![](/user_photo/_userpic.png)
книги / Моделирование влияния вибраций на обледенение конструкции на базе малогабаритной климатической трубы и высокопроизводительного вычислительного комплекса ПНИПУ
..pdf![](/html/65386/197/html_hDgpQfwomn.aQlb/htmlconvd-8QeEP_71x1.jpg)
изложено в разд. 2.2 как первый этап моделирования процессов обледенения.
Математическая модель замыкается следующими граничными условиями:
P* |
|
|
101325 Па, |
|
вход |
||
|
|||
T* |
|
20°C, |
|
|
|||
|
|
|
вход |
|
|
|
G 0,64кг/с2.
вход
Массовый расход соответствует максимальной предполагаемой мощности нагнетателя для достижения скорости потока в рабочей зоне, равной 18 м/с.
Число конечных элементов в сеточной модели составило 2,76 млн. Сетка преимущественно состоит из гексагональных элементов. Максимальный размер элемента 10 мм. В качестве аппаратного обеспечения для вычислительных экспериментов использовались ресурсы ВВК Пермского национального исследовательского политехнического университета.
В результате проведения оптимизационных газодинамических расчетов [39, 40, 41] получены поля распределения скорости, линий тока, избыточного давления и полной температуры
(рис. 29, 30).
Скорость в рабочей зоне ЭМКАДТ при максимальной мощности нагнетателя составляет 18,3 м/с (рис. 29). Распределение равномерное. Вблизи стенок холодильной камеры наблюдаются зоны сниженных скоростей. В узких местах между нагнетателем и стенками камеры запирание потока не наблюдается. Газодинамический поток на входе нагнетателя равномерный. Зоны отрыва и вихри в потоке отсутствуют. Малый участок с вы-
71
![](/html/65386/197/html_hDgpQfwomn.aQlb/htmlconvd-8QeEP_72x1.jpg)
сокой скоростью (красная зона) при входе в рабочую часть ЭМКАДТ связан с накоплением численной ошибки округления в ANSYS и не влияет на общую картину результатов.
Рис. 29. Поле распределения скорости в ЭМКАДТ (ANSYS)
Рис. 30. Линии тока в ЭМКАДТ (ANSYS)
72
![](/html/65386/197/html_hDgpQfwomn.aQlb/htmlconvd-8QeEP_73x1.jpg)
Рис. 31. Поле распределения избыточного давления в ЭМКАДТ (ANSYS)
Рис. 32. Поле распределения полной температуры в ЭМКАДТ (ANSYS)
73
Поля распределения статических и полных давлений и температур равномерны. По результатам проведенных газодинамических расчетов выявлены возможные габаритные размеры нагнетателя и рабочей зоны ЭМКАДТ, получена высокая однородность газодинамического потока в рабочей зоне, смоделированы условия, возможные для работы нагнетателя.
Проведенные численные расчеты газодинамических процессов в холодильной камере ЭМКАДТ позволили сформировать более полную картину для подбора и приобретения необходимых компонентов установки с конкретными газодинамическими характеристиками и габаритно-присоединительными размерами.
3.1.1. Сборка и отладка ЭМКАДТ
Сборка ЭМКАДТ планировалась в два этапа:
1)без узла вибронагружения;
2)с узлом вибронагружения.
Для создания ЭМКАДТ были подобраны, приобретены
иизготовлены следующие элементы:
1.Морозильная камера – для расположения в его внутреннем объеме аэродинамической трубы полностью, с возможностью настройки необходимой температуры.
2.Нагнетатель – для подачи равномерного потока воздуха на вход в рабочую зону.
3.Пароувлажнитель – для создания заданной влажности в рабочей зоне аэродинамической трубы.
4.IP-камера с инфракрасной подсветкой – для отслеживания процессов обледенения экспериментальной модели в режиме реального времени в условиях отсутствия света.
5.Метеостанция с выносными беспроводными датчиками – для измерения данных температуры, скорости, влажности в морозильной камере, снятия статических характеристик в режиме реального времени.
6.Аэродинамический тракт круглого сечения из оптическипрозрачного материала – рабочая часть аэродинамической трубы,
74
в которой непосредственно размещена экспериментальная модель профиля крыла.
7.Системы ручного регулирования скорости вентилятора, температуры нагрева ТЭНа – для возможности плавной регулировки необходимыми параметрами.
8.Датчики температуры, влажности, давления – для измерения параметров в рабочей зоне аэродинамической трубы.
9.Система автоматического регулирования – микроконтроллерный блок с необходимыми элементами на базе системы измерения и регистрации Arduino для управления в режиме реального времени включением / выключением морозильного шкафа и пароувлажнителя, с использованием данных с датчиков и из предварительно подготовленных программ управления.
10.Система измерения быстропротекающих процессов National Instument для записи и обработки данных, которая используется в том числе в качестве источника сигнала для подачи вибраций.
На рис. 33 представлены фотографии созданной ЭМКАДТ. Для сборки и установки нагнетателя, трубы и IP-камеры были изготовлены выдвижные крепления с возможностью перемещения по внутренним опорам морозильной камеры. Крепления имеют предварительно рассчитанные отверстия для беспрепятственного протекания газодинамического потока через них, ребра жесткости [43]. Изготовлена и собрана стойка экспериментальной модели, сама экспериментальная модель – про-
филь крыла NACA 0012.
Все элементы имеют возможность регулировки высотности. Удлинены все электрические провода, выведены через подготовленное отверстие в гофрах через заднюю стенку морозильной камеры.
Собран, запрограммирован микроконтроллерный блок, удлинены провода датчиков, реализована система поддержания необходимых газодинамических параметров в рабочей зоне ЭМКАДТ.
75
![](/html/65386/197/html_hDgpQfwomn.aQlb/htmlconvd-8QeEP_76x1.jpg)
б
а |
в |
Рис. 33. Энергоэффективная климатическая малогабаритная аэродинамическая труба: а – общий вид; б – профиль крыла NACA 0012 в рабочей зоне; в – система автоматического регулирования на базе National Instrument с собранным микроконтроллерным блоком
В ходе проведения тестовых экспериментов был выявлен ряд проблем и разработаны пути их решения:
1.Обмерзание трубки, обеспечивающей подачу пара в рабочую зону. Для исключения обмерзания был установлен регулируемый нагревательный элемент совместно с утеплителем.
2.Образование конденсата в трубке подачи пара, заполнение трубки водой. Для отвода конденсата была доработана трубка
иустановлена емкость сбора воды.
76
3.Недостаточная видимость изображения с IP-камеры через прозрачную трубу из оргстекла в условиях подачи пара. Было доработано направленное освещение внутри холодильной камеры.
4.Необходимость компенсировать повышение температуры потока от работы нагнетателя и асинхронного двигателя. Была доработана система управления.
Было проведено тарирование скорости нагнетателя для определения скорости газодинамического потока в рабочей зоне ЭМКАДТ с использованием сертифицированной метеостанции
Oregon Scientific WMR200 (табл. 7).
Таблица 7
Тарировка скорости потока в рабочей зоне
№ |
|
|
|
Измерение скорости потока, м/с |
|
|
|||||
п/п |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
Vсредн, м/с |
1 |
4,5 |
4,2 |
4,3 |
4,5 |
4,2 |
4,3 |
4,4 |
4,2 |
4,3 |
4,2 |
4,23 |
2 |
4,7 |
4,5 |
4,6 |
4,6 |
4,5 |
4,6 |
4,7 |
4,6 |
4,5 |
4,7 |
4,60 |
3 |
5,6 |
5,7 |
5,6 |
5,6 |
5,7 |
5,6 |
5,5 |
5,5 |
5,6 |
5,6 |
5,57 |
4 |
7,1 |
7,3 |
7,1 |
7,1 |
7,0 |
6,9 |
7,0 |
6,9 |
7,1 |
7,1 |
7,03 |
5 |
7,5 |
7,4 |
7,6 |
7,6 |
7,6 |
7,6 |
7,6 |
7,4 |
7,6 |
7,5 |
7,50 |
6 |
9,2 |
9,0 |
8,9 |
8,9 |
8,9 |
8,9 |
8,9 |
8,9 |
8,9 |
8,9 |
8,90 |
7 |
10,6 |
10,9 |
10,7 |
10,7 |
10,7 |
10,7 |
10,7 |
10,9 |
10,6 |
10,8 |
10,77 |
8 |
11,6 |
11,4 |
11,5 |
11,5 |
11,5 |
11,5 |
11,5 |
11,5 |
11,5 |
11,5 |
11,50 |
9 |
12,0 |
11,9 |
12,1 |
12,1 |
12,1 |
12,1 |
12,1 |
12,1 |
12,1 |
12,1 |
12,10 |
10 |
13,6 |
13,5 |
13,3 |
13,3 |
13,3 |
13,3 |
13,3 |
13,3 |
13,3 |
13,3 |
13,30 |
11 |
14,0 |
13,9 |
14,1 |
14,0 |
14,1 |
14,0 |
13,9 |
14,1 |
14,1 |
13,9 |
14,03 |
Кроме того, были проведены тарировочные испытания датчиков влажности и температуры с использованием. Тарировка проводилась для двух датчиков: DHT11 – не прошел испытания, и DHT22 – подтвердилась заявленная производителем точность измерения.
Для центрирования IP-камеры был использован деревянный штатив, закрепленный на раме нагнетателя. Обеспечена соосность с использованием сферического крепления
77
IP-камеры. Отрегулированы фокусное расстояние и удаленность профиля (Zoom).
Для установки экспериментальной модели профиля крыла смонтирована ось диаметром 6 мм с нанесенной резьбой для закрепления модели и установки на предварительно отцентрованной площадке в нижней зоне холодильной камеры.
3.1.2. Методика проведения физического эксперимента
Для проведения физических экспериментов обледенения профиля крыла разработана следующая методика, подразумевающая выполнение следующих действий:
1.Открытие двери морозильной камеры.
2.Закрепление модели на штанге с использованием дополнительных установочных креплений для снижения вибрации модели относительно крепежной штанги.
3.Закрытие двери камеры.
4.Запуск ПК для программного управления физическим экспериментом, а так же для записи данных с датчиков на ПК
врежиме реального времени.
5.Запуск специализированного ПО.
6.Запуск исполнительного файла, управляющего элементами ЭМКАДТ.
7.Настройка видеоизображения на IP-камере.
8.Подача питания на ЭМКАДТ.
9.Задание условий проведения эксперимента.
10.Загрузка измененных параметров в микроконтроллер.
11.Ожидание достижения в ЭМКАДТ необходимой температуры.
12.Начало проведения и записи эксперимента.
13.Запуск пароувлажнителя и вентилятора.
14.Мониторинг обледенения профиля крыла.
15.Анализ полученных данных.
78
![](/html/65386/197/html_hDgpQfwomn.aQlb/htmlconvd-8QeEP_79x1.jpg)
3.2. ПЛАН ПРОВЕДЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБЛЕДЕНЕНИЯ БЕЗ УЧЕТА ДЕЙСТВИЯ ВИБРАЦИЙ
Для верификации результатов численного моделирования проведено три физических эксперимента. Варьировались температура и водность газодинамического потока как факторы, влияющие на контур обледенения по результатам численных экспериментов (см. разд. 2.7.1).
План проведения физических экспериментов представлен в табл. 8.
Таблица 8
План проведения физических экспериментов
№ эксп-та |
Vг, м/с |
Pг, Па |
Tг, °C |
φ, % |
α, ° |
Kк, мкм |
tобледения, с |
||
п/п |
|||||||||
7,5 |
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
101325 |
–10 |
95 |
4 |
|
1,25 |
300 |
||
2 |
7,5 |
101325 |
–20 |
95 |
4 |
|
1,25 |
300 |
|
3 |
7,5 |
101325 |
–10 |
75 |
4 |
|
1,25 |
300 |
Скоростьгазодинамическогопотокав рабочейзоне ЭМКАДТ согласно тарировочным испытаниям была постоянной и составляла 7,5 м/с. Угол атаки выбран равным 4° как наиболее опасный согласно численным экспериментам. Профиль крыла NACA 0012 был изготовлен из алюминия. Шероховатость листа, согласно ГОСТ 21631-76 [46], составляет 1,25 мкм. Время проведения испытания для всех экспериментов составило 5 минут. Хорда профиля крыла – 0,08 м.
На рис. 34–36 представлены обработанные по контуру изображения с IP-камеры для экспериментов № 1–3 соответственно.
При понижении температуры газодинамического потока в рабочей зоне отмечается увеличение ледяного нароста на всем профиле крыла. Контур льда повторяет форму профиля. Для Tг = –10 °C контур льда образует характерный «рогообразный»
79
![](/html/65386/197/html_hDgpQfwomn.aQlb/htmlconvd-8QeEP_80x1.jpg)
а |
б |
в |
Рис.34.ОбледенениепрофилякрылаприVг =7,5м/с,Tг =–10°C,φ=95% для разных моментов времени: а – 3 минуты; б – 4 минуты; в – 5 минут
а |
б |
в |
Рис.35.ОбледенениепрофилякрылаприVг =7,5м/с,Tг =–20°C,φ=95% для разных моментов времени: а – 3 минуты; б – 4 минуты; в – 5 минут
80