Delist.ru

Теоретические основы методов расчета роторных аппаратов с учетом нестационарных гидродинамических течений (05.09.2007)

Автор: Червяков Виктор Михайлович

- критерии и симплексы подобия, позволяющие более полно оценить влияние режимных и конструктивных параметров на закономерности нестационарных процессов в роторных аппаратах, полученные на основании дифференциальных уравнений течения среды в модуляторе роторного аппарата с использованием теории подобия и метода размерностей;

- физическая модель явления резонанса в модуляторе роторного аппарата интенсифицирующего химико-технологические процессы и влияющего на гидравлическое сопротивление, позволяющая рассчитать конструктивные и режимные параметры, необходимые для его возникновения;

- обобщенная методика расчета, позволяющая создавать новые и модернизировать существующие конструкции роторных аппаратов для интенсификации химико-технологических процессов, полученная на основании разработанных моделей течения несжимаемой и сжимаемой жидкости, зависимости величины критерия акустической кавитации от содержания свободного газа в обрабатываемой среде, модели явления резонанса в модуляторе.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Создана методика оптимизационного расчета роторных аппаратов на базе основных положений теории гидромеханики и комплексных теоретических и экспериментальных исследований нестационарных процессов в роторных аппаратах, реализованная в виде математических моделей и программного обеспечения и официально зарегистрированная (Свидетельство 2005610721).

Правовая защищенность разработок обеспечивается 16 авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ на изобретения.

Результаты исследований, предложенные методики расчета и разработанные на их основе конструкции роторных аппаратов использованы на Мичуринском ОАО «Прогресс», ОАО «Тамбовполимермаш», Борисоглебском заводе ОАО «Патроны», ООО «Грибановский машиностроительный завод», ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова», ОАО РЖД Локомотивное ДЕПО г. Тамбов для приготовления эффективной смазочно-охлаждающей жидкости, на Котовском заводе ОАО «КЛКЗ» при производстве эмали белой ПФ-115, на НПФ «Лионик» г. Москва при производстве сухих концентратов натуральных напитков. Получен реальный экономический эффект около 18 млн. руб.

Обобщенная методика расчета роторного аппарата используется в учебном процессе при курсовом проектировании, в учебной и научно-исследовательской работе при подготовке магистров направления высшего профессионального образования 150400 «Технологические машины и оборудование».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Всесоюзной научно-технической конференции «Роль молодых исследователей и конструкторов химического машиностроения в реализации целевых комплексных программ и проблем (Москва, 1983); Всесоюзной научно-технической конференции «Новые разработки в области ультразвуковой техники и технологии и опыт их применения в машиностроении» (Новосибирск, 1989); Всесоюзном научном симпозиуме «Акустическая кавитация и проблемы интенсификации технологических процессов» (Одесса, 1989); Всесоюзной научно-технической конференции «Биотехника-89» (Москва, 1989); Всесоюзной научно-технической конференции «НТП в химмотологии топлив и смазочных материалов» (Днепропетровск, 1990); 4 Всероссийской научной конференции «Динамика ПАХТ» (Ярославль, 1994); Всероссийской научно-технической конференции «Математическое моделирование в научных исследованиях» (Ставрополь, 2000); 4, 5 и 6 Международных конференциях «Математическое моделирование физических, экономических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, 2001, 2003, 2005); 15 и 18 Международных научных конференциях «Математические методы в техники и технологиях», ММТТ – 15 и 18 (Тамбов, 2000; Казань, 2005); Международной научно-технической интернет-конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» «Технология-2002» (Орёл, 2002); 2 Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии» (Караганда, 2003); 4 Международной конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2003); 5 Международной конференции «Наука и образование» (Белово, 2004); 1 и 2 Всероссийских научных конференциях «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2004, 2005); 2 и 3 Международных научно-практических интернет-конференциях «Энерго- и ресурсосбережение –XXI век» (Орёл, 2004, 2005); Международной научной конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства» (Иваново, 2004); 6 Международной научно-практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, 2006).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 84 работы в международных, академических, зарубежных и отраслевых журналах и научных изданиях. В том числе на конструкции роторного аппарата и способы их использования получено 16 авторских свидетельств и патентов. Личный вклад соискателя во всех работах, выполненных в соавторстве, состоит в постановке задач исследования, разработке методик получения экспериментальных данных, непосредственном участии в получении, анализе и обобщении результатов.

Структура и объём работы. Диссертация включает введение, семь глав, основные выводы и результаты, список литературы (503 наименования) и четыре приложения. Работа изложена на страницах основного текста, содержит 126 рисунков.

___________________________________________

Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н., профессору Юдаеву В.Ф. за неоценимую помощь при проведении данного исследования.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования; определены его цели и задачи; показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов; представлены основные результаты теоретических исследований.

В первой главе проведен аналитический обзор литературных данных о состоянии теории и практики, проблемах и задачах в области использования технологического оборудования с активными гидродинамическими режимами применяемого для интенсификации различных процессов химической технологии. Показано преимущество роторных аппаратов по сравнению с другим технологическим оборудованием, используемым для проведения процессов в системах «жидкость-жидкость» и «твердое-жидкость», с позиции удельной производительности, энергоемкости и качества получаемой продукции. Проведен анализ существующих моделей нестационарного течения среды в модуляторе роторного аппарата. Показано, что модели не учитывают особенностей течения жидкости на формирование закономерностей гидродинамики потока в модуляторе роторного аппарата. Показано, что в современных моделях не учитывается сжимаемость потока жидкости, когда роторный аппарат работает в условиях гидравлического удара. Выявлено, что для адекватного описания процесса течения среды необходимо провести анализ используемых критериев и симплексов подобия, применяя теорию подобия и метод размерностей. Рассмотрены модели, описывающие гидромеханические процессы, происходящие в радиальном зазоре между ротором и статором. Установлено отсутствие моделей для нестационарного течения в зазоре в роторных аппаратах с цилиндрическими ротором и статором и трехмерных моделей для роторных аппаратов с коническими ротором и статором. На основании проведенного анализа показано, что современные методики для определения энергозатрат при использовании роторных аппаратов являются полуэмпирическими и содержат большое количество экспериментальных коэффициентов и показателей степени, что затрудняет их применение при обосновании выбора технологического оборудования. Установлено, что возникновение явления резонанса в объеме роторного аппарата способствует интенсификации ХТП и может привести к резкому снижению потребляемой мощности. Показано, что на современном этапе исследований не учитывается соотношение центробежной и кориолисовой сил инерции и их влияния на процесс течения среды в модуляторе и, соответственно, на закономерности кавитационных явлений в роторном аппарате. На основании анализа современных моделей динамики кавитационного пузыря установлено, что отсутствуют теоретические исследования, подтверждающие экспериментальные данные о влиянии содержания свободного газа в жидкости на характер акустической импульсной кавитации. Выявлено, что существующие методики расчета конструктивных и режимных параметров роторного аппарата не в полной мере отражают особенности гидромеханических, акустических, кавитационных процессов в роторных аппаратах. На основании проведенного анализа обоснованы признаки объекта исследования, сформулированы проблема и задачи диссертационной работы и определены подходы к их решению.

Во второй главе рассмотрены общие вопросы теории нестационарных и стационарных течений обрабатываемой среды в роторном аппарате. Проведено аналитическое исследование гидромеханических процессов в каналах ротора, статора и в радиальном зазоре между ротором и статором (рис.1). В совокупности рассмотренная часть роторного аппарата носит название модулятор, т.е. устройство, осуществляющее изменение площади поперечного сечения потока жидкости по определенному закону. Закономерности течения среды в модуляторе в основном определяют эффективность работы роторного аппарата.

и неподвижных каналах различны.

При построении математической модели нестационарного движения жидкости в каналах роторного аппарата использован зонный подход. Каналы ротора и статора имеют размеры одного порядка и являются двумя зонами со

Рис.1. Конструктивная схема роторного аппарата:

а) с цилиндрическим ротором, б) с коническим ротором, в) схема модулятора.

своими особенностями гидромеханических процессов, причем выходные параметры для первой зоны являются входными для второй зоны. Функцией, обеспечивающей «сшивание» потока среды на границе зон, служит уравнение неразрывности потока среды.

. С учетом сделанных допущений скорость в канале как функция координат r и t выглядит следующим образом

с радиусом ротора, внесено следующее изменение:

- выражения (2) приведены к виду

Отметим, что при принятом масштабе радиальной скорости в нашем случае, критерий Eu=0,5.

Эти критерии и симплексы для подтверждения правомерности их использования также получены на основании метода размерностей.

Наибольший интерес представляет изменение закономерностей течения на границе канала статора и ротора. Для их определения использовался зонный подход

более адекватно описывает процесс изменения проходного сечения.

Компьютерное моделирование процесса нестационарного течения несжимаемой жидкости проведено посредством изменения геометрических, режимных параметров роторного аппарата и физических констант для широкого диапазона реально осуществимых конструкций роторных аппаратов и обрабатываемых сред.

сначала уменьшается, а затем возрастает. Минимум функции, таким образом, приходится на случай, когда значения кориолисовой и центробежной силы близки. Влияние на соотношения массовых сил объясняется различным распределением радиальной скорости по ширине канала ротора.

В случае преобладания кориолисовой силы над центробежной максимум эпюры радиальной скорости смещается в сторону действия кориолисовой си-

Рис.2 Зависимость амплитуды модуля отрицательного ускорения:

при промышленных значениях расхода соответствуют малым угловым скоростям вращения ротора. Таким образом, несмотря на то, что величина максимума модуля отрицательного давления единичного акта процесса перекрывания канала статора может иметь в этом случае большую величину, при увеличении угловой скорости количество актов кавитационного воздействия, которое пропорционально числу перекрываний каналов статора в единицу времени, возрастает. При этом мощность излучения пропорциональна квадрату произведения величины кавитационных импульсов давления на линейную скорость ротора, т.е. наибольшая эффективность работы роторного аппарата достигается при больших скоростях перекрывания.

за счет перестройки профиля радиальной скорости, это соответствует минимуму на рис.2а.

величина модуля производной радиальной скорости возрастает, возрастает и центробежное ускорение.

величина модуля ускорения увеличивается. Это можно объяснить тем, что при увеличении ширины канала ротора и уменьшении его длины инертность массы жидкости в канале уменьшается, т.е. она быстрее приводится в движение при открывании канала статора и набирает большую скорость за время открывания.

. Угловая частота входит в выражение для центробежной силы в квадрате, а радиус - в первой степени, т.е. в рассмотренном случае, центробежная сила будет возрастать.

выбирать наименьшими. Для более полного учета влияния всех параметров необходимо производить оптимизационный расчет роторного аппарата.

В роторном аппарате при определенных значениях конструктивных, режимных параметров и состояния жидкой среды возникает гидравлический удар. Однако в настоящее время отсутствуют гидродинамические модели течения, учитывающие сжимаемость среды.

Дифференциальное уравнение относительного движения жидкости принято в виде уравнения Навье-Стокса в цилиндрических координатах. Система координат привязана к вращающемуся ротору. С учетом сделанных допущений уравнение одномерного движения имеет вид

загрузка...