Лабораторная работа № 3

Элементы проточной части экспериментальных установок, рабочая часть и диффузор

1. Рабочая часть экспериментальных установок

Расчет экспериментальной установки после того, как составлен ее эскизный проект, сводится к расчету элементов проточной части. В общем случае проточная часть экспериментальной уста­новки состоит из следующих элементов: а) рабочей части — за­крытого или открытого участка, в котором размещается исследуе­мый объект; б) конфузора — сужающейся части установки, расположенной перед рабочей частью; в) диффузора — расши­ряющейся части, расположенной за рабочей частью; г) сетки и решетки и д) поворотных колен.

Все указанные элементы, как правило, являются участками проточной части машин и сооружений. Применение этих элемен­тов в машинах и сооружениях имеет большое разнообразие форм по сравнению с элементами экспериментальных установок, поэ­тому их гидродинамике посвящена обширная литература.

Главной частью всех аэродинамических труб и дутьевых устройств является рабочая часть. Рабочая часть трубы может быть либо открытой, либо закрытой. Принципы расчета и проекти­рования закрытой и открытой рабочих частей различны. При рассмотрении явлений, происходящих в рабочей части, исходят из того, что поток в выходном сечении конфузора однороден.

Тогда очевидно, что закрытая рабочая часть должна рассматри­ваться как начальный участок трубы соответствующего сечения, а открытая рабочая часть — как турбулентная свободная струя. Поэтому в основу расчета закрытой и открытой рабочих частей установок положены соответственно теории начального участка трубы и свободной турбулентной струи.

Закрытая рабочая часть изготовляется обычно не цилиндри­ческой, а с некоторым расширением. Расширение выбирается таким, чтобы при наличии модели по длине трубы отсутствовал пере­пад давлений.

Рисунок 3.1. Схема движения воздуха после истечения из конфузора

После предварительных теоретических расчетов обычно выбирают некоторую среднюю величину угла расшире­ния, принимая его постоянным по всей длине рабочей части.

При проектировании открытой рабочей части возникают два вопроса: а) каким должно быть соотношение размеров конфузора и диффузора и б) как определить длину рабочей части.

Для того чтобы получить ответ на поставленные вопросы, рас­смотрим физическую картину течения в рабочей части. На рисунке 3.1 показана схема движения воздуха после истечения из конфузора.

В основу такой схемы положено допущение о том, что скорости потока при выходе из сопла постоянны по всему сечению. Тогда поток в открытой рабочей части может рассматриваться как на­чальный участок свободной струи, движущийся в пространстве, заполненном воздухом.

Неподвижные частицы воздуха будут увлекаться частицами движущегося воздуха и затормаживать последние, образуя по­граничный слой струи. Такое увлечение неподвижного воздуха струей будет происходить тем интенсивнее, чем больше степень турбулентности потока в струе.

Таким образом, на некотором расстоянии х от выходного сече­ния сопла радиус струи возрастает от r₀ до r₂. При этом радиус ядра струи (область, в которой скорость постоянна) умень­шится до r₁.

Будем выбирать диаметр входного сечения диффузора так, чтобы он не вносил никаких искажений в поле скоростей и давле­ний перед собой, т. е. в рабочей части трубы.

При условии герметичности аэродинамической трубы в диф­фузор должно втекать столько воздуха, сколько вытекает за тот же период времени из сопла. Поэтому диаметр входного сечения в диффузор должен быть равен диаметру части поперечного сече­ния струи, через которую протекает секундная масса, равная полной секундной массе, вытекающей из сопла.

В приведенном расчете радиуса входного сечения в диффузор не учитывается наличие модели в рабочей части. Модель в зави­симости от ее формы и размеров будет увеличивать диаметр струи с постоянным расходом. Поэтому при проектировании следует диа­метр диффузора несколько увеличивать по сравнению с расчетным.

Рассмотрим важный при проектировании труб вопрос о по­терях энергии в рабочей части. В закрытой рабочей части сопро­тивление определяется трением воздуха о стенки. Как показали опыты, сопротивление в диффузорах с малыми углами рас­ширения (1—2°) может быть получено по формулам сопротивле­ния для цилиндрических труб.

Обычно потери энергии в закрытой рабочей части составляют 4—6% от энергии, потребляемой вентилятором.

Потери энергии в открытой рабочей части складываются из потерь энергии в свободной струе, движущейся в пространстве, заполненном воздухом, и из выходных потерь. Входные потери возникают при входе в диффузор из-за того, что часть движуще­гося воздуха не может войти в диффузор. Эти потери составляют значительную долю всех потерь в открытой рабочей части.

Обычно потери энергии в открытой рабочей части составляют 40—60 % от мощности, подводимой к вентилятору, и являются основной частью всех потерь в трубе.

Большое число труб и дутьевых установок непосредственно по­сле постройки не могут быть использованы из-за наличия пульсаций потока в рабочей части.

Пульсации, как правило, возникают на границе струи воздуха и могут быть настолько значительными, что практически произ­водить работу нельзя. Вследствие пульсаций появляется допол­нительный характерный шум. Для каждой установки пульсации достигают своего наибольшего значения при определенной ско­рости потока.

Причиной появления колебаний потока является неудачная конструкция всего корпуса трубы в целом и прежде всего конфузора в рабочей части.

Наиболее эффективным средством борьбы с пульсациями яв­ляется изменение длины рабочей части. В тех случаях, когда нельзя изменить длину рабочей части, колебания можно устра­нить с помощью некоторых других способов.

Первый из них заключается в том, что на выходе воздуха из коллектора вдоль по потоку устанавливают несколько тонких пластинок. По опытам ЦАГИ пластинки, имеющие размеры 60 Х 120 мм², почти полностью устраняют пульсации. К со­жалению, сами они вносят значительные нарушения в поле скоро­стей в рабочей части, что делает этот метод непригодным в аэродинамических трубах.

Рисунок 3.2. Кольцевой раструб и отверстия для устранения пульсаций

Второй способ, широко применяющийся в практике, заклю­чается в установке дополнительного кольцевого насадка при входе в диффузор, как показано на рисунке 3.2.

Третий метод, часто применяющийся в комбинации со вторым, заключается в устройстве выпускных окон в обратном канале или в диффузоре трубы. В этом случае, когда причиной пульсации является неправильно выбранный диаметр входной части диффузора, через эти окна можно выпускать лишний воздух или впускать недостающий.

Примерные размеры окон показаны на рисунке 3.2. Обычно раз­мещают два-три ряда отверстий с общей площадью 30—40% от площади выходного сечения конфузора.