CC BY
21Выводы
1. Построение меридиальной аналеммы необходимо при проектировании следящих систем, для концентраторов солнечного излучения, где требуется обеспечить высокую точность направления на Солнце.
2. Расчет и построение меридиальной аналемы необходим для выбора оптимального угла наклона солнечных батарей и солнечных коллекторов.
3. Построение меридиальной аналеммы необходимо для определения профиля освещенности. Профиль освещенности определяет радиацию, поступающую на солнечную батарею, которая является функцией времени в течение одного витка на космической орбите, а также зависит от угла между направлением на Солнце и плоскостью расположения солнечной батареи.
Список литературы
1. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер.с англ. -М.: Энергоатомиздат, 1983. - 360с.,ил.
2. Крошкин М.Г. Физико-технические основы космических исследований. - М.: Машиностроение, 1969.
3. Кононович Э.В., Морозов В.И. «Общий курс астрономии» Учебное пособие под ред. В.В. Иванова. Изд. 2-е, испр.М.: Едиториал УРСС, 2004 - 555с.
4. Бахарев Д.В. Методы расчета и нормирования солнечной радиации в градостроительстве. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М. НИИСФ. 1968 - 218 с.
5. Орлова Л.Н. Метод энергетической оценки и регулирования инсоляции на жилых территориях. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., МИСИ. 1985 - 188 с.
6. Оболенский Н.В. Архитектура и Солнце. М.: Стройиздат. 1988 - 208 с.
УДК 662.612-428.4
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНВЕКТИВНОГО ПОТОКА ПРИ ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ПОТОКОМ ЗАКРУЧЕННОГО ГАЗА
Атрощенко С.Ю.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
Теоретически исследовано взаимодействие тепловой гетерогенной струи с потоком закрученного газа и отсосом. Получена модель движения тепловой гетерогенной струи, взаимодействующей с внешним закрученным потоком и спектром всасывания в верхней области. На основании полученных результатов разработан способ локализации и удаления вредностей, в котором предложено локализовать их посредством крутки потока защитного газа, а удаление сварочного аэрозоля производить из образованного конуса вращения.
Конвективная струя, закрученный поток, сварочный аэрозоль, защитный газ.
Введение
Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов становится задачей первостепенной важности в связи с ухудшением экологической ситуации на Украине, вызванной экстенсивным использованием природных богатств. При этом особенно негативные последствия имеют место при загрязнении воздуха сварочными аэрозолями, обладающими практически нулевой скоростью осаждения и влияющие на оптические, метеорологические и другие характеристики атмосферы.
Анализ публикаций
Величина выбросов от сварочных цехов определяется неорганизованными источниками загрязнения, то есть нелокализованной системами вентиляции части вредных веществ, и организованными, величина которых зависит от степени очистки воздуха [4-5]. Недостаточная эффективность средств локализации и удаления образующихся при сварке вредностей, в особенности на нестационарных рабочих местах, вызвана противоречием между необходимостью увеличения объемов удаляемого воздуха для достижения санитарно-гигиенических норм и технологическими требованиями к подвижности воздуха в рабочей зоне [2-3].
Цель и постановка задачи исследования
Целью работы является разработка новых способов и средства локализации, удаления воздуха от нестационарных мест сварки в защитном газе для решения проблемы снижения выбросов вредных веществ в окружающую среду и улучшение условий труда.
Для достижения цели решалась задача теоретического исследования взаимодействия тепловой гетерогенной струи, возникающей в месте сварки, с потоком закрученного газа и отсосом, и на основании полученных результатов разрабатывался способ локализации и удаления вредностей.
Методика исследования
Математическое описание взаимодействия тепловой гетерогенной струи, возникающей при сварке, с отсосом и кольцевым закрученным потоком защитного газа производилось раздельно, согласно ранее выбранного алгоритма.
Так описание тепловой струи со свободной границей возможно на основании законов сохранения массы, импульса и энергии, каноническая форма записи которых в переменных Эйлера имеет вид [ 1]:
Закон сохранения массы
др ® ®
-д- + Ж Ур + рУЖ = 0 (1)
Закон сохранения импульса
д Ж ® ® р(— + ж (У Ж)) + УР = 0 (2)
Закон сохранения энергии
дЕ ®
^ + У(Ж (Р + Е)) = 0 , (3)
где Е - удельная суммарная энергия среды;
Ж - вектор завихренности среды, определяемый как:
Ж = У V, (4)
где V - вектор скорости точки среды;
I - текущий момент времени;
р - плотность среды;
Р - тензор полного давления;
Уравнения записаны в векторной форме с использованием известного оператора поля - У - гамильтониана.
При составлении указанного описания процесса использован ряд допущений, достаточно обоснованных в [1-3] при решении задач механики сложных многофазных сред:
- размеры дисперсных частиц и расстояние между ними можно считать малыми по сравнению с характерными линейными размерами течений;
- столкновение, дробление и коагуляция частиц в дисперсной фазе отсутствует;
- теплопроводность и вязкость чистых фаз не учитывается, их учет производится только лишь в процессе межфазного взаимодействия.
Учитывая вышеизложенное, принято ,что средняя скорость втекания, или подсасывания на границе тепловой струи пропорциональна средней местной вертикальной скорости в случае развитого течения, достигшего равновесного состояния [2]. Тогда, согласно [1] уравнения сохранения массы, движения и выталкивающей силы представляются в следующем виде:
¿(Я2 V) 2 - _
—-- = 2-а Я
йх
й(Я2 -V2) 02 „ Ар
= Яz -§-
йх Ра (5)
Я2-g. Ар-V = А + Л
Ра X
Решение этих уравнений было получено Д.Тернером [1]:
Я 6Л
Я = — а - х 5
5 АЛ , (6)
V = - а - (0.9-а-А)1/3 х "1/3
6
где: Я - радиус тепловой струи на высоте х, м;
Ар- разность плотностей между окружающей тепловую струю средой и самой струи,
кг/м3;
Л
а - коэффициент подсасывания воздуха в тепловую струю;
V - вертикальная скорость тепловой струи, м/с, определяемая в первом приближении по выражению [3]:
V=р-Я2/ьуд , (7)
/г силовое взаимодействие между фазами, возникающее при обтекании частиц потоком газа в их относительном движении:
Л = /ш + /а + Л , (8)
где /ш- сила вязкостного трения; /а - архимедова сила; /- сила присоединенной массы.
Эти составляющие были рассчитаны по следующим зависимостям [1-3]:
. р 2 /ш = Сир -а 2
,2 Р2 «2 Ш12 2 «12
2 Р а3 Р (йУ1 + 3 й2а Ш й2V2)
Гра ^^ + а' , (9)
г 4 3 Ж Л
/ш = Т р -а ■Р2(-Л^ - § ) 3 т
где Си - коэффициент сопротивления частицы, вычисляемый по эмпирической зависимости [3]:
24 4
Ст = (--+ 0.4К
^12 -7Ке12 , (10)
Яе12 = 2а • р2 • ю12 / т1
у - коэффициент, учит
[3]:
Уа - коэффициент, учитывающий неодиночность частиц, определяемый по формуле
У а = (1 - а2) ~М ; т » 5, (11)
а - радиус частицы, м;
а - объемная концентрация 1-й фазы, мг/м ;
а12 - радиальная скорость частицы на межфазной границе, м/с;
Ж12 - скорость относительного макроскопического движения фаз, м/с.
л
Для определения а , пропорционального полууголу раскрытия струи, требовалось найти полюсное расстояние тепловой струи Zn, которое определялось по формуле [6]:
= 1.33(Р)3 • (К)8, (12)
р К
где / - площадь источника тепла, м;
р - площадь горизонтальной поверхности, с которой происходит подсасывание воздуха в тепловую струю, м2;
Н - длина вылета электродной проволоки, м;
К - расход удаляемого воздуха, м3/ч;
Ко=20 м /ч - по данным [6].
Зная линейный размер источника тепла и полюсное расстояние Zn, можно определить угол раскрытия струи при принятом расходе удаляемого воздуха.
Учитывая, что удаление вредностей происходит из образованного защитным газом конуса вращения, и в нем, по данным [1], существует линия нулевых скоростей, ограничивающая внутренний конус, в котором вертикальная скорость направлена вверх, то есть совпадает с направлением тепловой струи, можно предположить, что для максимального использования энергии защитного газа и полного удаления сварочного аэрозоля, угол раскрытия тепловой струи должен быть равен углу наклона линии нулевых скоростей. Коэффициент подсасывания при этом определяется выражением [3]:
л
а = (0,32 + 0,85*) • (* + 2и)/ Ястр, (13)
где 5 - параметр крутки потока, определяемый по формуле [3]:
2 • (1 - (7 )3)
5 =-71 . (14)
3 • (1 - (%2) • 1 '
7
где ф - угол наклона лопаток завихрителя.
При расчете полей скоростей тепловой струи возникает необходимость получения данных о составе и термодинамических свойствах химически реагирующей гетерогенной смеси.
Учитывая, что в данном случае модель качественная, а результаты состава продуктов горения применяются только при расчете плотностей, были использованы данные работы [2, 6].
Термодинамические характеристики результирующего потока представлены в табл.1.
Таблица!
Термодинамические характеристики конвективного гетерогенного потока
Характеристика среды Коэф. разбавления Т, ° К М, кг/ч P, 3 кг/м ь, кДж/кг С, кДж/кгК
На выходе из дуги 2000 43,85 0,358 2970 1,038
В отсосе, после 0,3 1500 38,2 0,394 2013 1,46
разбавления в 1,0 1000 34,65 0,454 1410 1,297
количестве 10,0 500 29,66 0,71 773 1,182
На входе в сопло
отсоса — 301 27,19 0,91 620 1,01
Для получения результирующей вертикальной скорости, складывающейся из скорости в тепловой струе, скорости всасывания и вертикальной составляющей скорости защитного газа, необходимо получить поле скоростей закрученного потока защитного газа.
Этот расчет возможно выполнить, приняв поток защитного газа как идеальный газ, используя основное уравнение винтового движения жидкости в конусе со сферическим основанием, решение которого было получено С. А. Бостонджияном [8].
Третья составляющая результирующей скорости - скорость всасывания определялась из выражения [3]:
V=V(1 - ХК^)' С5>
где Vo- скорость потока во входном сечении, м/с;
й - диаметр входного отверстия, м;
х - расстояние от рассматриваемого до входного сечений, м.
Для выполнения расчетов исследуемая область была ограничена линией нулевых скоростей образованного защитным газом конуса вращения.
Результаты исследований и их анализ
При расчете последовательно варьировались:
33
- расход удаляемого воздуха, который изменялся от 10 м /ч до 100 м /ч;
- отношение диаметров сопла подачи защитного газа и отсоса (йг /йо = 1,05-1,3);
- степень крутки потока (5=0,195-0,926).
Так график изменения осевой результирующей скорости (рис.1) показал ее снижение при увеличении объема удаляемого воздуха, что объясняется перетоком защитного газа непосредственно в сопло отсоса и, соответственно, уменьшением границы его распространения.
Анализ изменения полей скоростей результирующего потока от Я/й показал, что профили скоростей одинаковы при различных соотношениях Ьо/Ьз.г., но с увеличением последнего происходит уменьшение относительной скорости Vx/Vo, а при Ьо/Ьз.г. более 83,3 результирующая скорость на границе тепловой струи принимает отрицательное значение, что свидетельствует о том, что тепловая струя не "вписывается" в конус вращения, образованный потоком защитного газа и начинается захват им выделяющихся вредностей. Наиболее оптимальным является значение Ьо/Ьз.г.=66,7, при котором внешняя граница тепловой струи приближается к границе нулевых вертикальных скоростей закрученного потока защитного газа.
Рис.1. Зависимость скорости в поперечном сечении при Ьо/Ьзг=66,7
Выводы
1. На основании анализа существующих способов удаления вредных веществ при сварке предложено локализовать их посредством крутки потока защитногогаза, а удаление производить из образованного таким образом конуса вращения.
2. Результаты качественного моделирования показали, что при соотношении объемов удаляемого воздуха и защитного газа 66,7 внешняя граница тепловой струи приближена к границе нулевых скоростей закрученного потока защитного газа,а при Ьо/Ьз.г.
более 83,3 тепловая струя начинает захватываться потоком защитного газа.
3. На основании полученных результатов теоретических исследований разработан способ удаления вредностей при сварке в среде защитных газов.
Список литературы
1. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки./Гупта А.,Лилли Д.,Сайред Н.:пер.с англ.-М.:Мир,1987,- 588 с.
2. Ивенский В.Г. Использование воздушных вихрей для активирования открытых местных отсосов //Сб.НС "Теплоснабжение и вентиляция агропромышленного комплекса".-Ростов-на-Дону: РИСИ, 1988, С. 85-92.
3. Кузьмин М.С.,Овчинников П.А.Вытяжные и воздухораспределительные устройства. -М.: Стройиздат,1987,-168 с.
4. Писоренко В.Л.,Рогинский М.Л. Вентиляция рабочих мест в сварочном производстве.-М.: Машиностроение,1981,-120 с.
5. Посохин В.П.,Подольский А.Г. Экспериментальная проверка методов наложения,используемых при анализе взаимодействия спектра всасывания с приточной струей //Водоснабжение и санитарная техника.-М.: 1974, -№1,-С.23-25.
6. РД.0237631.016-86. Методичекие указания по проектированию отопления и вентиляции сборочно-сварочных цехов предприятий минсельхозмаша. -Одесса: СПКИ,1986,-146 с.
7. А.с. №1812024. В 23 К 9/173. Способ удаления вредностей при полуавтоматической сварке в защитном газе. ОИСИ. Стоянов Н.И., Зайцев О.Н., Бандуркин С.К., Семенов С.В., заявл.02.01.91.бюл.38,-3 с.
8. Бостанджиян С. А. Однородное винтовое движение жидкости в конусе с диафрагмой // Изв.АН СССР МЖГ, 1966, №1, -С.44-50.
