Вы здесь

Удосконалювання енергетичних характеристик струминних нагнітачів.

Автор: 
Роговий Андрій Сергійович
Тип работы: 
Дис. канд. наук
Год: 
2007
Артикул:
3407U002908
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

РАЗДЕЛ 2
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В
СТРУЙНО-ВИХРЕВЫХ НАСОСАХ
2.1. Математическое моделирование течения жидкости и твердых частиц в центральной области вихревой камеры струйно-вихревого насоса
Расчеты на математических моделях процессов, происходящих в вихревых камерах различных струйных устройств, позволяют сократить время и материальные затраты; которые необходимы для создания новых и усовершенствования старых методик расчета струйных аппаратов. Поэтому математическое моделирование является одной из важнейших и актуальных задач исследования и усовершенствования характеристик струйных устройств [31, 58, 88, 126].
Характерными особенностями струйно-вихревых насосов, является их работа при высоких числах Рейнольдса с такими значениями давлениями жидкости или числах Маха для газов, при которых течение жидкости является развитым турбулентным, но в тоже время скорость течения достаточно низкая такая, что можно считать рабочую среду несжимаемой.
Анализ публикаций других авторов, посвященных проблемам математического моделирования процессов, происходящих в вихревых камерах, показывает необходимость моделирования гидродинамических процессов при закрученных течениях в вихревой камере с использованием дополнительных моделей. Однако, нельзя пренебрегать возможностью моделирования и нахождения решений на более простых аналитических моделях. Воспользуемся для моделирования основными гидродинамическими подходами к моделированию течений, сформулированными в [32, 58, 88], в вихревых камерах, чтобы получить соответствующие математические модели.
Наиболее общей моделью течения в камере является модель основанная на уравнениях Навье-Стокса, которые являются нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных второго порядка [37, 91]. На данный момент они являются самыми сложными для решения уравнениями гидроаэродинамики. Записанные в наиболее компактной форме, без учета массовых сил, вместе с уравнением неразрывности имеют вид:
(2.1)
где - плотность среды; - вектор актуальной скорости потока в данной точке пространства; - время; - тензор напряжений; - тензор относительных скоростей деформаций; - гидродинамическое давление в вязкой движущейся жидкости; - тензорная единица; - динамическая вязкость; индексы , .
Система уравнений (2.1) описывает как ламинарное течение жидкости, так и турбулентное.
Теоретическое решение системы (2.1) ограничено наиболее простыми течениями, а большинство расчетов случаев, наиболее часто встречающихся на практике - развитое турбулентное течение, возможно выполнить только с помощью численных методов [3, 30, 31, 44, 58, 65, 104, 126]. Решение этой задачи является сложным с точки зрения гидродинамики и мощностей вычислительной техники.
Как было сказано в разделе 1 данного исследования, путем совершенствования энергетических характеристик струйных нагнетателей, является поиск новых эффективных принципов передачи энергии и соответствующих технических решений в конструировании нагнетателей струйного типа, которыми являются струйно-вихревые насосы (НСВ).
В основу данной работы поставлена задача исследования и совершенствования характеристик струйно-вихревого насоса (рис.2.1). В отличие, от устройства, предложенного в работе [113], в конструкции НСВ тангенциальные каналы входа и выхода из вихревой камеры расположены соосно, а осевой канал, через который всасывается перекачиваемая среда, расположен в верхней крышке. Это дает возможность наиболее полно использовать кинетическую энергию основного потока и не препятствовать течению в выходном отверстии дополнительным патрубком, т.к. это снижает эффективность устройства.

Рис.2.1. Схема струйно-вихревого насоса
Устройство работает следующим образом: основной поток с объемным расходом и давлением подается через тангенциальный канал входа в вихревую камеру смешения и выходит из нее через осевой канал с объемным расходом и давлением . Рабочий поток, смешавшись с перекачиваемым потоком с расходом и давлением и соответственно, поступает в тангенциальный канал выхода с объемным расходом и давлением . Основным недостатком данной конструкции струйного насоса являются потери через осевой канал выхода.
Основными параметрами, характеризующими качество струйных насосов являются: коэффициент полезного действия насоса, давление, создаваемое насосом и величина потерь (объемных утечек) .
Основной идеей создания НСВ, является использование разрежения на оси вихревой камеры и избыточного давления на периферии. Таким образом, энергия несущего потока передается перекачиваемому потоку не только за счет обмена количеством движения между потоками, как в прямоточных струйных насосах, но и используется потенциальная энергии вращающегося потока и избыточное давление на периферии вихревой камеры, т.е. за счет действия центробежных сил. Поэтому показатели эффективности работы устройства, могут быть выше, чем у известных конструкций нагнетателей струйного типа.
Упрощенная схема НСВ представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Принципиальная схема струйно-вихревого насоса
С целью однозначности, для расчетов математической модели выберем следующую расчетную схему вихревой камеры - рис. 2.3, она является обобщенной для всех гидродинамических подходов, использованных в данной диссертационной работе.

Рис. 2.3. Расчетная схема течения в НСВ (1, 2, 3 - траектории движения твердых частиц в НСВ)
Области вихревой камеры, показанные на рис. 2.3: I - область пограничных слоев на боковой стенке камеры; II - область формирования течения; III - центральная область; IV - область пограничных слоев на торцевых крышках камеры; V - область истечения; VI - область смешения с питающим потоком; VII - область приемного канала.
В настоящей работе при моделировании течения твердой частицы в вихревой камере струйно-вихревого насоса был использован метод наложения движения изолированной твердой частицы на зара