Особенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа в. В. Бабенко*, д-р техн наук, проф.; В. Н. Турик**, канд техн наук, доц.; В. С. Дембицкий** icon

Особенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа в. В. Бабенко*, д-р техн наук, проф.; В. Н. Турик**, канд техн наук, доц.; В. С. Дембицкий**




Скачати 112.89 Kb.
НазваОсобенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа в. В. Бабенко*, д-р техн наук, проф.; В. Н. Турик**, канд техн наук, доц.; В. С. Дембицкий**
Дата31.07.2012
Розмір112.89 Kb.
ТипДокументи
1. /12(58)_1_1.docОсобенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа в. В. Бабенко*, д-р техн наук, проф.; В. Н. Турик**, канд техн наук, доц.; В. С. Дембицкий**

ОСОБЕННОСТИ АЭРОДИНАМИКИ ВИХРЕВЫХ КАМЕР С РАССРЕДОТОЧЕННЫМ ПОДВОДОМ ГАЗА


В.В.Бабенко*, д-р.техн.наук, проф.; В.Н.Турик**, канд.техн.наук, доц.; В.С.Дембицкий**

*Институт гидромеханики НАН Украины;

**Национальный технический университет Украины «КПИ»

Введение


Вихревые камеры (ВК) находят повсеместное применение в энергетических и технологических машинах и аппаратах для организации их рабочих процессов и интенсификации переноса массы, импульса и теплоты [1-3]. При использовании для местной закрутки потока завихрителей тангенциального и тангенциально-щелевого типов, как правило, вдоль проточной части имеет место нестабилизированное закрученное течение достаточно сложной структуры [3-5]. В пристеночной области существует течение с отрицательным продольным градиентом статического давления, а в приосевой — с положительным, что наряду с радиальными градиентами давления в той или иной мере усложняет структуру потока сообразно изменениям геометрических и режимных факторов [6].

При образовании зон возвратного течения (используемых в камерах сгорания для предотвращения отрыва пламени) возникают условия интенсификации турбулентного перемешивания. Вместе с тем если с ростом радиуса момент количества движения и плотность увеличиваются, то любое радиальное перемещение турбулентного моля, вызванное пульсацией скорости, связано с совершением работы против центробежной силы, а это приводит к торможению процессов переноса в радиальном направлении и способствует устойчивой стратификации по плотности и температуре (явление используется для улучшения характеристик газовых завес в высокотемпературных установках и в плазменной технологии с целью защиты поверхности каналов от воздействия высоких температур). Теоретический анализ и экспериментальные данные работ [3,7,8] также свидетельствуют о возможности стабилизирующего и даже блокирующего влияния закрутки на турбулентный перенос в ВК.

Определяющую роль в формировании областей с активным и консервативным характером воздействия центробежных массовых сил на структуру потока играют законы радиального изменения осевой и трансверсальной составляющих скорости [2,4,5]. Для проточных частей ВК эти законы изучены намного полнее, нежели для тупиковых, не считая констатации существования так называемого «торцевого эффекта» [9,10] и некоторых результатов работ авторов для камер с завихрителями в виде одиночных сопел [11,12] и поясов впускных окон прямоугольного сечения, равномерно распределенных по окружности [13]. Такое положение затрудняет дальнейшее совершенствование вихревых камер как важнейших элементов теплообменных аппаратов, химических реакторов, смесителей, циклонных камер и других энергетических и технологических установок.

Постановка задачи исследования


Данные работы [13] носят предварительный и неполный характер, поскольку отражают результаты только стробоскопического исследования распределений осредненных по времени трансверсальных составляющих скорости движения воздуха по радиусу камеры в различных сечениях тупиковой области. Для их уточнения и дополнения сведениями о полях других составляющих скорости (осевых, радиальных) необходимо проведение новых экспериментов с большими возможностями, нежели даёт стробоскопирование.

Ясно, что наиболее полную картину сложного сдвигового течения можно получить на основании термо- либо лазерной (ЛДИС) анемометрии, а также спектрального анализа локальных характеристик турбулентности и когерентных вихревых структур различных масштабов. Однако возможность осуществления такого рода физических исследований предполагает прежде всего решение следующих проблем: выбора типа и ориентации датчиков, условий их градуировки; определения энергетических и геометрических параметров лазерных лучей; выбора элементов информационно-измерительной аппаратуры, определения их рабочих диапазонов и особенностей согласования, корректной идентификации зарегистрированных сигналов.

Для ответа на эти вопросы представляется необходимой постановка экспериментального изучения кинематических характеристик осредненных течений и их преимущественных направлений в тупиковых областях ВК.

Методика экспериментального исследования


При решении поставленной задачи был использован описанный ранее [11-13] аэродинамический стенд с некоторыми отличиями в геометрических параметрах рабочего участка, режимных параметрах, в методе и методике измерений скорости потоков. Цилиндрическая часть ВК с прозрачными стенками толщиной 0,02м по-прежнему имела внутренний диаметр d0 = 0,102м и длину l0 = 0,635м, а также фиксируемый в различных положениях глухой торец. Завихрители же представляли собой сменные вставки с поясами из шести равномерно распределенных по периметру ВК впускных окон нормального к потоку прямоугольного сечения ab=0,0240,007м2 каждое (вместо аналогичного пояса с размерами окна 0,0240,020м2 [13] и одиночных сопел с нормальными сечениями 0,0410,025м2 [11,12] ). Вставки поясов окон последовательно подключались к цилиндрической части ВК, удлиняя её, таким образом, на расстояние 0,034м, которое учитывалось. Пояса окон обеспечивали диапазон углов тангенциальности входа воздуха в ВК [12] = 100 – 900 . Площадь суммарного проходного сечения поясов окон, отнесенная к проходному сечению цилиндрической части ВК, составляла = 0,123. Она равнялась соответствующему параметру испытанных ранее завихрителей в виде одиночных сопел [11, 12] для возможности сравнения картин течения в различных ВК, отличаясь, как видно, от = 0,352 уже испытанного варианта поясов окон [13]. Углы расположения больших сторон прямоугольного сечения окон относительно продольной оси ВК так же, как в [11,12], составляли -200   200 против = 00 в [13].

В соответствии с техническими возможностями аэродинамического стенда опыты проводились в диапазоне значений числа Рейнольдса,, рассчитанных по величинам средней скорости воздуха во впускных окнах и их гидравлического диаметра, Rec = 15000–30000 (в случае поясов окон прежнего варианта [13] Rec =10000–27077).

Выбор одинакового значения эквивалентного (гидравлического) диаметра Dc для одиночных сопел и настоящего пояса окон с целью сопоставления результатов измерений распределения скоростей в потоках не представляется оправданным. Во-первых, структура течения, а значит, и природа аэродинамического сопротивления в полуограниченных струях для этих двух типов завихрителей существенно различны: в случае поясов окон поток в ВК и вторичные вихревые образования формируются в результате взаимодействия шести струй как с криволинейной стенкой, так и между собой в отличие от условий в камере с одиночным впускным соплом. Во-вторых, расчетные оценки показывают, что формальное выдерживание Dc = idem для сравниваемых случаев привело бы к совершенно различным форме и ориентации входных струй непосредственно после завихрителей: неравенство a>b для прямоугольных поперечных сечений струй за соплом превратилось бы в обратное b>a для пояса окон при a0,024м (по конструктивным соображениям обеспечить a>0,024м в завихрителях данной модели ВК невозможно), а диапазон варьирования осевых углов изменился бы с исследованного ранее [11-13] -200 200на 700 1100. Таким образом, от «продольно-щелевых» (по отношению к поступательному потоку ВК) завихрителей мы перешли бы к «поперечно-щелевым», что составляет предмет отдельных исследований.

Относительная глубина тупиковой зоны камеры (между серединным сечением пояса окон и торцом ВК) варьировалась в диапазоне = 1,8–6,39.

В данной работе проводились измерения осредненных по времени осевых и трансверсальных составляющих скорости в тупиковых областях ВК посредством Т-образного экранированного насадка скорости (ТЭНС), подключенного к спиртовому наклонному дифференциальному манометру. ТЭНС представляет собой модифицированный вариант Т-образного насадка, рекомендуемого в работах [14,15]. Конструкция ТЭНС обеспечивает нечувствительность его к скосам потока на 400. При измерениях одной из составляющих скорости экран насадка, как бы выделяя в потоке соответствующую струйку, существенно снижает влияние остальных составляющих скорости на показания прибора. Естественно, отрицательное влияние экрана лишь проявляется на точности измерений осевых скоростей вблизи стенки ВК и трансверсальных скоростей вблизи её оси.

Результаты исследования


Данные измерений составляющих и скорости позволили считать картину среднего течения в тупиковой области ВК осесимметричной. На рис.1 и 2 представлены в безразмерном виде распределения величин указанных скоростей w*=/W и u*=/W в зависимости от относительных радиуса r*=r/r0 и глубины z*=z/L тупиковой области (исключая зону пограничного слоя вдоль цилиндрической стенки). Здесь W – среднерасходная скорость в проточной части ВК; r – текущий радиус, r0 =d0 /2; z и L– соответственно продольная координата и расстояние от плоскости нормального по отношению к оси ВК сечения, проходящей через середину впускных окон, до глухого торца.

Анализ полей осевых скоростей (рис.1) показывает, что течению так же, как и в ВК с односторонним тангенциально-щелевым подводом газа [12], свойствен «торцевой эффект» - явление стационарного, регулярного течения к торцу и от него вращающихся и подвложенных друг в друга цилиндрических вихревых потоков. Однако кинематика тупиковых течений в камерах сравниваемых вариантов имеет существенное отличие: в настоящем случае отсутствует наиболее энергонесущий спиралеобразный, очень четко выраженный периферийный вихревой поток в сторону глухого торца [12]. Вместо него при 0,8r*1 преобладает течение от торца (кроме присопловой зоны в окрестности z*=0,13 при установке завихрителей с минимальной тангенциальностью ввода воздуха (=100) независимо от числа Rec в исследованном диапазоне изменения (см. рис. 1,д,е)).

Важно отметить расширение по радиусу зоны притока в направлении торца (z*0,85).

Поля трансверсальных скоростей (рис.2) в основном подтверждают данные стробоскопирования течения [13], но показывают наличие как минимум двух зон квазитвердотельного вращения воздуха при 00,8 в отличие от принятой в работах [16-18] одной такой зоны. Особого внимания заслуживает видимая на рис.2 г,д,е аномалия: это зоны противоположного вращения крупномасштабных вихревых структур при 0





а)

б)





в)

г)





д)

е)

Рисунок 1 - Поля осевых скоростей в тупиковой области: а) =6,39; Rec =25554; =90 о; = 0о; б) =6,39; Rec =19940; = 90 о; = 0 о; в) =6,39; Rec =25554; =90 о; = -20 о; г) =1,98; Rec =25554; = 90 о; = +20 о; д) =6,39; Rec =25554; = 10 о; = 0 о;

е) =1,98; Rec =19940; = 10 о; =+20 о; - z*=0,13; -z*=0,54; - z*=0,85





а)

б)





в)

г)





д)

е)

Рисунок 2 - Поля трансверсальных скоростей в тупиковой области: а) =6,39; Reс =25554; =90 о; = 0 о; б) =6,39; Reс =19940; = 90 о; = 0 о; в) =6,39; Reс =25554;

=90 о; = -20 о; г) =1,98; Reс =25554; =90 о; = +20 о д) =6,39; Reс =25554; = 10 о;

= 0 о; е) =1,98; Reс =19940; =10 о; =+20 ;- z*=0,13; -z*=0,54; - z*=0,85

Выводы


  1. Сформулирована задача экспериментального исследования течения в наименее изученной части вихревых камер — в тупиковой зоне, характеризуемой действием упорядоченных крупномасштабных вихревых структур.

  2. Данные экспериментального исследования доказывают существование так называемого «торцевого эффекта» в камерах с рассредоточенным тангенциальным впуском среды, причем характер распределения осевых и трансверсальных составляющих скорости в тупиковой области не совпадает с известными данными для проточных частей вихревых камер.

  3. Намечено направление дальнейших исследований аэродинамики вихревых камер (термоанемометрирование, использование ЛДИС, спектральный анализ пульсационных характеристик тупиковых течений, оказывающих влияние на рабочие процессы камер в целом) для физического и количественного объяснения выявленных аномалий в распределениях кинематических параметров течения.

SUMMARY


The complex method of study on aerodynamics of vortex chambers with distributed tangential gas intake is proposed. There are new results of experimental research of average axial and transversal velocity profiles in dead end parts of vortex chambers that explain the composite current with shears, macrostructure and mechanism of “dead zone effect”.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


  1. Турбулентное смешение газовых струй / Г.Н. Абрамович, С.Ю. Крашенинников, А.Н. Секундов и др.// Под ред. Г.Н. Абрамовича. — М.: Наука, 1974.—272с.

  2. Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах.— М.: Машиностроение, 1982.—200с.

  3. Кутателадзе С.С., Волчков Э.П., Терехов В.И. Аэродинамика и тепломассообмен в ограниченных вихревых потоках.— Новосибирск: АН СССР, Сиб. отд-ние. Ин-т теплофизики, 1987.—282с.

  4. Халатов А.А., Авраменко А.А., Шевчук И.В. Теплообмен и гидродинамика в полях центробежных массовых сил.— Киев: Ин-т техн. теплофизики НАН Украины, 2000.—Т.3. Закрученные потоки.—474с.

  5. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки.— М.: Мир,1987.—588с.

  6. Сухович Е.П. Турбулентное смешение ограниченных закрученных струй //Изв. АН Латв. ССР. Сер. Физ. и техн. наук.— 1982.— №1.— С.72-80.

  7. Левин В.Б. О стабилизирующем влиянии вращения потока на турбулентность //Теплофизика высоких температур.—1964.—Т.2.— №6.—С.892-900.

  8. Петриченко М.Р. Блокирующее действие вращательного движения газа на теплопередачу в камере сжатия (сгорания)//Двигателестроение.—1990.—№4.—С.57-58.

  9. Гольдштик М.А. Вихревые потоки.— Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1981.—366с.

  10. Уормли. Аналитическая модель несжимаемого потока в коротких вихревых камерах//Труды Амер. общ-ва инженеров-механиков: Теор. основы инж-х расчетов.—1969.—91, №2.—С.145-159.

  11. Турик В.Н., Макаренко Р.А. Обобщение характеристик тангенциальных течений в тупиковой части вихревой камеры//Вестник Нац. техн. ун-та Украины «КПИ»: Машиностроение.—2000.—1, №38.— С.38-44.

  12. Макаренко Р.А., Турик В.Н. Кинематика течения в тупиковой части вихревой камеры//Прикладная гидромеханика.— 2001.—3(75), №1.— С.46-51.

  13. Турик В.Н., Макаренко Р.А. Аэродинамика вихревой камеры с равномерным тангенциальным подводом воздуха//Збірник праць Кіровоградського держ. техн. університету.—2000.—№7.—С.38-43.

  14. Прикладная аэродинамика/Н.Ф. Краснов, В.Н. Кошевой, А.Н. Данилов и др.// Под ред. Н.Ф. Краснова— М.: Высшая школа, 1974.—732с.

  15. Солохин Э.Л. Испытания авиационных воздушно-реактивных двигателей. — М.: Машиностроение, 1975.—356с.

  16. Вырубов Д.Н., Элькотб М.М. О расчете скоростей движения воздушного заряда в цилиндре двигателя//Изв. вузов: Машиностроение.—1965.—№4.—С.113-117.

  17. Круглов М.Г., Меднов А.А. Газовая динамика комбинированных двигателей внутреннего сгорания.— М.: Машиностроение, 1988.—360с.

  18. Kerrenbrock J.L. Small Disturbances in Turbomachine Annuli with Swirl//AIAA Journal.-1977.-V.15, No.6.- P. 794-803.

Схожі:

Особенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа в. В. Бабенко*, д-р техн наук, проф.; В. Н. Турик**, канд техн наук, доц.; В. С. Дембицкий** iconМіжнародна науково-технічна конференція, присвячена 80-річчю Дніпропетровської області та 90-річчю
В. а д-р техн наук, проф.; Перегудов В. В., д-р техн наук, проф.; Рудь Ю. С., д-р техн наук, проф.; Сидоренко В. Д., д-р техн наук,...
Особенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа в. В. Бабенко*, д-р техн наук, проф.; В. Н. Турик**, канд техн наук, доц.; В. С. Дембицкий** iconГосударственный стандарт союза сср конструкции и изделия железобетонные радиационный метод определения толщины защитного слоя бетона, размеров и расположения
Л. Г. Родэ, канд техн наук; В. А. Клевцов, д-р техн наук; Ю. К. Матвеев; И. С. Лифанов; В. А. Воробьев, д-р техн наук; Н. В. Михайлова,...
Особенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа в. В. Бабенко*, д-р техн наук, проф.; В. Н. Турик**, канд техн наук, доц.; В. С. Дембицкий** iconОсобенности расчетА механического компенсатора погрешностей холодноштамповочного оборудования
В. С. Запорожченко*, канд техн наук, доц.;А. П. Качанов**, канд техн наук, доц
Особенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа в. В. Бабенко*, д-р техн наук, проф.; В. Н. Турик**, канд техн наук, доц.; В. С. Дембицкий** iconА. А. Иванов (д-р техн наук, проф.), Б. Б. Петров (канд техн наук, доц.), В. В. Сидоров государственное высшее учебное заведение
А. А. Иванов (д-р техн наук, проф.), Б. Б. Петров (канд техн наук, доц.), В. В. Сидоров
Особенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа в. В. Бабенко*, д-р техн наук, проф.; В. Н. Турик**, канд техн наук, доц.; В. С. Дембицкий** iconСтроительные нормы и правила отопление, вентиляция и кондиционирование сниП 04. 05-91*
Ссср (д-р техн наук Е. Е. Карпис, М. В. Шувалова), вниипо мвд СССР (канд техн наук И. И. Ильминский), мниитэп (канд техн наук М....
Особенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа в. В. Бабенко*, д-р техн наук, проф.; В. Н. Турик**, канд техн наук, доц.; В. С. Дембицкий** iconУдк 621. 67. 01 Использование сменных проточных частей в центробежных НасосАХ
И. А. Ковалев,* канд техн наук, проф.; С. О. Луговая**, И. Б. Твердохлеб, канд техн наук, доц
Особенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа в. В. Бабенко*, д-р техн наук, проф.; В. Н. Турик**, канд техн наук, доц.; В. С. Дембицкий** iconТурбомашины для перекачивания газожидкостных смесей евтушенко А. А., канд техн наук, доц.; Колисниченко Э. В., асп.; Сапожников С. В., канд техн наук
Евтушенко А. А., канд техн наук, доц.; Колисниченко Э. В., асп.; Сапожников С. В., канд техн наук
Особенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа в. В. Бабенко*, д-р техн наук, проф.; В. Н. Турик**, канд техн наук, доц.; В. С. Дембицкий** iconПо делам строительства москва разработан министерством промышленности строительных материалов СССР исполнители
В. А. Лопатин, канд техн наук; Н. Н. Бородина, канд техн наук; Т. А. Мелькумова; В. И. Голикова; Л. Г. Грызлова, канд техн наук;...
Особенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа в. В. Бабенко*, д-р техн наук, проф.; В. Н. Турик**, канд техн наук, доц.; В. С. Дембицкий** iconГосударственный стандарт союза сср трапы чугунные эмалированные технические условия гост 1811-81
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд техн наук; В. И. Горбунов, канд техн наук
Особенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа в. В. Бабенко*, д-р техн наук, проф.; В. Н. Турик**, канд техн наук, доц.; В. С. Дембицкий** iconГосударственный стандарт союза сср трубы чугунные канализационные и фасонные части к ним сортамент гост 6942. 1-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд., техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
Особенности аэродинамики вихревых камер с рассредоточенным подводом газа в. В. Бабенко*, д-р техн наук, проф.; В. Н. Турик**, канд техн наук, доц.; В. С. Дембицкий** iconГосударственный стандарт союза сср трубы чугунные канализационные и фасонные части к ним. Ревизии конструкция и размеры гост 6942. 24-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи