1 использование циклонных камер в промышленности 6

• Название: 1 использование циклонных камер в промышленности 6
• Дата: 10.01.2020
• Размер: 390.55 Kb.
• Имя файла: Kursovoy_proekt_GGD.docx
• Тип: Документы; #103461
• страница: 3 из 7

2 ОБЩАЯ КАРТИНА ДВИЖЕНИЯ ГАЗОВ В ЦИКЛОННОЙ КАМЕРЕ, ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НА АЭРОДИНАМИКУ ЦИКЛОННОЙ КАМЕРЫ

Циклонная камера (рисунок 5) представляет собой цилиндр, тангенциально к внутренней поверхности которого вводится газ или жидкость.



1 - ядро потока; 2 - периферийная (пристенная) зона; 3 - приторцевал зона.
Рисунок 5 - Схематический чертеж циклонной камеры и основные обозначения

Поле скоростей потока в циклонных камерах отличается сложностью и пространственностью. В любой точке поля сектор скорости можно разделить на три составляющие (компоненты): тангенциальную w_φ (вращательную), w_х осевую (продольную) и радиальную w_z (рисунок 5). 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 (рисунок 5) 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 r_я 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 (рисунок 6) 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.


Рисунок 6 – Распределение вращательной составляющей скорости, статического и полного давлений в циклонной камере

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. Из курса физики известно, что при равномерном движении по окружности радиуса r равнодействующая сил dF, действующих на элемент жидкости, должна быть равна по модулю и направлена к центру окружности:

(2.1)

В уравнении - линейная (тангенциальная, вращательная) скорость движения элемента; m - масса элемента.

Только когда равнодействующая сила сообщает элементу необходимое центростремительное ускорение, он движется равномерно по окружности:

j=/r (2.2)

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. Соответственно условие существования кругового течения, или условие радиального равновесия потока, в рассматриваемом случае будет определяться уравнением:

. (2.3)

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 6).

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 рисунке 7 приведены условные распределения осевой компоненты скорости по радиусу в рабочем объеме и соответствующие им схемы осевых потоков.


1

2

3

4

5

1 - периферийный прямой вихрь; 2 - кольцевой обратный вихрь; 3 - выходной вихрь; 4 - периферийный обратный вихрь; 5 - осевой обратный вихрь.
Рисунок 7 - Распределение w_х и схемы осевых движений потока
(За положительное направление осевой скорости здесь и далее принимается направление к выходу из камеры, за отрицательное - направление к глухому торцу.) На рисунке 7 видно, что входящий в камеру поток разделяется на два, один из которых направляется к выходному торцу, а другой - к глухому. Основная часть 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.

Важная роль в аэродинамике циклонных камер принадлежит весьма интенсивному турбулентному обмену.

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 6). 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:

(2.4)

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 (рисунок 6). Общее сопротивление циклонной камеры оценивается по суммарному коэффициенту сопротивления:

, (2.5)

где - перепад полного давления в камере;

- 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:

, (2.6)

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.

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 Р_с.ст., уменьшению характерного радиуса и других характеристик радиусов ядра потока. При этом наблюдается существенная перестройка профилей и . В то же время влияние параметра на поток в пристенной зоне практически мало существенно.

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. С уменьшением распределения вращательной скорости и давлений приобретают более пологий характер.

Относительная высота шлицев основное влияние оказывает на поток в пристенной зоне. С увеличением уменьшаются потери на расширение струи и вихреобразование у кромок шлицев, поэтому возрастает уровень во всей пристенной зоне течения, в том числе и величина . Радиальная протяженность периферийной зоны несколько увеличивается.

Относительное расположение входных шлицев х_вх, практически не оказывая влияния на вращательное движение потока и слабо влияя на сопротивление камеры, коренный образом изменяет поле осевых потоков на периферии рабочего объема.

Распределенность шлицев по периметру камеры (увеличение а) способствует повышению осевой симметрии потока в ядре и равномерности распределения скоростей в периферийной зоне. При этом изменяются условия взаимодействия выходящих из шлицев струй с ранее введенными в рабочий объем и уже вращающимися в нем газами (следовательно, изменяются входные потери), протяженность их активного действия, влияние особенностей формирования потока и потерь во входных каналах. Доля, а в некоторых случаях и характер влияния каждого из перечисленных факторов зависят от геометрических характеристик камеры и прежде всего от величины относительной суммарной площади входа потока. Например, при < 7,5·10^-2 увеличение числа входов по периметру приводит к повышению сопротивления камеры, главным образом за счет возрастания потерь на входе (на расширение потока). В то же время при

> 7,5·10^-2, в условиях интенсивного вращения потока в рабочем объеме и значениях вблизи внутренней кромки шлицев, близких к V_вх, увеличение числа вводов определяет повышение плавности ввода газа, снижение этих потерь и общего сопротивления камеры.

Относительная длина камеры оказывает влияние, как на структуру, так и на общие аэродинамические характеристики потока. При > 2 и двухстороннем локальном вводе в ядре поток практически осесимметричен и распределения (при ·10² ≥ 3·10^-2) можно считать неизменными по его длине. При < 2 распределение начинает существенно зависеть от продольной координаты. Увеличение приводит к значительному уменьшению , , , и суммарного сопротивления камеры. Существенно зависит от и поле осевых скоростей. При росте несколько увеличивается радиальная протяженность пристенной зоны течения.

Повышение шероховатости поверхности рабочего объема циклонной камеры приводит к снижению уровня вращательных скоростей, смещении максимума w _φ по направлению к периферии, уменьшению сопротивления камеры. Профиль w _φ под влиянием деформируется. 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.

Сопротивление циклонных камер и потери в них главным образам определяются вращательным движением потока, причем доля потерь на трение потока о стенки рабочего объёма, а также выходного и входных каналов в общей величине потерь для гладкостенных камер сравнительно невелика и возрастает с увеличением относительной шероховатости поверхности рабочего объема и каналов. Однако даже в гладкостенных камерах трение потока о стенки (при сравнительно небольших потерях непосредственно на трение) 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. В гладкостенных камерах, а такие в шероховатых, в которых толщина ламинарного подслоя на стенках рабочего объема превышает величину бугорков шероховатости (шероховатая камера является гидродинамически гладкой), увеличение входного числа Рейнольдса:

, (2.7)

где - коэффициент кинематической вязкости потока при входных условиях.
Или расхода газа через камеру приводит к снижению коэффициента трения и, следовательно, к снижению тормозящего действия внутренней поверхности рабочего объема. Повышение уровня вращательных скоростей с увеличением Re_вх приводит и к росту ξ (рисунок 8).



Рисунок 8 - Зависимость ξ = ξ (Re_вх) при различной относительной шероховатости рабочего

В области турбулентного режима интенсивность зависимости суммарного коэффициента сопротивления от Re_вх, убывает с его увеличением. Когда в шероховатых циклонных камерах бугорки шероховатости значительно выходят за пределы ламинарного подслоя, тормозящее действие стенок будет определяться сопротивлением формы бугорков - сопротивлением плохо обтекаемых выступов шероховатости. Поскольку сопротивление формы не зависит от числа Рейнольдса, то и сопротивление циклонной камеры в этом случае не зависит от Re_вx. Течение потока становится автомодельным. Как и при течении в трубах, между двумя рассмотренными предельными режимами и в циклонных камерах существует промежуточный режим, в котором толщина ламинарного подслоя соизмерима с высотой выступов шероховатости и ξ зависит от  и Re_вx. Ранее уже отмечалось, что влияние трения потока о стенки камеры главным образом проявляется через изменение уровня вращательных скоростей и определяемых им величиной затрат энергии (напора) на достижение определенного уровня и потерь на выходе из рабочего объема. Рост коэффициента трения приводит и снижению уровня вращательных скоростей и суммарного коэффициента сопротивления камеры, а уменьшение, наоборот, - к повышению уровня и соответственно ξ. Поэтому характер изменения суммарного коэффициента сопротивления циклонных камер от числа Re_вх оказывается противоположным изменению коэффициента сопротивления трения.

В общем изменение суммарного коэффициента сопротивления камеры с увеличением числа Re_вх можно представить следующим образом: при ламинарном режиме течения, если он возможен, ξ, вероятно, будет увеличиваться и достигнет максимума при критическом значении числа Рейнольдса, в переходном режиме ξ убывает, при турбулентном промежуточном режиме, в отличие от двух предыдущих, характер изменения ξ начинает существенно меняться от относительной шероховатости поверхности рабочего объема, и, в зависимости от величины , может иметь место и падение, и увеличение ξ; в режиме развитой шероховатости суммарный коэффициент сопротивления не меняется.

Распределения не зависят от величины Re_вх. В гладкостенных камерах возрастает с увеличением Re_вх. Зависимость максимальной вращательной скорости от числа Re_вх практически определяется лишь изменением величины вращательной скорости на границе ядра потока. Для шероховатых циклонных камер в наиболее целесообразном и часто встречающемся в практике диапазоне чисел Рейнольдса (Re_вх >2·10⁵) режим течения можно считать автомодельным.

Загрузка объема циклонной камеры различного рода вставками не вызывает коренных изменений в картине распределения скоростей. В то же время она оказывает влияние практически на все аэродинамические характеристики ядра потока.