![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Архангельский ордена трудового красного знамени лесотехнический институт именн в. В. Куйбышева
- •Аэродинамика циклонной камеры
- •21 Июня 1979 г.
- •Оглавление
- •Общая картина движения газа в циклонной камере
- •2. Влияние основных конструктивных и режимных характеристик на аэродинамику циклонной камеры
- •Описание экспериментального стенда и методики измерений.Порядок проведения опытов.
- •3.1. Измерение расхода воздуха
- •3.2. Измерение скоростей и давлений в объеме циклонной камеры
- •4. Обработка результатов опытов
- •4.1 Определение расхода воздуха через камеру.
- •1. Производство замеров цилиндрическим трехканальным зондом
- •2. Производство замеров шаровым пятиканальным зондом
- •5. Схема аэродинамического расчета циклонной камеры
- •Расчет основных аэродинамических характеристик
- •Литератуpa
- •Приложение
- •Оглавление
Общая картина движения газа в циклонной камере
Циклонная камера (рис. 1) представляет собой цилиндр, тангенциально к внутренней поверхности которого вводится газ или жидкость. Число а и местоположение Хвх вводов (шлицев или сопел) может быть различным и определяется технологическим назначением
Рис.1.Схематический чертеж циклонной камеры и основные обозначения; I - ядро потока; 2 - периферийная (пристенная) зона; 3 - приторцевал зона
циклонного
аппарата.
Основными
относительными
характеристиками
(их
обозначения
приведены
на
рис.
I)
циклонной
камеры,
кроме
отмеченных,
являются:
суммарная
площадь
входа
,
-диаметр
выходного
отверстия
,
длина
рабочего
объема
,
высота
шлицев
(сопел)
,
местоположение
входных
шлицев
,
(координата
отсчитывается
от
глухого
торца
рабочего
объема
камеры),
шероховатость
поверхности
рабочего
объема.
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 сектор скорости можно разделить на три составляющие (компоненты): тангенциальную ωφ(вращательную), ωх
осевую (продольную) и радиальную ωz (рис.I). В общем случае соотношение между этими компонентами может быть различным 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 (см.рис. I) 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 (вращательная) составляющая имеет наибольшую из всех трех компонент величину. В соответствии с характером ее распределения по радиусу (рис. 2) 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
Рис.2 Распределение вращательной составляющей
скорости, статического и полного давлений в
циклонной камере.
вращательной скорости, определяются геометрией циклонной камеры. При двухстороннем и более вводе газа течение в ядре практически осесимметрично. Аэродинамическая ось потока совпадает с осью камеры. Вращательная составляющая скорости в ядре потока значительно превышает другие компоненты скорости, поэтому основным видом движения считают вращательное.С этой точки зрения, в первом приближении, движение газа в ядре можно считать плоским и отнести к категории равномерных осесимметричных относительно оси вращения или круговых [13]. Из курса физики известно, что при равномерном движении по окружности радиуса r равнодействующая сил dF, действующих на элемент жидкости, должна быть равна по модулю
(1)
и направлена к центруокружности.
В уравнении (1)
- линейная (тангенциальная, вращательная)
скорость движения элемента; m
- масса элемента.
Только когда
равнодействующая сила сообщает элементу
необходимое центростремительное
ускорение j=/r,
он движется равномерно по окружности.
Эту равнодействующую называют
центростремительной силой. 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
(центростремительной) силой в ядре
циклонного потока будет являться
радиальный градиент давления [13].
Соответственно условие существования
кругового течения, или условие радиального
равновесия потока, в рассматриваемом
случае будет определятся уравнением
. (2)
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 (см.рис. 2).
В периферийной
(пристенной) 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 из 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.
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.
Кривая распределения статического давления по радиусу в периферийной зоне течения по характеру является продолжением соответствующего распределения в ядре потока.
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. Сложность картины дополняется взаимодействием возникшего течения с ядром потока. Статическое давление поперек этой области практически не изменяется на всех радиусах.
Условия
стока, неравномерность распределения
вращательных скоростей потока по длине
рабочего объема(и
первую очередь в периферийной и
приторцевых областях течения),
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
рис.3 приведены условные распределения
осевой компоненты скорости по радиусу
в рабочем объеме и соответствующие им
схемы осевых потоков.
1
2
3
4
5
Рис. З.Распределение ωх и схемы осевых движений потока
в циклонной камере: 1 - периферийннй прямой вихрь;
2 - кольцевой обратный вихрь; 3 - выходной вихрь;
4 - периферийный обратный вихрь; 5 - осевой обратный вихрь
(За положительное направление осевой скорости здесь и далее принимается направление к выходу из камеры, за отрицательное - направление к глухому торцу.) На рис. 3 видно, что входящий в камеру поток разделяется на два, один из которых направляется к выходному торцу, а другой - к глухому. Основнаячасть массы газа потоков интенсивными радиальными перетечками переносится к центральным областям рабочего объема. Вблизи приосевой зоны от глухого торца поток газа направляется к выходному отверстию, к нему в приторцевой области у выходного отверстия присоединяется часть газа, переносимая радиальным течением у выходного торца. Этот радиальный поток, взаимодействуя с выходным, частично ответвляется, образуя небольшое кольцевое обратное течение. 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.
Размеры, радиальная протяженность и мощность рассмотренных закрученных осевых потоков могут быть различными и зависят от геометрических характеристик циклонной камеры.
Безусловно, приведенная схема осевых течений потока является приближенной, хотя и допускает существование циркуляционных зон как внутри рабочего объема, так и в пристенном слое между входными каналами, в углах рабочего объема между торцевыми и боковой поверхностями. Пристенные потоки называют периферийными прямым и обратным вихрями, выходной поток - выходным вихрем, кольцевое обратное течение - кольцевым обратный вихрем, центральный обратный поток - центральным обратным вихрем [19].
Важная роль в аэродинамике циклонных камер принадлежит весьма интенсивному турбулентному обмену [6, 18].
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
(см.рис. 2). Она удачно характеризует
общий (эффективный) 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. Обычно в
аэродинамических расчетах чаще используют
не абсолютное значение
,
а относительное
(
- средняя скорость потока в шлицах или
соплах).
Второй скоростной
характеристикой ядра потока в циклонной
камере является вращательная скорость
на его внешней границе .
Эта скорость является интегральной
характеристикой аэродинамических
процессов, связанных с истечением газа
из шлицев, распространением его струй
у боковой поверхности камеры,
взаимодействием пристенной зоны течения
с ядром и приторцевыми потоками.
Обе скоростные характеристики связаны между собой коэффициентом крутки в ядре потока:
. (3)
Радиальные размеры
характерных зон циклонного потока
определяются безразмерными радиуса, ?
.
Особо важное значение в аэродинамических
расчетах циклонных камер имеют
безразмерные радиусы, характеризующие
положение максимума вращательной
скорости потока
,
внешней границы осесимметричного ядра
,
нулевого значения статического давления
(см.рис. 2). Общее сопротивление циклонной
камеры оценивается по суммарному
коэффициенту сопротивления
где
- перепад полного давления в камере,
разность величин полных давлений в
шлицах и за выходным отверстием рабочего
объема;
- плотность потока на входе в камеру.
Введение суммарного коэффициента ξ
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
,
где
- плотность потока на радиусе
.
С помощью коэффициента
можно определить затраты энергии на
создание определенного уровня вращательных
скоростей в устройстве. Фактически он
определяет аэродинамическую эффективность
циклонной камеры.