Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 5
1.1. Принцип действия жидкостных динамических насосов трения 5
1.2. Конструкции и основные направления развития струйных аппаратов 9
1.3. Теоретические разработки в области струйной техники 21
1.3.1. Развитие теории струйных аппаратов 21
1.3.2. Величины, характеризующие рабочий процесс в струйном насосе 24
1.3.3. Статические характеристики и профилирование проточной части 26
1.3.4. Эжектирование жидкости прерывистой струей 44
2. Физико-математическая модель нестационарной эжекции в жидкостном струйном насосе 51
2.1. Уточненная одномерная физико-математическая модель рабочего процесса в струйном насосе 52
2.2. Статическая характеристика жидкостного эжектора 62
2.3. Динамические характеристики работы струйного насоса 64
2.4. Передаточная функция жидкостного струйного насоса 70
3. Расчет рабочего процесса и анализ характеристик импульсной эжекции в струйных насосах 74
3.1. Расчетная модель 74
3.2. Алгоритм расчета и переходный процесс импульсного эжектора 79
3.3. Закономерности изменения скоростей потоков жидкости в проточной части импульсного струйного аппарата 85
3.4. Характеристики эжектора с импульсной подачей активной среды 93
3.5. Напорная характеристика и КПД импульсного жидкостного насоса 100
Выводы по главе 105
4. Экспериментальная апробация физико-математической модели нестационарной эжекции 106
4.1. Классический струйный насос 107
4.2. Численное моделирование рабочего процесса жидкостного эжектора 112
4.3. Клапанный водоводяной эжектор 133
4.4. Водоводяной эжектор с импульсной подачей активного потока 137
4.4.1. Конструкция и принцип работы экспериментальной установки 137
4.4.2. Методика проведения экспериментального исследования 141
4.4.3. Обработка экспериментальных данных 142
4.4.4. Сравнение расчетной и экспериментальной зависимостей коэффициента эжекции от числа Струхаля 144
Выводы по главе 147
Основные результаты и выводы 149
Список использованных источников 151
- Конструкции и основные направления развития струйных аппаратов
- Статическая характеристика жидкостного эжектора
- Алгоритм расчета и переходный процесс импульсного эжектора
- Численное моделирование рабочего процесса жидкостного эжектора
Введение к работе
Актуальность темы
Жидкостные струйные насосы широко используются в системах топли-воподачи летательных аппаратов, повышения давления всасывания центробежных насосов, гидродобычи и гидротранспорта твердых и сыпучих материалов, водопонижения и водоотведения, технического водоснабжения турбин гидроэлектростанций и многих других. При этом в большинстве гидросистем эжекторы продолжительное время работают в нестационарных условиях, например, при запуске системы или в процессе ее регулирования. В системах водоотлива и опорожнения емкостей режим работы эжектора в течение всего периода откачки является нестационарным. Поэтому эффективное применение эжектора требует глубокого знания гидродинамики рабочего процесса, статических и динамических характеристик аппарата.
Исследования по совершенствованию струйных насосов различного назначения, проводимые в течение ряда лет на кафедре гидравлики и гидро-пневмосистем ЮУрГУ, свидетельствуют о том, что струйные насосы, обладая высокой надежностью, во многих случаях потребляют чрезмерно высокие объемы рабочей жидкости и энергии, а эжекционные возможности нестационарных струй и аппаратов на их основе изучены недостаточно. Существующие методы расчета ориентированы исключительно на установившиеся режимы работы струйных насосов с непрерывной активной струей, а переходные режимы, характерные для многих гидросистем со струйными насосами, практически не рассматриваются. Вместе с тем, работы различных авторов показывают, что эжекционные свойства импульсных струй существенно выше, чем непрерывных.
В подавляющем большинстве подобных гидросистем струйные аппараты, выполняя определенные технологические функции, работают, как правило, непрерывно и длительное время, поэтому даже незначительное повышение их эффективности приводит в итоге к существенной экономии энергии и рабочей среды.
Таким образом, исследования нестационарной эжекции в струйных насосах, позволяющие повысить эффективность работы и расширить сферу применения различных типов жидкостных струйных насосов, требуют приоритетного развития.
Цель исследования
Определение динамических характеристик струйного насоса с непрерывной подачей активного потока, а также выявление потенциальных возможностей эжекторов с импульсной подачей активной струи.
Задачи исследования
1. Разработка усовершенствованной физико-математической модели нестационарной эжекции, анализ на ее основе статических и динамических ха-
рактеристик классических струйных насосов (КСН), то есть аппаратов с непрерывной подачей активного потока.
Разработка физико-математической модели рабочего процесса импульсного струйного насоса (ИСН), то есть аппарата с прерывистой подачей активной среды.
Расчет и анализ рабочего процесса жидкостного ИСН, выявление оптимальных диапазонов значений режимных и геометрических параметров работы ИСН.
Экспериментальная апробация физико-математической модели нестационарной эжекции на различных типах эжекторных устройств.
Метод исследования
Состоит из трех последовательных этапов.
Аналитическое исследование рабочего процесса КСН и ИСН на основе уравнений баланса расходов и энергий в рабочей камере, а также уравнений Бернулли для неустановившихся потоков в соплах и диффузоре.
Анализ статических и динамических рабочих характеристик КСН и ИСН, рассчитываемых с применением различных математических методов.
Сравнение полученных результатов с данными собственных экспериментов (численного и физического) и экспериментальными исследованиями других авторов.
Основные защищаемые положения
Физико-математические модели нестационарной эжекции КСН и рабочего процесса ИСН.
Динамическая характеристика, иллюстрирующая изменение коэффициента эжекции во времени при запуске и выходе КСН на установившейся режим работы, зависит не только от относительных напора h и площади сопла О., но и от отношения инерционных длин сопла и проточной части аппарата % . Геометрические параметры ^ий оказывают заметное влияние на продолжительность переходного процесса, которая возрастает как при увеличении соотношения инерционных длин проточной части аппарата, так и при уменьшении относительной площади сопла.
Рабочий процесс в аппаратах с прерывистой струей определяется следующими относительными параметрами: относительный напор її, коэффициент эжекции а, относительная площадь сопла Q, параметр разрывности струи ,„ число Струхаля Sh, соотношение инерционных длин элементов проточной части Х-
Наибольшая эффективность ИСН наблюдается в следующих предпочтительных диапазонах значений параметров его работы: Sh = 0,008...0,012; Q. = 0,56...0,6; Qp = 0,1...0,07; х = 17...23. На этих режимах наблюдается значительное увеличение КПД ИСН по сравнению с КСН. Выход за диапазоны оптимальных значений параметров Sh, h, X, & может привести либо к резкому
снижению коэффициента эжекции, либо к неустойчивой работе аппарата, сопровождающейся колебаниями коэффициента эжекции.
Достоверность полученных результатов
Достоверность результатов подтверждается использованием при разработке физико-математических моделей нестационарной эжекции в КСН и рабочего процесса ИСН фундаментальных законов сохранения и их общепринятого математического описания, применением достоверных полуэмпирических данных и соотношений. Основные положения и выводы доказываются аналитически и подтверждаются опытным путем. При этом рассмотрены результаты экспериментов, полученные учеными различных научных центров нашей страны (МАИ, ВТИ, МИСИ, ЮУрГУ), а также эксперименты, выполненные автором.
Научная новизна результатов
Впервые рассчитаны и проанализированы характеристики переходного процесса эжектора с непрерывной подачей активного потока на основе предложенной в работе уточненной физико-математической модели нестационарной эжекции.
Разработана и апробирована модель рабочего процесса импульсного эжектора, на основе ее анализа впервые выявлены диапазоны оптимальных значений режимных и геометрических параметров ИСН, позволяющие существенно повысить КПД аппарата по сравнению с традиционными струйными насосами.
Предложена трехмерная модель рабочего процесса динамического насоса трения в программном пакете ANSYS CFX. Выполнено моделирование переходного процесса струйного насоса при его запуске и выходе на стационарный режим работы.
Практическая ценность работы
Предложенные уравнения нестационарной эжекции и передаточная функция КСН могут быть использованы при анализе устойчивости регулируемых гидропневматических систем, включающих эжекторы.
Системы дифференциальных уравнений рабочего процесса, а также выявленные оптимальные диапазоны режимных и геометрических параметров импульсного эжектора могут быть использованы для расчета и проектирования установок, включающих подобные аппараты нового поколения, в машиностроении, металлургии, энергетике, химической, нефтегазовой промышленности и авиаракетостроении.
Внедрение численных методов моделирования рабочих процессов в эжекторных системах дает возможность подойти на принципиально новом технологическом уровне к решению следующих актуальных задач: совершенствование существующих методик расчета и проектирования струйных аппаратов; экономия финансовых и временных ресурсов особенно на начальных этапах проектирования.
Апробация работы
Основные результаты исследований, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на:
Всероссийской научно-технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов» г. Челябинск 2007.
Международной научно-технической конференции. «ECOPUMP.RUV2007. Эффективность и экологичность насосного оборудования» г. Москва 2007.
Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Гидромашины, гидроприводы, гидропневмоавтоматика», г. Москва 2005, 2008.
- 1-ой научной конференции аспирантов и докторантов Южно-Уральского
государственного университета г. Челябинск 2009.
Публикации и личный вклад автора
По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ, из них: 3 - тезисы докладов; 1 - публикация в сборнике докладов Всероссийской научно-технической конференции; 2 - статьи в журнале, входящем в перечень редактируемых изданий, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора заключается в следующем:
уточнение физико-математической модели нестационарной эжекции и ее численный анализ для переходного процесса КСН, включающего запуск и выход на установившийся режим работы;
трехмерное компьютерное моделирование рабочего процесса КСН;
разработка физико-математической модели рабочего процесса ИСН;
анализ рабочего процесса ИСН;
экспериментальная апробация физико-математической модели рабочего процесса ИСН.
Конструкции и основные направления развития струйных аппаратов
Подробный обзор существующих конструкций струйных насосов со стационарной подачей активного потока приведен в книге Б.Ф. Лямаева «Гидроструйные насосы и установки» [49].
Схемы струйных насосов довольно разнообразны, однако некоторые конструктивные элементы являются общими для подавляющего числа их компоновок. Коническое сопло в основном устанавливают соосно (по центру) с рабочей камерой (рис. 1.1, а; 1.2), а также в виде кольца, размещенного по периферии камеры смешения (рис. 1.1, б), или комбинированно (рис. 1.1, в), также встречаются конструкции многосопловых струйных аппаратов (рис. 1.1, г). Плоскость среза активного сопла может находиться во входном сечении камеры смешения или быть выдвинута из него против течения на некоторое расстояние.
Рассматриваемые насосы также можно разделить на два типа: нерегулируемые (рис. 1.1) и регулируемые (рис. 1.2). Регулирование струйных аппаратов осуществляется при помощи изменения площади выходного сечения сопла или площади поперечного сечения камеры смешения.
Наряду с типовыми конструкциями струйных аппаратов существует и ряд новых оригинальных разработок. Например, на рис. 1.3 изображены сблокированные щелевые струйные насосы, позволяющие увеличить подачу откачиваемой среды. Эжектор, показанный на рис. 1.3, а, собран из профилированных та-релей, образующих в поперечном сечении обычные струйные насосы, имеющие диффузор 1, камеру смешения 2, конфузор 3.
Рабочие сопла 9 собраны из штампованных или литых деталей, закрепленных на трубе 4, подводящей активную жидкость. Для организации потоков рабочей (активной) и подсасываемой (пассивной) сред по трубам 4 и 8 часть рабочих сопл 5 и камер смешения 6 заглушены. Подсасываемая среда подводится снизу по трубе 8. Конструкция в целом стянута болтами 7. Струйный насос, изображенный на рис. 1.3, б, аналогичен по конструкции предыдущему, однако для обеспечения технологичности сборки и изготовления основные его детали выполнены путем намотки полосы по спирали с последующей сваркой.
На рис. 1.4 изображены три конструкции щелевых струйных аппаратов, выполненные на стадии изобретательских решений. Рабочая жидкость (рис. 1.4, а) подается по трубе 1 и отражается от пластины 5, к которой в зоне максимального понижения гидростатического давления присоединен всасывающий патрубок 4; смесь сред изливается в щель между пластинами 5 и 7 и через кожух 3 и патрубок 2 отводится к потребителю. Пластины 5 и 7 удерживаются на заданном расстоянии с помощью крепежных болтов 6.
Струйный аппарат, представленный на рис. 1.4, б, является усовершенствованным аппаратом, изображенным на рис. 1.4, а. Рабочая струя поступает по трубке 1 в сопло 8 и, отражаясь от пластины 5, образует симметричную круговую зону отражения. Всасывающая полость в виде проточки 9 использует всю зону пониженного давления, образованную истекающей из сопла 8 струей. Пассивная среда подсасывается по патрубку 4, просверленному в корпусе 10.
Статическая характеристика жидкостного эжектора
На установившемся режиме работы струйного насоса производные dqldz= da/dz= О и система (2.21) после некоторых преобразований сводится к одному алгебраическому уравнению, описывающему в безразмерных координатах процесс стационарной эжекции [52]: Зависимости (2.20) позволяют определить относительные скорости активного и пассивного потоков в сечении 3—3, а также потока смеси в выходном сечении 4-4 смесительной камеры струйного насоса. Система дифференциальных уравнений (2.21) позволяет рассчитать безразмерные динамические характеристики, а уравнение (2.23) - безразмерные статические характеристики жидкостного струйного насоса. Статические напорные характеристики жидкостного эжектора показаны на рис. 2.3. Они построены при нескольких относительных площадях сопла Q и фиксированных коэффициентах сопротивления: сопла \з = 0,06; входного участка камеры смешения з = 0,1; смесительной камеры и диффузора $5 = 0,18. Видно, что с увеличением коэффициента эжекции относительный напор h снижается вплоть до нуля при достижении максимальной величины а. Закономерности изменения относительных скоростей потоков жидкости в проточной части аппарата при прежних значениях коэффициентов потерь 13, &з з5 элементах проточной части приведены на рис. 2.4, 2.5. Они иллюстрируют в безразмерных координатах переходный процесс, связанный с выходом эжектора на стационарный режим при его внезапном нагружении некоторым относительным напором. Относительный напор h = 0,08 принят удовлетворяющим всему диапазону значений геометрического параметра Q на основании статической характеристики аппарата, представленной выше. Сопоставляя графики, видим, что по истечении переходного процесса относительные скорости активного, пассивного и смешанного потоков приближаются к значениям, соответствующим установившемуся режиму работы насоса. Отрицательные значения относительной скорости пассивного потока обусловлены выбросом части жидкости из смесительной камеры в приемную, поскольку на начальной стадии переходного процесса разгон инертной массы в камере смешения и диффузоре отстает от разгона активной жидкости в сопловом устройстве.
Алгоритм расчета и переходный процесс импульсного эжектора
Математические операции, связанные с расчетами по предложенной в диссертации одномерной физико-математической модели нестационарной эжекции выполненные в главах 2, 3, 4 производились с использованием лицензионного программного пакета MathCAD версии 14, установленного на компьютерах вычислительного центра Южно-Уральского государственного университета.
Для расчета по описанным выше уравнениям (3.3), (3.4) и (3.7) в математическом пакете MathCAD был составлен комплекс программ, алгоритмы которых представлены на рис. 3.3, 3.4, 3.5. Каждая программа была написана для решения определенной задачи, а именно: расчет переходного процесса и скоростей потоков в контрольных сечениях проточной части импульсного эжектора (см. рис. 3.3) ; вычисление коэффициента эжекции на установившемся режиме работы (см. рис. 3.4); определение зависимости коэффициента эжекции на установившемся режиме работы от переменного значения одного из исходных параметров (см. рис. 3.5).
Рабочий процесс импульсного эжектора считался установившемся (устойчивым) в том случае если абсолютное отклонение коэффициентов эжекции а за два последних цикла, друг от друга, не превышало 1%.
Общее число рассчитываемых последовательных циклов работы насоса равнялось п и принималось в первом случае (рис. 3.3) равным 20, а в двух других (рис. 3.4 и 3.5) равным 50.
Число шагов интегрирования методом Рунге-Кутта 4-го порядка [25] при расчете систем дифференциальных уравнений импульсной эжекции было принято оптимально равным 10000. Большее число шагов интегрирования проводило к существенному увеличению времени расчета при минимальном повышении точности, а меньшее - к интенсивному росту погрешности расчета.
Скорость потоков жидкости в проточной части импульсного струйного насоса изменяется циклически. При работе аппарата в установившемся режиме эти изменения имеют замкнутый циклический характер, когда скорость потока смеси в выходном сечении смесительной камеры L 4 в конце торможения равна скорости в начале разгона. Наибольшая скорость потока смеси V\ достигается при разгоне.
Численный анализ кинематики потоков в проточной части выполнялся в безразмерных координатах при установившемся режиме работы импульсного эжектора с коэффициентами сопротивления сопла із - 0,06; входного устройства 23 = 0,1; камеры смешения и диффузора 34 + 45 = 0,3 . Исследовалось влияние относительной площади сопла Q, числа Струхаля Sh, отношения инерционных длин сопла и проточной части % и параметра разрывности потока р. При этом для каждого набора параметров Q, %, Sh и р относительный напор h принимался равным 0,125.
Расчеты производились в программном пакете MathCAD по алгоритму, представленному на рис. 3.3. і На рис. 3.8, 3.9, ЗЛО, 3.11 показано влияние на кинематику потоков проточной части импульсного эжектора в течении одного замкнутого рабочего цикла, таких параметров как: относительная площадь сопла Q; число Струхаля Sh; отношение инерционных длин сопла и проточной части струйного насоса % ; относительно времени разгона активного потока 0 . Видно, что относительные скорости изменяются циклически. В фазу открытия канала активного потока (0 0 0Р) происходит истечение активной жидкости из сопла с интенсивным нарастанием скорости (рАЪ. Струя активной среды, оказывая динамическое воздействие на жидкость в смесительной камере и диффузоре, вызывает ее разгон. Вследствие этого скорость суммарного потока щ в выходном сечении смесительной камеры возрастает от начальной р4е=о соответствующей началу фазы разгона (0 = 0), до разгонной (p4\Q=Q в конце фазы разгона (0 = 0Р). Однако нарастание скорости в смесительной камере запаздывает от нарастания скорости на срезе сопла. Это приводит к тому, что в циклах с малой начальной скоростью, например равной нулю, не вся активная жидкость, покинувшая сопло, заполняет камеру смешения. Часть ее через кольцевой канал между соплом и входным устройством камеры смешения устремляется в приемную камеру аппарата. Именно поэтому скорость срт в начале фазы разгона является отрицательной. В фазу торможения (0Р 0 1), т. е. при закрытом канале активного потока движение жидкости в камере смешения и диффузоре происходит по инерции за счет накопленной при разгоне кинетической энергии. В момент перекрытия канала активного потока (0 = 0р) наблюдается резкое (теоретически скачкообразное) нарастание скорости д?ю до наибольшего положительного значения и последующее ее плавное снижение до минимальной величины в конце цикла (0 = 1). Это свидетельствует о том, что в фазу торможения происходит интенсивное втекание пассивной жидкости из приемной камеры в смесительную. Очевидно, рабочие циклы импульсного эжектора следует создавать с таким расчетом, чтобы в конце фазы торможения (0 = 1) скорость втекания пассивной среды (рт 0. При торможении различие между скоростями (рт и щ обусловлены различием площадей живых сечений кольцевого канал А3 — AQ И камеры смешения А?,.
На рис. 3.8 представлено изменение скоростей активного, пассивного и смешанного потоков во времени за один рабочий цикл в концевых сечениях смесительной камеры при различных относительных площадях сопла Q. Прочие параметры потока были приняты постоянными и равными: относительный напор h - 0,125; параметр разрывности потока 0 = 0,3; число Струхаля Sh = 0,01; отношение длин сопла и проточной части насоса % = 20. Сопоставление графиков скоростей в концевых сечениях смесительной камеры показывает, что в фазу разгона с ростом Q интенсивность нарастания относительной скорости активного потока д Аз на срезе сопла возрастает.
Численное моделирование рабочего процесса жидкостного эжектора
В связи с бурным развитием компьютерных технологий и программного обеспечения появилась возможность численного моделирования практически любых трехмерных процессов, происходящих в технических системах, механизм протекания которых ранее был недоступен по причине сложности его математического описания. Одним из подобных процессов является эжектирова-ние жидкости в динамических насосах трения.
Механизм смешения рабочего и пассивного потока, а также процесс энергообмена в рабочей камере жидкостного эжектора являются весьма сложными и поэтому мало изученными. В настоящее время все существующие физико-математические модели, описывающие данный процесс, основаны на данных полученных в результате экспериментальных исследований. Это в свою очередь не позволяет получить полное представление о процессах, происходящих в аппарате на переходных и стационарных режимах работы.
В данном разделе приведены и проанализированы результаты трехмерного моделирования рабочего процесса струйного насоса, включающие его запуск и выход на стационарный режим работы [66]. Моделирование осуществлено при помощи лицензионного программного пакета ANSYS CFX версии 11.0 установленного на компьютерах кафедры системного программирования ЮУрГУ.
С целью апробации 3D модели струйного насоса и определения степени ее адекватности к реальному физическому процессу было проведено сравнительное компьютерное моделирование эксперимента Я. Г. Шапиро [89], опубликованного в статье под названием «Экспериментальное исследование жидкостного эжектора». Рабочий процесс эжектора исследовался путем измерения полей скоростей и давлений потока в различных сечениях камеры смешения. Общая схема экспериментальной установки представлена на рис. 4.5.
Для исследования был выбран водяной эжектор с цилиндрической камерой смешения и со сменными соплами различного выходного сечения. Длина камеры смешения эжектора была равна 20DpK,. Диффузор при испытаниях не ста вился. Исследованию подвергался участок камеры длиной \0DpK. Снятие полей скоростей и давлений производилось трубками Пито, изготовленными из медицинских игл.
В бак постоянного уровня, расположенный на высоте 7 м над осью камеры смешения, вода поступала из водопровода. Постоянство уровня обеспечивалось непрерывным перетеканием воды через переливную трубку. Из бака рабочая жидкость поступала в ресивер, установленный на входе в эжектор. Ресивер, предназначенный для обеспечения симметричного поля скоростей рабочей жидкости относительно оси камеры, был снабжен воздушным колпаком.
Расход рабочей жидкости регулировался краном напора. Давление рабочей жидкости на входе в эжектор измерялось ртутным манометром.
Пассивная жидкость поступала в эжектор из бака постоянного уровня, снабженного также переливной трубкой. Уровень жидкости можно было изменять от 100 до 600 мм над осью камеры смешения, что было необходимо для тарировки магистрали пассивной жидкости. В остальных случаях уровень поддерживался на высоте Н = 515мм.
Обе жидкости, смешавшись в камере смешения, вытекали по трубе диаметром 50 мм в раковину и далее в канализацию. Суммарный расход жидкости измерялся мерным баком, стоявшим на сливе рядом с раковиной. Бак прикрывался специальным лотком, который можно было при измерении расхода быстро отодвинуть, так что вода начинала заполнять мерный бак. Время заполнения бака измерялось секундомером.
Для измерения расхода пассивной жидкости вода в бачок постоянного уровня поступала из стоявшего над ним мерного бака, в который вода подавалась из водопровода. При измерении расхода кран подачи воды в мерный бак закрывался и отмечалось время вытекания 20 л воды. Одновременно измерялось количество воды, вытекавшей за этот промежуток времени через переливную трубку; для этой цели пользовались стоявшими рядом весами.
Краном, установленным в трубопроводе, по которому пассивная жидкость перетекала из мерного бака в бак постоянного уровня, можно было легко регулировать подачу пассивной жидкости, т. е. количество воды, вытекшее через переливную трубку; обычно поддерживалась тонкая струйка воды.
