Курсовая работа: Аэродинамика циклонной камеры

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: .

Общее сопротивление циклонной камеры оценивается по суммарному коэффициенту сопротивлению x. Введение этого коэффициента 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 . С помощью него можно определить затраты энергии на создание определенного уровня вращательных скоростей в устройстве. Фактически он определяет аэродинамическую эффективность циклонной камеры.

2. Влияние основных конструктивных и режимных характеристик на аэродинамику циклонной камеры

Особенно сильное влияние на аэродинамику циклонной камеры оказывает диаметр выходного отверстия. Уменьшение приводит к росту величины , значения статистического давления на боковой поверхности камеры Рс.ст., уменьшению характерного радиуса и других характеристик радиусов ядра потока. При этом наблюдается существенная перестройка профилей и . В то же время влияние 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.

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 .

Распределенность шлицев по периметру камеры (увеличение а) способствует повышению осевой симметрии потока в ядре и равномерности распределения скоростей в периферийной зоне. Относительная длина камеры оказывает влияние, как на структуру, так и на общие аэродинамические характеристики потока. При росте несколько увеличивается радиальная протяженность пристенной зоны течения.

Повышение шероховатости поверхности рабочего объема циклонной камеры приводит к снижению уровня вращательных скоростей, уменьшению сопротивления камеры. 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.

Трение потока о стенки 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. Коэффициент кинематической вязкости потока при входных условиях приводит к снижению коэффициента трения и, следовательно, к снижению тормозящего действия внутренней поверхности рабочего объема. Так как сопротивление формы не зависит от числа Рейнольдса, то и сопротивление циклонной камеры в этом случае не зависит от . Течение потока становится автомодельным. В общем изменение суммарного коэффициента сопротивления камеры с увеличением числа можно представить следующим образом: при ламинарном режиме течения, если он возможен, x, вероятно, будет увеличиваться и достигнет максимума при критическом значении числа Рейнольдса, в переходном режиме x убывает, при турбулентном промежуточном режиме, в отличие от двух предыдущих, характер изменения x начинает существенно меняться от относительной шероховатости поверхности рабочего объема, и, в зависимости от величины d, может иметь место и падение, и увеличение x; в режиме развитой шероховатости суммарный коэффициент сопротивления не меняется.

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 потока.

3. Описание экспериментального стенда и методики измерений

Основным элементом стенда является модель циклонной камеры 10, выполненная из оргстекла. Размеры рабочего объема камеры: диаметр Dк=2R_к =310 мм, длина L_к =1,55. Ввод воздуха в камеру производится двумя расположенными тангенциально к внутренней поверхности рабочего объема входными каналами (шлицами) прямоугольной формы длиной ℓ_вх =257 мм и высотой h_вх = 24 мм из раздаточного короба-ресcивера 9. Отвод газа из камеры осуществляется через плоский торец с круглым осесимметричным выходным отверстием, безразмерный диаметр которого _вых можно варьировать в диапазоне значений от 0,2 до 0,6.

В качестве дутьевого устройства 2 используется воздуходувка. Измерение расхода воздуха через установку производят методом снятия поля скоростей пневмометрическим насадком 6 в мерном сечении подводящего трубопровода 5.

Температура воздуха, подаваемого в циклонную камеру, измеряют ртутными лабораторными термометрами 4, 7, установленными в гильзах в начале измерительного участка трубопровода и непосредственно перед циклонной камерой.

Отбор статистического давления во входных каналах и на боковой поверхности модели осуществляется через дренажные отверстия диаметром 0,7 мм. В качестве измерительного прибора используется дифференциальный водяной манометр 14, соединяемый с соответствующими точками отбора давления переключателем 15.

В объеме камеры производится снятие распределений скоростей и давлений в одном или нескольких сечениях в качестве пневмометрического насадка 12 используется трехканальный цилиндрический зонд с диаметром приемной части 2,6 мм (рисунок 4). Как показывают тарировочные опыты, введение измерительного насадка в рабочий объем модели не вносит существенных возмущений в поток. Перемещение зонда в измерительном сечении и его аэродинамическая ориентировка в потоке по показаниям микроманометра производятся координатником с ручным приводом конструкции ЛПИ им. М.И. Калинина. Координатник крепится специальным зажимами к каретке, которую можно перемещать. Пуск экспериментального стенда производится путем включения воздуходувки с электрощита управления при закрытой заслонке на воздухопроводе.

Трехканальные цилиндрические зонды применяются для исследования практически плоского потока. Приближенно циклонный поток в пределах его ядра можно рассматривать как плоский. Насадок 3 имеет три отверстия диаметром 0,3–0,4 мм, находящиеся на его боковой поверхности в одной плоскости, перпендикулярной оси зонда, на определенном (не менее 2d) расстоянии от торца. Боковые отверстия по отношению к центральному располагаются симметрично, причем угол между их осями должен составлять . Пуск экспериментального стенда производится путем включения воздуходувки с электрощита управления при закрытой заслонке 3 (рисунок 1) на воздухопроводе.

Прежде чем приступить к производству замеров, необходимо вывести установку на стационарный режим. Для этого обычно требуется 30–40 мин. Убедившись в достижении стационарного режима, приступают к проведению эксперимента.

По дифференциальному водяному манометру 1 (рисунок 4) отсчитывают перепад давления А₁ между центральным и одним из боковых отверстий, пропорциональный напору в данной точке потока, а по дифманометру 2 (рисунок 4) – полный напор А₂ . Угол скоса поток φ определяют по лимбу координатника с ценой деления 1^0. Полученные данные позволяют определить полную скорость потока и ее тангенциальную (вращательную) и осевую составляющие, а так же статическое давление.

При необходимости исследования пространственного трехмерного потока обычно применяют шаровые зонды. Приемная часть зонда имеет вид сферы, в которой имеется пять отверстий отбора давления. Отверстия расположены в двух перпендикулярных друг другу диаметральных плоскостях. Угол между осями центрального и каждого из боковых отверстий составляет 4050⁰ . Все отверстия соединены с измерительными штуцерами импульсными трубками.

Порядок работы с шаровым зондом принципиально ничем не отличается от приведенного выше для цилиндрического. Разница заключается лишь в необходимости дополнительного замера перепада А₃ .

4. Расчет распределений скоростей и давлений в циклонной камере

Избыточное статистическое давление потока в точке замера, мм. вод. ст.:

Плотность воздуха в произвольной точке потока, кг/м³ :

Полная скорость потока в точке замера, м/с: