ОБЩАЯ КАРТИНА ДВИЖЕНИЯ ГАЗА В ЦИКЛОННОЙ КАМЕРЕ

АРХАНГЕЛЬСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ именн В. В. КУЙБЫШЕВА

АЭРОДИНАМИКА ЦИКЛОННОЙ

КАМЕРЫ

Методические указания

к учебной исследовательской работе

по курсу "Гидромеханика и газовая динамика"

Архангельск

Министерство высшего и среднего специального образования

РСФСР

Архангельский ордена Трудового Красного Знамени

лесотехнический институт им..В.В.Куйбышева

"УТВЕРЖДАЮ"

Проректор по научной работе,
доцентТ. А. ГУРЬЕВ
" 04 " июля 1980 Г.

АЭРОДИНАМИКА ЦИКЛОННОЙ КАМЕРЫ

Методические указания

к учебной исследовательской работе

по курсу "Гидромеханика и газовая динамика"

Архангельск

I980

Рассмотрены и рекомендованы к изданию методической

комиссией факультета промышленной энергетики

Архангельского ордена Трудового Красного Знамени

лесотехнического института им. В.В.Куйбышева

21 июня 1979 г.

Авторы:

канд.техн.наук доцент Эдуард Николаевич САБУРОВ,

канд.техн.наук Сергей Васильевич КАРПОВ

Научный редактор

канд.техн.наук доцент А.Э.ПИИР

Рецензент

доцент А.И.ЕГОРОВ

УДК 621.783.246.1

С а б у р о в Э.Н. ,Карпов С.В. Аэродинамика цик­лонной камеры: Методические указания к учебной исследователь­ской работе по курсу "Гидромеханика и газовая динамика". - РИО АЛТИ, 1980.- 36 с.

В указаниях рассмотрена методика проведения эксперимен­тального исследования аэродинамики циклонной камеры, обработки и анализа опытных данных. Изложена схема расчета основных аэро­динамических характеристик циклонного потока. Предназначены к выполнению учебной исследовательской работы по курсу "Гидроме­ханика и газовая динамика" для студентов III курса факультета промышленной энергетики (специальность 0308).

© АЛТИ, 1980

Оглавление

Введение

Общая картина движения газа в циклонной камере

Влияние основных конструктивных и режимных характеристик на аэродинамику циклонной камеры

Описание экспериментального стенда и методики измерений. Порядок проведения опытов

Измерение расхода воздуха

Измерение скоростей и давлений в объеме циклонной камеры

Обработка результатов измерений

Определение расхода воздуха через камеру

4.2. Расчет распределений скоростей и давлений в циклонной камере, определение основных аэродинамических характеристик

Производство замеров цилиндрическим трехканальным зондом

Производство замеров шаровым пятиканальным зондом

Схема аэродинамического расчёта циклонной камеры

Расчет основных аэродинамических характеристик

Литератуpa

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Основная цель работы - углубление и закрепление знаний по курсу гидромеханики и газовой динамики, изучение методов иссле­дования аэродинамики промышленных аппаратов на примере циклон­ной камеры, освоение приборов и техники аэродинамического экс­перимента, обработки, графического представления и анализа опытных данных. Главная задача - экспериментальное исследование полей скоростей и давлений в рабочем объеме модели горизонталь­ной циклонной камеры с помощью пневмометрических зондов, опре­деление основных аэродинамических характеристик закрученного потока и сравнение их с расчетом по схеме аэродинамического расчета циклонной камеры. Кроме того, студенты должны освоить метод измерения расхода газа по полю скоростей, снятому пневмометрическим насадком.

ОБЩАЯ КАРТИНА ДВИЖЕНИЯ ГАЗА В ЦИКЛОННОЙ КАМЕРЕ

Циклонная камера (рис. 1) представляет собой цилиндр, тангенциально к внутренней поверхности которого вводится газ или жидкость. Число а и местоположение Х_вх вводов (шлицев или сопел) может быть различным и определяется технологическим назначением

Рис.1.Схематический чертеж циклонной камеры и основные обозначения; I - ядро потока; 2 - периферийная (пристенная) зона; 3 - приторцевал зона

циклонного аппарата. Основными относительными характерис­тиками (их обозначения приведены на рис. I) циклонной камеры, кроме отмеченных, являются: суммарная площадь входа , -диаметр выходного отверстия , длина рабочего объема , высота шлицев (сопел) , местоположение входных шлицев , (координата отсчитывается от глухого торца рабочего объема камеры), шероховатость поверхности рабочего объема. Вывод газов из рабочего объема циклонной камеры, как правило, осуществляется через соосное с ним выходное отверстие в одном из торцов. Для обычных циклонных камер характерна диафрагмированность выхода и сравнительно небольшая относительная длина ( = 0,5 ÷ 2,5).

Поле скоростей потока в циклонных камерах отличается сложностью и пространственностью. В любой точке поля сектор скорости можно разделить на три составляющие (компоненты): тангенциальную ω_φ(вращательную), ω_х

осевую (продольную) и радиальную ω_z (рис.I). В общем случае соотношение между этими компонентами может быть различным по величине в зависи­мости от местоположения рассматриваемой точки поля скоростей и геометрии циклонной камеры. По характеру изменения компонент скорости потока весь рабочий объем циклонной камеры (см.рис. I) можно разделить на три основные области: осесимметричное ядро потока, приторцевые зоны течения и периферийную пристенную зо­ну.

Ядро потока занимает основную часть рабочего объема каме­ры. Внешней границей ядра потока является цилиндрическая по­верхность, радиус которой r_я может быть найден из условия мак­симума момента количества движения. С торцевых поверхностей яд­ро потока ограничено зоной интенсивных радиальных течений, где наблюдается падение вращательной составляющей скорости и значи­тельное повышение радиальной компоненты. В пределах ядра потока тангенциальная (вращательная) составляющая име­ет наибольшую из всех трех компо­нент величину. В соответствии с характером ее распределения по радиусу (рис. 2) можно выделить две зоны: зону возрастания скорости при уменьшении радиуса (квазипотенциальную зону) и зону ее падения по мере приближения к центру камеры (зону квазитвердого вращения). Зоны разделены сравнительно небольшим по радиальной протяжен­ности переходным участком. Размеры зон возрастания и падения тангенциальной составляющей, так же как протяженность переход­ного участка и общий уровень

Рис.2 Распределение вращательной составляющей

скорости, статического и полного давлений в

циклонной камере.

вращательной скорости, определя­ются геометрией циклонной камеры. При двухстороннем и более вводе газа течение в ядре практически осесимметрично. Аэроди­намическая ось потока совпадает с осью камеры. Вращательная составляющая скорости в ядре потока значительно превышает другие компоненты скорости, поэтому основным видом движения считают вращательное. С этой точки зрения, в первом приближении, движение газа в ядре можно считать плоским и отнести к категории равномерных осесимметричных относительно оси вращения или круговых [13]. Из курса физики известно, что при равномерном движении по окружности радиуса r равнодействующая сил dF, действующих на элемент жидкости, должна быть равна по модулю

(1)

и направлена к центру окружности.

В уравнении (1) - линейная (тангенциальная, вращательная) скорость движения элемента; m - масса элемента.

Только когда равнодействующая сила сообщает элементу необходимое центростремительное ускорение j= /r, он движется равномерно по окружности. Эту равнодействующую называют центростремительной силой. Если исключить из рассмотрения вследствие их относительной малости силы трения, обусловленные вязкостью, и условие равновесия рассматривать применительно к единице объема среды, то можно считать, что равнодействующей (центростремительной) силой в ядре циклонного потока будет являться радиальный градиент давления [13]. Соответственно условие существования кругового течения, или условие радиального равновесия потока, в рассматриваемом случае будет определятся уравнением

. (2)

Статистическое и полное давления максимальны на внешней границе ядра потока и падают по направлению от стенки к оси камеры. В приосевой области при определенных условиях статистическое и полное давления потока могут быть ниже атмосферного (см.рис. 2).

В периферийной (пристенной) зоне, так же как и в ядре, вращательная составляющая является наибольшей из всех компонент. Профиль в этой области не осесимметричен и непрерывно перестраивается по мере продвижения потока у вогнутой поверхности рабочего объема. Начальное же распределение - распределение на выходе из входного шлица/сопла/ - зависит от характера течения потока/профиля скорости/ внутри и вне его. Сложность течения определяется тем, что выходящая струя в рабочем объеме взаимодействует сразу и со спутным, вращающимся относительно оси камеры потоком, и с вогнутой цилиндрической стенкой камеры. Взаимодействие струи со стенкой приводит к закручиванию потока. Частицы среды вблизи стенки начинают двигаться по спиральным траекториям, причем направление вектора их скорости в пристенном слое струи определяется совокупным влиянием, например, положения рассматриваемого канала относительно других каналов и торцевых поверхностей рабочего объема, интенсивностью торцевых перетечек, которые в свою очередь зависят практически от всех геометрических характеристик камеры.

Кривая распределения статического давления по радиусу в периферийной зоне течения по характеру является продолжением соответствующего распределения в ядре потока.

Особенности течения потока в приторцевых областях циклонных камер связаны с подтормаживающим действием торцевых поверхностей. Вблизи торцевых поверхностей вращательная составляющая скорости уменьшается, и появляется интенсивное радиальное течение, направленное к центру камеры со скоростью, которая обуславливает появление сил трения, компенсирующих возникшее нарушение динамического равновесия в рассматриваемой области. Сложность картины дополняется взаимодействием возникшего течения с ядром потока. Статическое давление поперек этой области практически не изменяется на всех радиусах.

Условия стока, неравномерность распределения вращательных скоростей потока по длине рабочего объема (и первую очередь в периферийной и приторцевых областях течения), обусловленная геометрией камеры и трением потока о стенки, а также имеющееся в некоторых случаях разрежение в приосевой зоне определяют довольно сложное поле осевых скоростей в циклонных устройствах. На рис.3 приведены условные распределения осевой компоненты скорости по радиусу в рабочем объеме и соответствующие им схемы осевых потоков.

Рис. З.Распределение ω_х и схемы осевых движений потока

в циклонной камере: 1 - периферийннй прямой вихрь;

2 - кольцевой обратный вихрь; 3 - выходной вихрь;

4 - периферийный обратный вихрь; 5 - осевой обратный вихрь

(За положительное направление осевой скорости здесь и далее принимается направление к выходу из камеры, за отрицательное - направление к глухому торцу.) На рис. 3 видно, что входящий в камеру поток разделяется на два, один из которых направляется к выходному торцу, а другой - к глухому. Основная часть массы газа потоков интенсивными радиальными перетечками переносится к центральным областям рабочего объема. Вблизи приосевой зоны от глухого торца поток газа направляется к выходному отверстию, к нему в приторцевой области у выходного отверстия присоединяется часть газа, переносимая радиальным течением у выходного торца. Этот радиальный поток, взаимодействуя с выходным, частично ответвляется, образуя небольшое кольцевое обратное течение. В центральной области рабочего существует обратное течение газов. Оно появляется в результате имеющегося здесь разрежения и подсоса газов и зарождается вне рабочего объема камеры. Проникнув внутрь камеры на определенную глубину, массы газа, подсасываемые извне, присоединяются к выходному течению. Вращательное движение центрального обратного потока, в отличие от всех других вышерассмотренных, является индуцированным.

Размеры, радиальная протяженность и мощность рассмотренных закрученных осевых потоков могут быть различными и зависят от геометрических характеристик циклонной камеры.

Безусловно, приведенная схема осевых течений потока является приближенной, хотя и допускает существование циркуляционных зон как внутри рабочего объема, так и в пристенном слое между входными каналами, в углах рабочего объема между торцевыми и боковой поверхностями. Пристенные потоки называют периферийными прямым и обратным вихрями, выходной поток - выходным вихрем, кольцевое обратное течение - кольцевым обратный вихрем, центральный обратный поток - центральным обратным вихрем [19].

Важная роль в аэродинамике циклонных камер принадлежит весьма интенсивному турбулентному обмену [6, 18].

С точки зрения общих аэродинамических характеристик циклонных камер, основным видом движения газа, как уже отмечалось, следует считать вращательное. Главной характеристикой вращательного движения в циклонной камере является максимальная вращательная скорость потока (см.рис. 2). Она удачно характеризует общий (эффективный) уровень вращательного движения газа в рабочем объеме. При струйном представлении циклонного потока является скоростью потока на внешней границе струйного пограничного слоя, обращенного к оси камеры. Обычно в аэродинамических расчетах чаще используют не абсолютное значение , а относительное ( - средняя скорость потока в шлицах или соплах).

Второй скоростной характеристикой ядра потока в циклонной камере является вращательная скорость на его внешней границе . Эта скорость является интегральной характеристикой аэродинамических процессов, связанных с истечением газа из шлицев, распространением его струй у боковой поверхности камеры, взаимодействием пристенной зоны течения с ядром и приторцевыми потоками.

Обе скоростные характеристики связаны между собой коэффициентом крутки в ядре потока:

. (3)

Радиальные размеры характерных зон циклонного потока определяются безразмерными радиуса, ? . Особо важное значение в аэродинамических расчетах циклонных камер имеют безразмерные радиусы, характеризующие положение максимума вращательной скорости потока , внешней границы осесимметричного ядра , нулевого значения статического давления (см.рис. 2). Общее сопротивление циклонной камеры оценивается по суммарному коэффициенту сопротивления где - перепад полного давления в камере, разность величин полных давлений в шлицах и за выходным отверстием рабочего объема; - плотность потока на входе в камеру. Введение суммарного коэффициента ξ оправдано удобством в выполнении аэродинамических расчетов циклонных устройств. С точки зрения же анализа влияния геометрических и режимных характеристик на сопротивление циклонной камеры он является менее удачной характеристикой, так как не позволяет проследить изменение его составляющих и не связан непосредственно со скоростными характеристиками потока. В этом смысле более удачным является суммарный коэффициент сопротивления вида , где - плотность потока на радиусе . С помощью коэффициента можно определить затраты энергии на создание определенного уровня вращательных скоростей в устройстве. Фактически он определяет аэродинамическую эффективность циклонной камеры.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: