по длине трубы Рисунок 3 - Результаты расчётов при повороте лопаток на угол 20 градусов
Вестник Курганской ГСХА №3,2018 Технические науки 79
Угол
Вихрь
Коэффициент трения
ЗОгрд
Г*1 View 2 Etalon of Fluid Flow Huent ч
^ 0,05-
■I 0,04e
« 0,03-
c 0,02-o
.У 0,01 -±
с 0 -1 2 Vi
од
I
0,4 -0,5
3D Viewer Tabfc Viewer Chart Viewer Comment Viewer Report Viewer
I I Г~ -0,1 -0,2 -0,3 Z[ ill ]
Series 1 for Etalon of FFF - Series t for FFF
а) эпюра скоростей жидкости в сечении трубы; 6) изменение коэффициента трения по длине трубы Рисунок 4 - Результаты расчётов при повороте лопаток на угол 30 градусов
Угол
Вихрь
Коэффициент трения
40 грд
10.0 [m s -1]
_ 0,05-1
I 0,04£
g °'03 ~
с 0,02-o
.У 0,01 -fc
с 0 —'
12 in
0,1
"Г
3D Viewer Table Chart Viewer Comment Wewer Report V*
1-1-1-1
-0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 Z [ m ]
Series 1 for Etalon of FFF - Series lfor FFF
а) эпюра скоростей жидкости в сечении трубы; б) изменение коэффициента трения по длине трубы Рисунок 5 - Результаты расчётов при повороте лопаток на угол 40 градусов
0,21 м наблюдается значительное уменьшение коэффициента трения с 0,0116 до 0,0098 единиц, т.е. на 16%.
Выводы. Программа ANSYS Fluent отражает эффект уменьшения коэффициента потерь на трение по длине трубы при вращении потоков жидкости. Проведенное исследование выявило зависимость коэффициента потерь на трение по длине трубы от интенсивности вращения потоков жидкости. Максимальный эффект проявил себя при повороте лопаток на 30 градусов относительно оси трубы. На расстоянии от лопаток завихрителя, равном 3...7 диаметров трубы, коэффициент потерь на трение снизился почти на 25%. Подобный эффект был описан и Виктором Шаубергером. Вращение потока жидкости относительно оси трубы приводит к уменьшению коэффициента потерь на трение.
Список литературы
1 Фоминых A.B., Фомина C.B., Стрекаловских Н.С. Установка повышения концентрации жидких кормовых добавок// Вестник Курганской КГСХА. 2017. № 3. С. 75-80.
2 Фоминых A.B., Чиняев И.Р, Овчинников Д.Н. Гидравлическая система удаления навоза из животноводческого помещения // Главный зоотехник. 2013. № 6 С. 57-60.
3 Фоминых A.B., Фомина C.B. Установка для сушки окары // Научные результаты - агропромышленному производству: материалы международной научно-практической конференции. Курган, 2004. Т. 2. С. 419-420.
4 Фоминых A.B., Родионов С.С, Мялин М.И. Охладитель экструдированной сои // Научные результаты - агропромышленному производству: материалы международной научно-практической конференции. Курган, 2004. Т. 2. С. 410-412.
5 Фоминых A.B., Фомина C.B. Производство полно-
жирной экструдированной сои // Научное обеспечение реализации направления «Ускоренное развитие животноводства»: сборник научных трудов ВНИИМЖ (всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства). Москва, 2006. Т. 16. Ч. 3. С. 105-112.
6 Фоминых A.B., Овчинников Д.Н., Фомина C.B. Линия производства полножирной экструдированной сои с рекуперацией тепловой энергии // Вестник Курганской ГСХА. 2014. № 3. С. 83-85.
7 Фоминых A.B., Воинков В.П., Фомина C.B. Технологическая линия очистки сои с применением решётного и фрикционного сепараторов // Вестник Курганской ГСХА. 2014. №4(12). С. 66-69.
8 Фоминых A.B., Фомина C.B., Мялин М.И. Технологическая линия приготовления сухой окары для приготовления комбикормов // Вестник Курганской ГСХА. 2016. № 3 (19). С. 78-80.
9 Алексеев C.B., Фоминых A.B., Мялин М.И., Фомина C.B. Разработка технологической линии приёмки и хранения бобов сои // Вестник Курганской ГСХА. 2018. № 2 (26). С. 68-72.
10 Фоминых A.B., Савельев A.B., Фомина C.B. Расчёт энергетических характеристик шахтного охладителя полножирной экструдированной сои // Вестник Курганской ГСХА. 2012. №2. С. 63-66.
11 Ездина А. А., Пономарева O.A., Фоминых A.B. Регулирующее устройство с использованием скручивания потока проводимой среды. // В сборнике: Научное обеспечение реализация государственных программ АПК и сельских территорий, 2017. С. 393-396.
12 Шаубергер В. Энергия воды. М.: Яуза, Эксмо. 2007. 320 с.
13 Басов К.A. ANSYS в примерах и задачах / под общ. ред. Д.Г. Красковского. - М.: Компьютер пресс, 2002. 224 с.
14 Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Едитори-ал УРСС, 2003. 272 с.
15 Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: справ, пособие. М.: Машиностроение-1, 2004. 512 с.
16 Фоминых А.В., Пономарева О.А., Ездина А.А. Методика расчёта диффузора регулирующего устройства с закручиванием потока // Приоритетные направления развития энергетики в АПК: материалы II Всероссийской (национальной) научно-практической конференции / под общей редакцией С.Ф. Сухановой. Курган: Изд-во Курганской ГСХА, 2018. С. 237-242.
17 Фоминых А.В., Пономарева О.А., Ездина А.А Моделирование регулирующего устройства с закручиванием потока//Ползуновский вестник. 2018. № 1. С. 106-110.
18 Логинов Д.В., Мялин М.И., Фоминых А.В. Стенд для испытаний образцов на трение и износ // Техническое обеспечение технологий производства сельскохозяйственной продукции: материалы II Всероссийской (национальной) научно-практической конференции / под общей редакцией С.Ф. Сухановой. Курган: Изд-во Курганской ГСХА, 2018. С. 25-29.
19ФоминыхА.В., Овчинников Д.Н., Ездина А.А Шланговое регулирующее устройство для гидравлических систем в сельском хозяйстве // Кормление сельскохозяйственных животных и кормопроизводство. 2018. № 6. С. 55-61.
20 Садовщикова А.А., Шарипов А.Г., Фоминых А.В. Повышение эффективности работы центрифуг с применением воздушной очистки фильтрующего элемента // Кормление сельскохозяйственных животных и кормопроизводство. 2018. № 7. С. 57-65.
21 Котельников Л.В., Фоминых А.В. Штуцерное дрос-сельно-регулирующее устройство // Техническое обеспечение технологий производства сельскохозяйственной продукции: материалы I Всероссийской научно-практической конференции. Курган: Изд-во Курганской ГСХА, 2017. С. 10-13.
22 Фоминых А.В., Садовщикова А.А. Определение скорости воздушных потоков в оборудовании для производства кормов // Методы механики в решении инженерных задач: материалы I Всероссийской научно-практической конференции. Курган: Изд-во Курганской ГСХА, 2017. С. 131-136.
List of references
1 Fominykh A.V., Fomina S.V., Strekalovskikh N.S. Installation of increasing liquid feed additives concentration // Vestnik of Kurgan KSAA. 2017. № 3. Pp. 75-80.
2 Fominykh A.V., Chinyaev I.R., Ovchinnikov D.N. Hydraulic system of manure removal from livestock premises // Main herd manager. 2013. №6, Pp. 57-60.
3 Fominykh A.V., Fomina S.V. Installation for drying okara // Scientific results - to the agro-industrial production: materials of the international scientific-practical conference. Kurgan, 2004. V. 2. Pp. 419-420.
4 Fominykh A.V., Rodionov S.S., Myalin M.I. Extruded soybean cooler // Scientific results for agro-industrial production: materials of the international scientific-practical conference. Kurgan, 2004. V. 2.Pp. 410-412.
5 Fominykh A.V., Fomina S.V. Production of full fat extruded soya // Scientific support forthe implementation of the direction "Accelerated Livestock Development": a collection of scientific papers of the All-Russian Research Institute for Mechanization of Livestock. Moscow, 2006. V. 16. Part 3. Pp. 105-112.
6 Fominykh A.V., Ovchinnikov D.N., Fomina S.V. Produc-
tion line of full fat extruded soya with heat recovery // Vestnik of Kurgan State Agricultural Academy. 2014. № 3. Pp. 83-85.
7 Fominykh A.V., Voinkov V.P, Fomina S.V. Technological line for soybean purification using grate and friction separators // Vestnik of Kurgan State Agricultural Academy. 2014. №4(12). Pp. 66-69.
8 Fominykh A.V., Fomina S.V., Myalin M.I. Technological line for the preparation of dry okara for compound feed preparation // Vestnik of Kurgan State Agricultural Academy.
2016. № 3 (19). Pp. 78-80.
9 Alekseev S.V., Fominykh A.V., Myalin M.I., Fomina S.V. Development of the technological line for acceptance and storage of soybeans // Vestnik of the Kurgan State Agricultural Academy. 2018. № 2 (26). Pp. 68-72.
10 Fominykh A.V., Saveliev A.V., Fomina S.V. Calculation of the energy characteristics of the shaft cooler full fat extruded soya //Vestnik of the Kurgan State Agricultural Academy. 2012. № 2. Pp. 63-66.
11 EzdinaA.A., Ponomareva O.A., Fominykh A.V. Control device using twisting flux conducted ambient. // In the collection: Scientific support of the implementation of state programs of the agroindustrial complex and rural territories,
2017. Pp. 393-396.
12 Shauberger V. Water Energy. M.: Yauza, Eksmo. 2007. 320 p.
13 Basov K.A. ANSYS in examples and problems / Under ed. D.G. Kraskovsky. M.: Computer Press, 2002. 224 p.
14 Kaplun A.B., Morozov E.M., Olfereva M.A. ANSYS in the hands of an engineer: A practical guide. M.: Editorial URSS, 2003. 272 p.
15 Chigarev A.V., Kravchuk A.S., Smaluk A.F. ANSYS for engineers: handbook. M.: Mashinostroenie-1, 2004. 512 p.
16 Fominykh AV, Ponomareva OA, Ezdina A.A. Method of calculating the diffuser of a regulating device with a twisting flow // Priority directions for the development of energy in the agro-industrial sector: materials of the II All-Russian (National) Scientific Practical Conference / edited by S.F. Sukhanova. Kurgan: Publishing House of Kurgan State Agricultural Academy, 2018. Pp. 237-242.
17 Fominykh, AV, Ponomareva, OA, Ezdina, A.A. Modeling of a Regulatory Device with Flow Twisting // Polzunovsky Vestnik. 2018. № 1. Pp. 106-110.
18 Loginov D.V., Myalin M.I., Fominykh A.V. Stand for testing samples for friction and wear // Technical support of technologies for the production of agricultural products: materials of the II All-Russian (national) scientific-practical conference / edited by S.F. Sukhanova, Kurgan: Publishing House of Kurgan State Agricultural Academy, 2018. Pp. 25-29.
19 Fominykh AV, Ovchinnikov D.N., Ezdina A.A. Hose control device for hydraulic systems in agriculture // Feeding of farm animals and fodder production. 2018. № 6. Pp. 55-61.
20 Sadovshchikova A.A., Sharipov A.G., Fominykh A.V. Improving the efficiency of centrifuges with the use of air cleaning of the filter element // Feeding farm animals and fodder production. 2018. № 7. Pp. 57-65.
21 KotelnikovL.V., Fominykh A.V. Nozzle choke-regulating device // Technical support of technologies for the production of agricultural products: materials of the I All-Russian Scientific Practical Conference. Kurgan: Publishing House of Kurgan State Agricultural Academy, 2017. Pp. 10-13.
22 Fominykh A.V., Sadovshchikova A.A. Determining the speed of air flow in equipment for the production of feed // Methods of mechanics in solving engineering problems: materials of the I All-Russian Scientific Practical Conference. Kurgan: Publishing House of Kurgan State Agricultural Academy, 2017. Pp. 131-136.
