Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лист длЯ замечаний
оглавление
Исходные данные………………………………………………………………….…….5
Введение …………………………………………………………………………………6
1 Общая картина движения газа в циклонной камере…………………..................….7
2 Описание экспериментального стенда и методики измерения…...…………...….11
3 Измерение скоростей и давлений в объеме циклонной камеры………………15
4 Расчет распределений скоростей и давлений в циклонной камере……….……...18
5 Расчет распределений скоростей и давлений по методике аэродинамического расчета…………………………………………………………………………………...20
6 Список использованной литературы……...………………...………………….……23
7 Приложения…………………………………………………………………….……..25
Кафедра теплотехники задание на курсовую работу
по дисциплине______________Гидрогазодинамика____________________________
_____________________________________________________________________
студенту________________курса_____3__________группы__140100.62___________
__________________Жданов Игорь Алексеевич__________________
(Фамилия Имя Отчество)
Тема:________Аэродинамика циклонной камеры____________________________
Вариант №________________________11___________________________________
Исходные данные: Геометрические и режимные характеристики циклонной камеры
Наименование параметра |
Обозначение |
Величина |
Размерн |
Диаметр камеры |
Dк |
0,310 |
М |
Длина камеры |
|
1,55 |
Безразм |
Относительная площадь входа
|
0,0645 |
Безразм |
|
Высота входного канала |
0,0477 |
Безразм |
|
Диаметр выходного отверстия |
0,4 |
Безразм |
|
Шероховатость боковой поверхности камеры |
0 |
Безразм |
|
Температура воздуха на входе |
Tвх |
299,6 |
К |
Барометрическое давление |
В |
771,6 |
мм.рт.ст. |
Избыточное статистическое давление во входных каналах |
Рс.вх. |
324,7 |
мм.вод.ст. |
Избыточное статистическое давление на боковой поверхности камеры |
Рc.ст. |
300 |
мм.вод.ст. |
Скорость воздуха на входе |
Vвх |
33,71 |
м/с |
Срок выполнения работы с________________20__г. по _________________20__г.
Руководитель проекта__________________Леухин Ю.Л.«___»____________20__г.
(подпись) (Фамилия И.О.) (Дата)
Результаты аэродинамических измерений в рабочем объеме:
N |
jº |
А1, мм вод ст |
А2, мм вод ст |
, мм |
1 |
-14 |
38 |
335 |
0 |
2 |
-13,5 |
68 |
350 |
5,5 |
3 |
-11 |
74 |
351 |
7,5 |
4 |
-6,5 |
84 |
346 |
7,5 |
5 |
-5 |
90 |
343 |
7,5 |
6 |
-2,5 |
97 |
341 |
7,5 |
7 |
-2 |
108 |
337 |
7,5 |
8 |
-1,5 |
125 |
335 |
7,5 |
9 |
1 |
139 |
331 |
7,5 |
10 |
-1,5 |
156 |
325 |
7,5 |
11 |
1 |
171 |
311 |
7,5 |
12 |
2 |
171 |
286 |
7,5 |
13 |
2,5 |
167 |
260 |
5 |
14 |
1 |
148 |
212 |
7,5 |
15 |
0,5 |
133 |
164 |
7,5 |
16 |
-1,5 |
115 |
117 |
7,5 |
17 |
-2,5 |
97 |
72 |
7,5 |
18 |
-5 |
78 |
28 |
7,5 |
19 |
-3 |
52 |
-18 |
7,5 |
20 |
-3,5 |
28 |
-58 |
7,5 |
21 |
-17,1 |
9 |
-68 |
2,5 |
22 |
-88,5 |
0 |
-96 |
7,5 |
23 |
-78 |
0 |
-96 |
2 |
Коэффициент трехзначного цилиндрического зонда:
Кц=0,985 Кц-Кб=1,231
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, освоение метода измерения расхода газа по полю скоростей, снятому пневмометрическим насадком.
1 Общая картина движения газа в циклонной камере. влияние основных конструктивных и режимных характеристик на аэродинамику циклонной камеры
Циклонная камера (Рисунок 1.1) представляет собой цилиндр, тангенциально к внутренней поверхности которого вводится газ или жидкость.
1 – ядро потока; 2 – периферийная (пристенная) зона; 3 – приторцевая зона
Рисунок 1.1 - Схематический чертеж циклонной камеры
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 вектор скорости можно разделить на три составляющие (компоненты):тангенциальную (вращательную), осевую x (продольную) и радиальную r. В общем случае соотношение между этими компонентами может быть различными 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 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 rя 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 составляющая имеет наибольшую из всех трех компонент величину. В соответствии с характером ее распределения по радиусу 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 вращательной скорости, определяются геометрией циклонной камеры.
Из курса физики известно, что при равномерном движении по окружности радиуса r равнодействующая сил dF, действующих на элемент жидкости, должна быть равна по модулю (в уравнении - линейная (тангенциальная, вращательная) скорость движения элемента; m – масса элемента) и направлена к центру окружности.
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 силой в ядре циклонного потока будет являться радиальный градиент давления. Соответственно условие существования кругового течения, или условие радиального равновесия потока, в рассматриваемом случае будет определяться уравнением:
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. (рисунок 1.2)
В периферийной 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 их 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.
Рисунок 1.2 - Распределения вращательной составляющей скорости, статистического и полного давлений в циклонной камере
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.
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.
Условия стока, неравномерность распределения вращательных скоростей потока по длине рабочего объема, 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 рисунке 1.3 приведены условные распределения осевой компоненты скорости по радиусу в рабочем объеме и соответствующие им схемы осевых потоков.
1
2
3
4
5
1 - периферийннй прямой вихрь;
2 - кольцевой обратный вихрь; 3 - выходной вихрь;
4 - периферийный обратный вихрь; 5 - осевой обратный вихрь
Рисунок 1.З - Распределение ωх и схемы осевых движений потока
в циклонной камере
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.
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 (Рисунок 1.2). Она удачно характеризует общий 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.
Общее сопротивление циклонной камеры оценивается по суммарному коэффициенту сопротивлению . Введение суммарного коэффициента 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 . С помощью этого коэффициента можно определить затраты энергии на создание определенного уровня вращательных скоростей в устройстве. Фактически он определяет аэродинамическую эффективность циклонной камеры.
Из отмеченных выше геометрических характеристик особенно сильное влияние на аэродинамику циклонной камеры оказывает диаметр выходного отверстия. Уменьшение приводит к росту величины , значения статистического давления на боковой поверхности камеры Рс.ст., уменьшению характерного радиуса и других характеристик радиусов ядра потока. При этом наблюдается существенная перестройка профилей .
Увеличение относительной суммарной площади входа циклонной камеры приводит к повышению уровня вращательных и осевых скоростей, статистического давления и смещению характерных радиусов в ядре потока в приосевую область, а границы ядра потока – в периферийную область рабочего объема.
Повышение шероховатости поверхности рабочего объема циклонной камеры приводит к снижению уровня вращательных скоростей, уменьшению сопротивления камеры. Повышение приводит к некоторой перестройке поля осевых скоростей, особенно в центре рабочего объема камеры. С ростом может быть ликвидирован осевой обратный ток, увеличивается радиальная протяженность и уровень максимальной осевой скорости выходного вихря. Трение потока о стенки оказывает влияние на уровень вращательных скоростей в рабочем объеме, следовательно, на величину затрат на достижение определенного уровня крутки и величины входной и выходной составляющих суммарного коэффициента сопротивления. Коэффициент кинематической вязкости потока при входных условиях приводит к снижению коэффициента трения и, следовательно, к снижению тормозящего действия внутренней поверхности рабочего объема. Сопротивление формы не зависит от числа Рейнольдса, то и сопротивление циклонной камеры в этом случае не зависит от . Течение потока становится автомодельным.
В общем изменение суммарного коэффициента сопротивления камеры с увеличением числа можно представить следующим образом :
При ламинарном режиме течения, если он возможен, , вероятно, будет увеличиваться и достигнет максимума при критическом значении числа Рейнольдса, в переходном режиме убывает, при турбулентном промежуточном режиме, в отличие от двух предыдущих, характер изменения начинает существенно меняться от относительной шероховатости поверхности рабочего объема, и, в зависимости от величины , может иметь место и падение, и увеличение ; в режиме развитой шероховатости суммарный коэффициент сопротивления не меняется.