Особливості гідродинаміки робочого процесу теплогенеруючих агрегатів

Сумський державний університет

Особливості гідродинаміки робочого процесу теплогенеруючих агрегатів

Волков М.І., д-р техн. наук, проф.;

Папченко А.А., асп.

Для ряду технологічних процесів існує вузькофункціональне обладнання для виконання лише однієї операції або її частини, що призводить до складності технологічних ліній та негативно позначається на їх вартості. За таких умов економічно обґрунтованим є комбінування необхідних процесів у межах однієї машини. Методики розрахунку багатофункціональних агрегатів, методи прогнозування їх робочих характеристик суттєво ускладнюються і можуть бути отримані лише на підставі ґрунтовних досліджень робочого процесу таких машин.

Для ряду технологічних напрямків, які характеризуються підігрівом робочого середовища як багатофункціонального обладнання може бути використаний теплогенеруючий агрегат (ТГА). ТГА - машина гідродинамічного принципу дії, яка перш за все призначена для перетворення механічної енергії ротора в теплову енергію робочого середовища. Для машин такого типу показник ККД не є визначальним, тому що ті чи інші процеси, які відбуваються при роботі машини, в кінцевому підсумку призводять до розігрівання робочого середовища. Так для ТГА існує можливість комбінування в одному агрегаті таких процесів [1]:

перекачування робочого середовища - у випадку, коли машина працює по замкненому циклу, вся енергія рідини розсіюється та перетворюється в теплову енергію середовища;

перемішування - механічна енергія, що підводиться, використовується для перемішування та забезпечення однорідності суміші, але за рахунок в'язкісного тертя рідини призводить до розігріву робочого середовища;

подрібнення компонентів - енергія, яка витрачається на руйнування твердих включень (сільськогосподарські культури, тощо), також призводить до розігрівання твердих частинок та робочого середовища в цілому.

Розроблення ефективного технологічного обладнання на базі ТГА потребує глибокого вивчення робочого процесу такої машини.

Основною особливістю конструкції ТГА (рис.1) є розміщення робочого колеса 1 між двома статорними колесами 2. Робоче колесо (рис.2) являє собою втулку з плоскими рад іальними лопатями і кріпиться на роторі 3 за допомогою шпонкового з'єднання. Статорне колесо нерухомо кріпиться у корпусі 4 і являє собою бандаж із плоскими радіальними лопатками.

Враховуючи складність робочого процесу ТГА, для попереднього аналізу була взята розрахункова схема [2], яка базується на обертанні з постійною частотою плоскої радіальної пластини в нерухомому рідкому середовищі. Для зазначеної моделі величина потужності, яка споживається робочим колесом, може бути визначена так:

,

де - густина середовища, кг/м3;

n- частота обертання ротора, об/хв;

b - ширина лопатей робочого колеса, м;

- радіус лопатей робочого колеса, м;

- радіус втулки робочого колеса, м;

i- кількість лопатей робочого колеса;

k- кількість робочих коліс на роторі ТГА.

Рисунок 1 - Теплогенеруючий агрегат

Рисунок 2 - Робоче колесо

Слід відзначити, що наведена розрахункова схема не відображає повною мірою впливу всіх параметрів на енергетичну характеристику агрегату і додатково потребує уточнення впливу:

кількості дискретно розміщених лопатей на робочому колесі;

кількості та ширини лопаток статорних коліс;

величини зазору між робочим та статорними колесами;

твердих включень, що подрібнюються у робочому середовищі;

витрати рідини через проточну частину агрегату.

Подальше дослідження робочого процесу ТГА проводилося розрахунковим способом з використанням програмного комплексу FlowVision [3, 4, 5].

Процес розрахунку течії рідини в проточній частині ТГА складається з декількох етапів:

побудова області розрахунку в САПР та її імпортування в FlowVision;

задання математичної моделі;

задання граничних умов;

задання початкової розрахункової сітки та критеріїв її адаптації з розв'язання та граничних умов;

проведення розрахунку;

перегляд та аналіз результатів розрахунку.

Під областю розрахунку розуміється об'єм, в якому визначені рівняння математичної моделі. При розрахунку проточної частини ТГА має місце внутрішня течія (течія, що обмежена твердими поверхнями).

Для геометричної побудови області розрахунку використовується система автоматичного проектування SolidWorks, в якій окремо створюються просторові області, що відповідають об'єму рідини в кожному елементі проточної частини. Після цього окремі елементи складаються між собою, і файл складання імпортується в FlowVision. На рис. 3 наведена геометрія розрахункових областей, що відповідають об'єму, який займає рідина в робочому (а) та статорному (б) колесах.

Рисунок 3 - Розрахункова область FlowVision, що відображає рідину в об'ємі робочого колеса (а) та статорного колеса (б)

Розв'язання поставлених задач за допомогою FlowVision потребує вибору моделі течії рідини в проточній частині. Для моделювання робочого процесу ТГА вибрано модель нестисливої рідини, що використовується при течії рідини з великими числами Рейнольда та незначними змінами її густини.

При визначенні вихідних даних для моделювання робочого процесу ТГА використовувалися такі граничні умови:

вільний вихід - цей тип граничних умов використовується для поверхонь, через які рідина надходить до проточної частини чи виходить з неї. Враховуючи те що у більшості випадків рідина циркулює в корпусі ТГА, то величиною перепаду тиску між виходом з проточної частини та входом у неї можна знехтувати:

стінка - цей тип граничних умов використовується для поверхонь, які є твердими нерухомими поверхнями проточної частина агрегату. При цьому задається значення величини шорсткості поверхні;

поверхня, що обертається, - використовується для визначення поверхонь, для яких характерне обертання в нерухомій системі координат;

поверхня інтерфейсу - використовується для визначення поверхонь, по яких взаємодіють між собою статорні та роторні підобласті. Як правило, цей тип поверхонь розміщений посередині зазору між роторними та статорними деталями.

FlowVision використовує прямокутну адаптивну локально подрібнену сітку для розв'язання рівнянь математичної моделі. Можливість адаптації сітки дозволяє враховувати малі деталі геометрії розрахункової області та високі градієнти величин, що обчислюються. Сутність адаптації сітки полягає у визначенні підобластей з особливостями геометрії або течії, в яких потрібно провести розрахунок на більш дрібній, ніж вихідна, сітці. При цьому розрахункова комірка, в яку потрапила виділена область, ділиться на 8 рівних частинок.

Метод підсіточного розв'язання геометрії використовується для апроксимації криволінійних поверхонь на прямокутній сітці. Комірки, через які проходить поверхня, діляться на декілька частинок. При цьому вони втрачають свою початкову форму паралелепіпеда і перетворюються в багатогранники. Рівняння математичної моделі апроксимуються для цих багатогранників без припущень, що дозволяє розраховувати течії на грубій сітці з необхідною точністю.

Починаючи з вихідних даних, відбувається поетапне розв'язання рівнянь вибраних моделей. Процес розрахунку відбувається без участі користувача, але може супроводжуватися візуалізацією картин течії в проточній частині. Це дозволяє спостерігати за процесом розрахунку.

Програмний комплекс FlowVision має постпроцесор, який дозволяє у вибраній користувачем формі виводити результати розрахунку. Це досягається шляхом використання спеціальних шарів візуалізації:

статистичних слоїв (двовимірний графік, графік вздовж кривої, графік вздовж кола, характеристики, вектори, ізолінії, заливка, ізоповерхня);

шарів з анімацією (спалахи, група частинок).

Також існує можливість запису результатів розрахунку у файл з метою подальшої обробки.

Рисунок 4 - Розподіл тиску в перерізі, що проходить через середину ширини лопаті робочого колеса

Рисунок 5 - Поле відносних швидкостей в перерізі, що проходить через середину лопаті робочого колеса

На рис. 4 наведене поле тиску в перерізі, що проходить через середину ширини лопаті робочого колеса. Слід відзначити, що при обертанні роторного колеса на робочій поверхні лопаті має місце підвищення тиску. При цьому величина тиску збільшується зі збільшенням радіуса лопаті. У той самий час на тильному боці лопаті має місце область зниженого тиску.

На рис. 5 наведене поле відносних швидкостей рідини в робочому колесі. Слід зазначити, що вектори відносної швидкості мають майже радіальний напрямок, але на периферії робочого колеса відбувається зміна напрямку відносного руху рідини в бік, протилежний напрямку обертання робочого колеса, що зумовлює перетікання рідини у міжлопатевому просторі.

На рис. 6 наведене поле швидкостей у повздовжньому перерізі проточної частини. Характерною особливістю є наявність двох тороподібних вихорів. При цьому центри цих вихорів зміщені у напрямку статорних коліс. Рідина рухається від центра робочого колеса до його периферії, де виходить в міжлопатевий простір статорного колеса, змінює напрям і рухається до центра робочого колеса.

Рисунок 6 - Поле швидкостей в перерізі, що проходить уздовж осі обертання

Аналіз руху рідини в міжлопатевому просторі статорного колеса (рис.7) свідчить про наявність характерних вихорових структур.

Аналізуючи рис. 6 та 7, можна зробити висновок, що у проточній частині ТГА має місце складна просторова течія. Рух рідини в тороподібних вихорах здебільшого має спіралеподібний характер.

Крім картин течії, під час розрахунку проточної частини також були отримані інтегральні характеристики, які дають можливість оцінити вплив окремих параметрів на робочий процес та енергетичну характеристику в цілому.

Як один із інтегральних показників під час розрахунку визначався момент опору на робочому колесі (РК).

Рисунок 7 - Поле швидкостей в перерізі, що проходить через середину статорних коліс

Результати отримані для проточної частини з такими параметрами:

діаметр РК - 340 мм;

ширина роторних і статорних лопатей - 75 мм;

діаметр втулки РК - 70 мм;

зазор між статорним та роторним колесами - 10 мм;

кількість лопаток статорного колеса - 8;

кількість лопатей РК змінювалася від 1 до 16.

На рис. 8 наведена залежність моменту опору на робочому колесі від кількості лопатей. Із графіка бачимо, що оптимальною є кількістю лопатей 6-10. Збільшення числа лопатей від 10 до 16 призводить до зменшення моменту опору. Такі результати обумовлені дискретним розміщенням та взаємним впливом лопатей робочого колеса. Але особливістю роботи РК з кількістю лопатей більше 8 є зменшення пульсацій величини моменту опору, які відбуваються при проходженні лопатей роторного колеса над лопатками статора. Значне відхилення результатів розрахунку для РК з однією лопатею обумовлене значним дисбалансом сил відносно восі обертання. Використання робочих коліс з такою кількістю лопатей не є практично значущим.

Рисунок 8 - Залежність моменту на робочому колесі від кількості лопатей

Також були отримані результати щодо впливу кількості лопатей статорних коліс на енергетичну характеристику ТГА. На рис. 9 наведена залежність моменту опору на робочому колесі від кількості лопаток статорного колеса. Результати отримані для проточної частини з вищезазначеними параметрами (кількість лопатей на робочому колесі становила 8).

Рисунок 9 - Залежність моменту опору від загальної кількості лопаток на статорному колесі

Оптимальною кількістю лопаток статорного колеса є 4 - 8. Але слід зауважити, що вибір кількості лопаток статорного колеса треба виконувати з урахуванням загальної кількості лопатей робочого колеса з метою зменшення ймовірності резонансних явищ і, як наслідок, амплітуди коливань величини моменту опору на робочому колесі.

Розрахункова залежність величини моменту опору на робочому колесі від ширини лопатей РК (рис. 10) підтверджує лінійну залежність між вищезазначеними параметрами.

Рисунок 10 - Залежність моменту опору на робочому колесі від ширини лопатей робочого колеса

Таким чином, дослідження робочого процесу ТГА за допомогою FlowVision дає можливість виконати візуалізацію течії та визначити механізм впливу окремих параметрів на енергетичну характеристику агрегату.

Список літератури

1. Волков Н.И., Папченко А.А. Многофункциональный теплогенерирующий агрегат и его использование для приготовления кормовых смесей в сельскохозяйственных предприятиях// Всеукраїнський науково-технічний журнал “Промислова гідравліка і пневматика”. - Вінниця, 2004. - №1(3). - С. 99-102.

2. Волков М.І. Розрахунок параметрів теплового апарату теплоакумулюючого вітроагрегату/ Вестник НТУУ «КПИ»: Машиностроение. - К. _ 1999. - Вып. 34. - С. 3-6.

3. Кочевский А.Н., Неня В.Г. Современный подход к моделированию и расчету течений жидкости в лопастных гидромашинах // Вісник СумДУ. - 2003. - №13 (59). - С. 195-210.

4. Аксенов А.А., Гудзовский А.В. Программный комплекс FlowVision для решения задач аэродинамики и тепломассопереноса методами численного моделирования // Третий съезд Ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике (АВОК). _ 22-25 сент. - 1993. - Москва: Сб. докладов. - С. 114-119.

5. Кочевский А.Н. Расчет внутренних течений жидкости в каналах с помощью программного продукта FlowVision // Вісник СумДУ. - Суми, 2004. - № 2 (61). - С. 25-36.