Математическое моделирование закрученных потоков в вихревых эжекторных устройствах

Современный уровень развития техники предъявляет высокие требования к создаваемым энергетическим и тепломассообменным установкам и устройствам. Так, например, в авиационной и ракетной технике основные из этих требований сводятся к увеличению энерговооруженности, малым габаритам и весу, конструктивности, надежности, безинерционности, экономичности и отсутствию специального обслуживанияв промышленной теплоэнергетике — использование вторичных энергоресурсов за счет создания замкнутых тепловых процессов.

Удовлетворению многих из перечисленных требований могут служить газовые и теплообменные устройства, имеющие в своей основе закрученный поток газа. Закрученные сжимаемые потоки реализуются на практике в таких вихревых устройствах как вихревые делительные трубы, самовакуумирующиеся вихревые трубы, вихревые эжекторные насосы, вихревые трубы с дополнительным потоком и различные их комбинации и модификации.

Следует отметить, что такой класс вихревых устройств, как вихревые эжекторные вакуум-насосы, нашел применение в системах локальной аспирации, вентиляции и предварительного вакуумирования на промышленных предприятиях. Использование вихревых эжекторов на паре в тепловых схемах предприятий позволило создать вихревой компрессор и реализовать вторичные энергоресурсы, ранее не использовавшиеся. На железнодорожном транспорте применение вихревых эжекторных вакуум-насосов позволило создать эффективные системы опорожнения цистерн от жидких и вязких грузов.

В настоящее время в технической литературе имеется обширный материал, посвященный экспериментальному исследованию вихревых эжекторов и вихревых эжекторных вакуум-насосов, где определены максимальные значения коэффициентов эжекции в режиме вентилирования и 8 минимальные значения остаточного давления в режиме вакуумирования. Однако, в литературе не имеется достаточных данных для установления зависимости коэффициента эжекции от располагаемой степени расширения газа в вихре, которая, в частности, позволяла бы расчетным путем определять время вакуумирования емкости заданного объема до заданного конечного давления при помощью вихревого вакуум-насоса с определенными конструктивными параметрами или определять конструктивные параметры вакуум-насоса по заданному времени вакуумирования и заданным значениям режимных параметров. Ввиду сложного отрывного характера течения газа в раскруточном диффузоре вихревых эжекторных устройств, располагаемая степень расширения газа в вихре до последнего времени определялась исключительно экспериментально.

Теоретическому исследованию вихревых эжекторов и вихревых вакуум-насосов посвящено лишь несколько работ, при этом для расчета требовалась эмпирическая информация о термодинамических параметрах на входе в диффузор и на оси вихревого устройства.

Следует отметить, что работа вихревых вакуум-насосов в режиме вакуумирования характеризуется нестационарностью основных параметров. При этом замер коэффициентов эжекции трудоемок и требует от экспериментатора значительных затрат времени, не гарантируя при этом достижения заданного уровня точности.

Сложности экспериментального исследования закрученных сжимаемых течений в каналах обусловлены тем, что термоанемометрические методы определения внутренней структуры потока не могут быть применены, так как распределение термодинамических параметров существенно неизотермично по радиусу вихря (например, в короткой самовакуумирующейся вихревой трубе распределение термодинамических параметров приближается к адиабатическому). Ввиду этого термоанемометры будут одновременно фиксировать пульсации температуры, плотности и давления, что приведет к 9 неопределенности при расшифровке сигнала. Использование теневых методов не привело к ощутимым положительным результатам, так как из-за высокого уровня турбулентности картина течения получается размытой.

Не смотря на перечисленные трудности в решении данной проблемы, практика настоятельно требует создания методов оперативного прогнозирования и оптимизации рабочих характеристик вихревых устройств, имеющих в своей основе закрученные сжимаемые потоки газа.

Ввиду вышеизложенного, целью данной работы является разработка расчетной модели закрученных сжимаемых потоков в диффузорных устройствах вихревых эжекторов и создание расчетной модели вихревого эжекторного вакуум-насоса, позволяющей по заданным конструктивным и режимным параметрам вакуум-насоса находить его рабочие интегральные характеристики, время вакуумирования и остаточное давление в вакуумируемом объеме, а также решать обратную задачу — по заданным интегральным характеристикам определять режимные и конструктивные параметры и проводить их оптимизацию.

В первой главе рассматривается современное состояние вопроса, проводится краткий анализ существующих теоретических и экспериментальных исследований, посвященных вихревым устройствам, работающим на основе закрученных сжимаемых течений газа, определяется область их применимости для расчета вихревых эжекторных устройств.

Во второй главе разрабатывается расчетная модель сжимаемого вязкого закрученного потока в щелевом раскруточном диффузоре при работе на трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях для политропного режима течения.

В третьей главе проводится анализ влияния на устойчивость рабочих характеристик вихревого вакуум-насоса таких конструктивных мероприятий, как использование вращающихся и изоградиентных раскруточных диффузоров и их профилировка.

В четвертой главе определяются функциональные связи между.

10 параметрами раскруточного диффузора и параметрами течения в вихревой камерена основе разработанной модели раскруточного диффузора и найденных функциональных связей реализуется метод расчета коэффициента эжекции вихревого эжектора и алгоритм расчета нестационарных характеристик вихревого эжекторного вакуум-насоса.

В пятой главе представлены результаты сравнения расчетных характеристик вихревых эжекторов и вихревых эжекторных вакуум-насосов с экспериментальными исследованиями.

Основные положения, выносимые на защиту:

Расчетная модель сжимаемого вязкого закрученного потока в щелевом раскруточном диффузоре при работе на трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях для политропного режима течения.

Расчетная модель по определению коэффициента эжекции вихревого эжектора в стационарном режиме.

Алгоритм расчета нестационарных характеристик вихревого эжекторного вакуум-насоса и времени вакуумирования с учетом задаваемых конструктивных и режимных параметров.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. На основе интегральных соотношений разработана расчетная модель сжимаемого вязкого закрученного потока в щелевом раскруточном диффузоре при работе на трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях для политропного режима течения.

2. Разработанная модель позволяет прогнозировать основные рабочие характеристики раскруточных диффузоров в широком диапазоне входных скоростей, включающем трансзвуковые и сверхзвуковые режимы течения, и проводить их оптимизацию.

3. Разработана модель расчета рабочих характеристик вихревого эжектора и вихревого эжекторного вакуум-насоса с щелевым раскруточным диффузором, позволяющая по заданным конструктивным и режимным параметрам находить коэффициент эжекции в стационарном режиме.

4. Разработан алгоритм расчета нестационарных характеристик вихревого эжекторного вакуум-насоса с раскруточным щелевым диффузором, позволяющий с достаточной для инженерной практики точностью (10−12%) определять его характеристики.

5. Предлагаемый алгоритм расчета позволяет прогнозировать основные термодинамические параметры вихревого эжекторного вакуум-насоса, определяющие его эффективность, а также производить их оптимизацию.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ.

1. Волов В. Т., Лаврусь O.E., Токарев Г. П. Исследование вихревых эжекторных вакуум-насосов для опорожнения цистерн. // Математическое моделирование технологических процессов железнодорожного транспорта. Межвузовский сборник научных работ. Выпуск 9. — Самара: СамИИТ, 1994. — с.70−74.

2. Лаврусь O.E. Исследование вихревых эжекторов в системах опорожнения и очистки подвижного состава железнодорожного транспорта. // Сборник научных трудов молодых ученых и аспирантов СамИИТа. — Самара: СамИИТ, 1997.-с. 89−91.

3. Лаврусь O.E., Волов В. Т. Вихревые методы и математические модели повышения качества очистки сжатого воздуха. // Проблемы обеспечения качества продукции, сертификационных и метрологических услуг. Сборник докладов региональной научно-практической конференции. — Самара, 1998.

4. Лаврусь O.E., Волов В. Т., Вилякин В. Е. Повышение качества и производительности очистки поверхностей от загрязнения. // Проблемы обеспечения качества и сертификации. Сборник трудов. — М., 1998. — с. 73−75.

5. Лаврусь O.E., Волов В. Т. Математическая модель вихревого эжектора. // Математическое моделирование и краевые задачи. Труды девятой межвузовской конференции. — Самара: СГТУ, 1999. — с. 21−23.

6. Лаврусь O.E., Волов В. Т. Использование вихревого масловлагоотделителя для очистки сжатого воздуха. // Экономика, эксплуатация и содержание железных дорог в современных условиях. Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 19. — Самара: СамИИТ, 1999. — с. 164−165.

7. Лаврусь O.E. Очистка поверхностей от загрязнения с помощью вихревых устройств.// Экономика, эксплуатация и содержание железных дорог в современных условиях. Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 19. -Самара: СамИИТ, 1999. — с. 165−166.

8. Бесперстова E.H., Лаврусь O.E., Вилякин В. Е. Схема и расчет газового эжектора. // Сборник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых СамИИТа. Выпуск 2. — Самара: СамИИТ, 1999. — с.3−6.

9. Лаврусь O.E. Интегральный метод расчета вихревого эжекторного вакуум-насоса. // Сборник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых СамИИТа. Выпуск 2. — Самара: СамИИТ, 1999. — с.93−95.

Ю.Лаврусь O.E., Волов В. Т. Анализ устойчивости работы кольцевых изогради-ентных диффузоров с закруткой потоков. // Исследование и разработки ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте. Межвузовский сборник научных трудов. — Самара: СамИИТ, 1999. — с. 31−33.