CC BY
23
УДК 621.928.93 +621.733.2 Асламов Александр Анатольевич,
к. т. н., доцент кафедры машин и аппаратов химических производств, Ангарская государственная техническая академия, е-mail: [email protected]
Аршинский Максим Иннокеньевич, к. т. н., оператор ОАО АНХК (НПЗ), е-mail: [email protected]
Асламова Вера Сергеевна, д. т. н., профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности и экология», Иркутский государственный университет путей сообщения, е-mail: [email protected]
Комлева Татьяна Анатольевна, аспирант, Иркутский государственный университет путей сообщения, е-mail: [email protected]
ВРАЩАЮЩИЙСЯ КОЛЬЦЕВОЙ ВИХРЬ В СЕПАРАЦИОННОЙ КАМЕРЕ
ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ
A. A. Aslamov, M. I. Arshinsky, V. S. Aslamova, T. A. ^mleva
ROTATING VORTEX RING IN THE SEPARATING CHAMBER WITH VARIABLE CROSS SECTION
Аннотация. Представлены результаты исследования закрученного потока в прямоточном циклоне, сепа-рационная камера которого имеет переменное сечение за счет наличия в ней вытеснителя центрального вихря. Были испытаны два вытеснителя центрального вихря: конической формы и профилированной. Профилированный вытеснитель имел наименьшее сечение, расположенное в зоне промежуточного отбора пыли, что обеспечивало снижение скорости закрученного потока в этой области и способствовало уменьшению уноса уже осевших на стенке частиц пыли. Экспериментальные профили угла наклона вектора полной скорости для конического или профилированного внутреннего вытеснителя аппроксимированы кубическими полиномами от безразмерного радиуса. Рассчитаны профили осевой и тангенциальной скорости. Обнаружено, что при коническом вытеснителе в приосевой зоне наблюдается почти стационарный вихрь с углом крутки потока 90 градусов. В этой зоне практически отсутствует перенос потока по оси циклона, и движение носит характер квазитвёрдого вращения. Продольный перенос осуществляется лишь в периферийной части потока. При профилированном вытеснителе в зоне промежуточного отбора угол наклона вектора полной скорости имеет отрицательное значение, что свидетельствует о наличии обратного течения, обусловленного перепадом давлений на поверхностях конфузорной и диффузорной частей профилированного вытеснителя. Перекрёстное вращение основного потока имеет цилиндрическую форму, а пристенное течение с биконическими линиями тока при их закольцованном перетекании друг в друга формирует в самом узком месте сепарационной камеры вращающийся кольцевой вихрь. Предложены технические решение по нейтрализации этого вихря в виде низкопрофильного оребрения, параллельного углу закрутки потока на поверхности конфузора, установки цилиндро-конического рассекателя и перепускного канала.
Ключевые слова: прямоточный циклон, профилированный вытеснитель, вращающийся кольцевой вихрь, поля осевой и тангенциальной скорости, низкопрофильное оребрение, цилиндро-конический рассекатель, перепускной канал.
Abstract. Results of research swirling flow uniflow cyclone separation camera which has a variable cross-section due to the presence of crowding out of the central vortex. Two central vortex supplanter cone-shaped and moulded, were tested. Profiled supplanter had the least cross-section located in the zone of intermediate dust extraction, which ensured a reduction in the speed of swirling flow in this area, which has helped to reduce the entrainment of the dust particles already settled on the wall. The experimental profiles of angle of inclination of the full speed vector for conical or a profiled inner supplanter were approximated with cubic polynomials from the dimensionless radius. Axial and tangential velocity profiles ware calculated. It was_ found that with the insert conical in a near-axial zone there is almost stationary vortex with of the flow twist angle of 90 degrees. In this zone is practically no transfer the flow axis of the cyclone, and the movement is in the nature of quasi-solid rotation. Longitudinal transfer is carried out only in the peripheral part of the stream. In the care of a profiled displacer, in the zone of intermediate selection of the angle of inclination of the vector full speed has a negative value, indicating the presence of the return flow caused by the pressure differential on the surfaces of сontracting and expanding parts ofprofiled supplanter. Cross-rotation of the main thread is cylindrical and a wall during the converging-diverging lines current when connected overflow each other, forms the narrowest place of the separation chamber rotating vortex ring. Proposed technical solution to neutralize this vortex in the form of low-profile fin parallel corner-twist of the flow on the surface of the confuser, installation of the cylinder-conical divider and a bypass channel.
Keywords: direct-flow cyclone, profiled supplanter, rotating ring vortex axial and tangential velocity fields, low-profile fins, cylinder-conical dough divider, bypass channel.
Исследование проводилось в рамках НИОКР сечения» в 2012-2014 гг. на чистом воздухе в пря-№ 0121257743 «Исследование двухфазных закру- моточном циклоне с промежуточным отбором пы-ченных потоков в кольцевом канале переменного ли (ПЦПО) с внутренним диаметром D = 114 мм,
Современные технологии. Математика. Механика и машиностроение
кольцевая сепарационная камера которого имеет переменное сечение, сформированное за счет внутреннего вытеснителя центрального вихря (рис. 1). Испытаны два вытеснителя: конический (К1) и профилированный (К2) с максимальным диаметром 85 мм. Измерения давления и полной скорости проводились по общепринятым стандартам по длине аппарата и радиальному сечению ПЦПО с изменением положения зонда 2 диаметром 3 мм. Полная скорость в закрученном потоке регистрировалась по максимальному показанию и-образного манометра при повороте откалибро-ванной трубки Пито. Поля давления и полной скорости приведены в работе [1].
б
Рис. 1. Конфигурации вытеснителя: а - К1; б - К2. Т1-Т16 - точки отбора
Аппроксимации полей скорости и давлений в ПЦПО в районе промежуточного отбора и в зоне выхлопного патрубка представлены в работе [2]. Обнаружение эффекта обратного течения потока в зоне промежуточного отбора поставило задачу более общего характера - исследование направления движения потока по сечению аппарата. Для этого были измерены углы у, при которых динамический напор достигал максимального значения, то есть углы наклона вектора скорости к радиальной плоскости в разных сечениях циклона на различных безразмерных радиусах
r = 2r/D (рис. 2 и 3).
В конфигурации К1 в приосевой зоне наблюдался почти стационарный вихрь с практически нулевым углом у (угол крутки потока 90 °). В этой зоне практически отсутствует перенос потока по оси циклона, движение носит характер квазитвёрдого вращения. Продольный перенос осуществляется в периферийной части потока с положительными значениями угла у.
Как и ожидалось, при конфигурации К2 в зоне ПО угол у имеет противоположное значение, т. е. отрицательное. Причём по модулю угол направления обратного течения достигает 15 градусов, что свидетельствует о достаточно большой интенсивности этого обратного течения.
В зоне истечения потока в выхлопной патрубок в приосевой части угол у достигал максимума, что согласовывается с физической природой аэродинамических свойств истекающего закрученного потока.
Кубические аппроксимации экспериментальных профилей угла у приведены в соответствующих табл. 1 и 2.
Критерии достоверности аппроксимации: R2 - коэффициент детерминации, DW - критерий Дарбина - Уотсона, среднеквадратическая о и А абсолютная ошибки.
Полученные в работе [1] аппроксимации поля полной скорости и угла у позволяют проанализировать индивидуально осевую и тангенциальную компоненты скорости закрученного потока в циклоне. При этом осевая скорость определяется из соотношения Wz = W sin у, а тангенциальная W% = W cos у . На рис. 4 и 5 представлены профили осевых скоростей в ПЦПО с К1 и К2 соответственно. Анализ осевой скорости подтверждает вывод о преимущественно периферийном транспорте газа через циклон. В конфигурации К1 в приосевой зоне застойный вихрь (нулевая осевая скорость на рис. 4), а в конфигурации К2 - обратное течение (отрицательные значения осевой скорости на рис. 5).
За счет вытеснения части потока комбинированной вставкой и за счёт наличия обратного циркуляционного течения осевая скорость в конфигурации К2 немного выше, чем в конфигурации К1 - в разных точках на 2-3 и вплоть до 7 м/с. Максимума осевая скорость достигает на выходе из циклона у горловины выхлопного патрубка (точки Т15 и Т16).
а
35 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20
11 п ~> п ■г р1 ^ П о :
В /
Рис. 3. Зависимость углов у от безразмерного радиуса Г для К2
Т а б л и ц а 1
Зависимость угла у от Г для ПЦПО с К1
Точка замера Угол крутки, градусы Я2 ОЖ а А
Т7 у = 78 - 441 г + 753,77 Г 2 - 370,39 Г 3 99,9 3,03 0,894 0,480
Т8 у = 66,27 - 340 Г + 545,8 Г2 - 246,9 Г3 99,6 3,12 0,756 0,408
Т9 у = 6,669 - 32,14 Г + 23,35 Г2 + 37,41 Г3 99,1 3,10 1,198 0,555
Т10 у = 1,251 - 8,075 Г - 2,227 Г2 + 42,017 Г3 98,8 2,07 1,120 0,728
Т11 у = 1,251 - 8,075 Г - 2,227 Г2 + 42,017 Г3 98,8 2,07 1,120 0,728
Т12 у = 1,017 - 5,949 Г + 8,619 Г2 + 45,18 Г3 99,4 2,44 0,766 0,396
Т13 у = 3,173 - 34,6 Г + 89,5 Г2 - 31,66 Г3 99,7 2,51 0,501 0,331
Т14 у = -2,278 + 29,63 Г - 108,6 Г2 + 116,8 Г3 97,1 3,16 1,680 0,776
Т15 у = 4,875 + 199,4 Г - 500,8 Г2 + 320,3 Г3 86,2 1,43 3,860 2,560
Т16 у = 31,96 - 72,13 Г + 201 Г2 - 161,2 Г3 95,2 1,52 1,300 0,940
У
Современные технологии. Математика. Механика и машиностроение
20,00 15,00 10,00 5,00 0,00
Ж,
--•— в—ш^Ш
-*-Т8
-М-Т9 —Ж—ПО -•-Т11
-Т13
-Т14
_-»-Т15 г -И-Т16
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Рис. 4. Зависимость осевой скорости Ж (м/с) от радиуса V для К1
25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 -5,00
Ж г
0 0, 2 Ж-V гГ-^ о 6 0 а :
—Т6
-ж—тю
-•—Т11
—I—Т12 -Т13
Рис. 5. Зависимость осевой скорости Ж (м/с) от радиуса V для К2
V
На рис. 6 и 7 изображены профили тангенциальной скорости в ПЦПО с К1 и К2 соответственно. При вытеснителе в форме К1 в пустотелой части циклона формируется классический вихрь, описанный исследователями С. В. Алексе-енко, В. Л. Окуловым, А. В. Борисовым, И. С. Мамаевым, М. А. Соколовским, Э. Н. Сабуровым и др. [3-6].
Закрученный поток в кольцевом канале между вытеснителем потока и корпусом циклона также имеет экстремум, который сдвигается по радиусу в зависимости от ширины кольцевого зазора для К1 к стенке вытеснителя (рис. 7), для К2 - к стенке циклона (рис. 8). Профиль тангенциальной скорости асимметричен: в направлении к вытеснителю Жт снижается сильнее, чем в направлении к внешней границе. Центр тяжести кривой смещён в периферийную зону. Все эти закономерности, очевидно, формируются под действием центробежных сил, вытесняющих поток из центральной зоны и уплотняющих его в периферийной зоне, а также силами трения о стенки, тормозящими поток в пограничных слоях.
Визуализация траекторий закрученного потока производилась с помощью шелковой нити,
закреплённой на конце спицы. Дополнительно воздух запылялся частицами полиакрила размером 10 мкм. Визуально обнаружено, что закрученный поток имеет винтовую структуру. В результате проведенных исследований выявлено, что в области сужения диффузора вытеснителя в районе промежуточного отбора (ПО) наблюдается встречное течение, перекрёстное движению потока [1]. Данное явление объясняется частичным отрывом высокоскоростного потока воздуха с поверхности диффузора, что сопровождается понижением давления на поверхности диффузора и падением скорости вблизи поверхности вытеснителя. Это разрежение обеспечивает подсос части потока со стороны конфузора. С другой стороны, при последующем поджатии потока в конфузоре давление вблизи поверхности вытеснителя повышается, что приводит к раздвоению потока. Основная часть устремляется далее к выходному патрубку, а часть в виде пристенного течения по поверхности вытеснителя проникает в область пониженного давления на поверхности диффузора, смешиваясь затем с набегающим потоком. Движущая сила, обусловливающая это пристенное течение, - разность давлений на поверхностях кон-
Рис. 6. Зависимость тангенциальной скорости Ж (м/с) от Г для К1
50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
Ж
—Т6
—X—Т9
Т10 —Т11 —I—Т12 -Т13
О 0,2 0,4 0,6 0,8 Г
Рис. 7. Зависимость тангенциальной скорости Ж (м/с) от Г для К2
фузора и диффузора, очевидно, тем больше, чем выше скорость потока.
Перекрёстное вращение основного потока почти цилиндрической формы и пристенного течения с биконическими линиями тока при их закольцованном перетекании друг в друга формирует в самом узком месте вращающийся кольцевой вихрь (рис. 8). В имеющихся описаниях вихрей в литературе такая структура течения не идентифицирована и поэтому названа нами вращающимся кольцевым вихрем. В отличие от кольцевого вихря, у которого линии тока концентрично замыкаются в меридиональной плоскости, линии тока во вращающемся кольцевом вихре направлены по винтовой линии на поверхности тора. На рис. 8 сечение вращающегося кольцевого вихря изображено круглым, хотя, очевидно, его форма определяется формирующими течениями и должна тяготеть в меридиональном сечении к треугольной.
Перекрёстное пристенное течение можно притормозить спиральным оребрением 1 на поверхности вытеснителя, параллельным линиям тока основного потока (рис. 9). Оребрение может
Рис. 8. Формирование вращающегося кольцевого вихря
Современные технологии. Математика. Механика и машиностроение
Рис. 9. Мероприятия по устранению вихря: 1 - низкопрофильное оребрение; 2 - цилиндро-конический рассекатель; 3 - перепускной канал
быть выполнено в виде роликовой накатки на поверхности вытеснителя или спиральной ленты, приваренной по нормали к поверхности вытеснителя. При перекрёстном движении пристенное течение преодолевает оребрение, на вершинах которого встречается с основным потоком, направляющимся вдоль гребней, и сносится им. Разность давлений, движущая пристенным течением, предлагаемым оребрением не снимается, следовательно, вихревая циркуляция останется, но в существенно более мелком масштабе, определяемом межрёберным расстоянием.
Снять движущую силу пристенного течения можно перепускным каналом 3 (рис. 1), соединяющим переходную зону с выхлопным патрубком. Разрежение в выхлопном патрубке больше, чем в переходной зоне. К тому же скорость течения в выхлопном патрубке существенно выше, так как площадь его сечения меньше. Такой скоростной режим обеспечивает эжектирование воздуха из перепускного канала. Вследствие этих обстоятельств движение потока в перепускном канале будет
направлено в сторону выхлопного патрубка, что эвакуирует пристенное течение через перепускной канал в выхлопной патрубок и разрушит вращающийся кольцевой вихрь. Байпасирование части потока из зоны промежуточного отбора снизит гидравлическую нагрузку на основной поток, обеспечивая снижение турбулентности в зоне основного отбора и снижение скорости на входе в выхлопной патрубок. Байпасируемый из приосе-вой зоны поток не имеет момента импульса вращения, вследствие чего по закону сохранения импульса у оставшегося потока с уменьшенной массой скорость вращения увеличится. Всё это должно отразиться на повышении эффективности очистки и снижении гидравлического сопротивления циклона в целом.
В дополнение к приёмам ликвидации вихревого циркуляционного течения можно предложить также стабилизационный цилиндро-конический рассекатель 2 (рис. 1) в центральной зоне бикони-ческого вытеснителя, назначение которого определяется задачей отделения пристенного течения на поверхности вытеснителя от основного потока, что при соответствующих пропорциях этого рассекателя сведёт вероятность возникновения вращающегося кольцевого вихря к минимуму и даже к возможности эжектирования основным потоком воздуха из центральной зоны, вытесняющим запылённую часть основного потока в периферийную пристенную зону циклона, поскольку середина потока дозаполняется эжектируемым очищенным воздухом, что приведёт, соответственно, к повышению эффективности очистки основного отбора и циклона в целом. Этот приём используется в аппаратах со встречными закрученными потоками, только здесь он реализуется без дополнительных потоков, путём рационализации взаимодействия существующих течений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Исследование полей скоростей и давлений закрученного потока в кольцевом канале / М.И. Аршинский и др. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 4(36). С. 75-78.
2. Аппроксимация полей скоростей и давлений в прямоточном циклоне с сепарационной камерой переменного сечения / А.А. Асламов и др. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2013. № 2 (38). С. 163-168.
3. Алексеенко С.В., Окулов В.Л. Закрученные потоки в технических приложениях : обзор // Теплофизика и аэромеханика. 1996. Т. 3. № 2.
С. 101-138.
4. Фундаментальные и прикладные проблемы теории вихрей / под ред. А.В. Борисова, И.С. Мамаева, М.А. Соколовского. М.-Ижевск : Ин-т компьютерных исследований, 2003. 704 с.
5. Алексеенко С.В., Куйбин П.А., Окулов В.Л. Введение в теорию концентрированных вихрей.
М. - Ижевск : Ин-т компьютерных исследований, 2005. 504 с.
6. Сабуров Э.Н., Карпов С.В., Осташев С.И. Теплообмен и аэродинамика закрученного потока в циклонных устройствах. Л. : Изд-во Ленинград. ун-та, 1989. 276 с.
УДК 629.4.015 + 625.1.03 Цвик Лев Беркович,
д. т . н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщения, e-mail: [email protected]
Зеньков Евгений Вячеславович, магистрант, Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, e-mail: jovanny1@yandex. ru
О ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВАХ СТАЛИ 50ХФА В УСЛОВИЯХ ДВУХОСНОГО РАСТЯЖЕНИЯ
L. B. Tsvik, E. V. Zenkov
ON THE STRENGTH PROPERTIES OF STEEL 50HFA IN CONDITIONS BIAXIAL STRETCHING
Аннотация. В работе описываются результаты статических испытаний до разрушения лабораторных образцов из стали 50ХФА, в которых в очаге разрушения реализовано двухосное растяжение. В качестве характеристики прочности материала использовалось предельное значение интенсивности напряжений. Расчетный анализ осуществлялся с помощью конечноэлементного моделирования полей деформаций, возникающих в процессе механических испытаний до разрушения. Проведенный анализ показал, что в момент разрушения материал образца в его рабочей зоне находился в упругом состоянии двухосного растяжения, т. е. рассматриваемая сталь при двухосном растяжении является хрупко-упругой. Оказалось, что при этом значение критерия прочности снижается (по сравнению со случаем одноосного растяжения) на 30 %. Отличительной особенностью при экспериментальном изучении процесса разрушения материала в условиях двухосного растяжения, используемого в данной работе, является испытание призматических образцов с галтельными переходами и дополнительными наклонными опорными поверхностями, подвергающиеся воздействию поперечной контактной силы реакции. Испытание указанного образца осуществляется на стандартной испытательной машине с одним силовым приводом. Под воздействием вертикального одноосно направленного усилия, прикладываемого к центральной части призматического образца, происходит одновременно изгиб основной призмы и поперечное сжатие боковых выступов образца, опирающихся на скошенные поверхности дополнительного опорного устройства. Рабочей зоной (зоной разрушения образца) является нижняя поверхность бокового выступа в его средней части, примыкающей к поперечной плоскости симметрии образца.
Ключевые слова: статические испытания, двухосное растяжение, призматический образец, критерий предельного состояния, характеристика вида НДС.
Abstract. The paper describes the results of static tests to failure of laboratory samples of steel 50HFA in which the hearth destruction implemented biaxial stretching. As an indication of the material strength, the stress intensity limit was used. Settlement analysis was performed using finite-element modeling of deformation fields arising during mechanical testing to failure. The analysis showed that at the moment of fracture, the sample material in its working zone is in biaxial stretching elastic state, i. e. the considered steel is brittle-elastic under biaxial tensile. It turned out that when this value of the criterion strength decreases (comparing with the case of uniaxial tension) of 30 %. A distinctive feature of the experimental study of the process of destruction of the material under biaxial stretching used in this paper is to test samples with prismatic hollow chamfer and additional inclined bearing surfaces exposed to transverse contact reaction force. Said sample test is performed on a standard test machine with a single actuator. Under the influence of the vertical uniaxially directed force applied to the central portion of the prismatic sample, the bending prism and a principal transverse compression of the side projections of the sample, based on the beveled surface of the additional supporting device, occur simultaneously. Working area (area of the sample fracture) is the lower surface of the lateral projection in its middle part, close to the transverse symmetry plane of the sample.
Keywords: static tests, biaxial stretching, prismatic specimen, limit criterion of the material, characteristic of the kind of stress-strain state.
