Экспериментальное исследование полей скоростей в аппарате со встречными закрученными потоками

УДК 66.011

A.C. Белоусов, Б.С. Сажин, A.B. Лопаков, P.A. Марков, В.Б. Сажин

Московский государственный текстильный университет им. A.H. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЙ СКОРОСТЕЙ В АППАРАТЕ СО ВСТРЕЧНЫМИ ЗАКРУЧЕННЫМИ ПОТОКАМИ

Экспериментально исследовались поля скоростей газового потока в вихревом пылеуловителе Опыты проводились на лабораторной модели аппарата диаметром 0,1 м, оборудованной тангенциальным завихрителем периферийного потока и лопаточным завихри-телем центрального потока. Показано, что в рабочем диапазоне расходов поля течений в вихревом аппарате близки к коаксиальным закрученным потокам.

The velocity fields of a gas stream in a vortical dust collector were experimentally investigated. Experiences were carried out on laboratory model of the device (diameter 0,1 m), with tangential swirler for a peripheral stream and swirler for the central stream. Flow ratio in working interval in vortex chamber were shown to be very similiare with coacsial swirles stream.

При исследовании, моделировании и расчете химико - технологических процессов с учетом гидродинамической структуры потоков в аппарате, обычно применяются экспериментальные одномерные функции распределении времени пребывания частиц потока в аппарате (РВП). Более информативные подходы в исследованиях гидродинамики базируются на информации о многомерных полях скоростей потоков в рабочем объеме аппарата. Информация о макрокинетике газовой фазы представляет собой осреднен-ные значения векторов скорости вихревого течения в трехмерном пространстве. Следует отметить, что пока не имеется общих уравнений, описывающих все свойства таких течений. Поэтому для анализа макрокинетики часто применяют модели гидродинамики среды разной степени сложности.

Применяются, например, модель идеальной (невязкой) жидкости в виде уравнений Эйлера [1], уравнения Навье-Стокса для вязкого течения [2,4], турбулентные модели на основе уравнений Рейнодьдса [3,5]. Для аппаратов со встречными закрученными потоками (ВЗП) в рассматриваемой области соотношения расходов потоков K > 0,5 . данные, полученные в работах [3-5] говорят о том, что в этом случае реализуется так называемая квазицилиндрическая макроструктура потоков. Такая структура состоит из двух закрученных потоков: наружного нисходящего и внутреннего восходящего.

Отметим, однако, что данные ряда других работ дают противоречивые сведения о структуре потоков в приосевой области. В работе [6] для камеры диаметром 0,2 м, были получены иные результаты. Здесь решались осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса в системе ANSYS ICEM CFD. По результатам этой работы картина течения в ядре потока принципиально отличается от квазицилиндрической. По этим расчетам в центральной зоне существуют один или два вихря, сильно смещенные к стенке аппарата (более чем на 50% от геометрического центра). При этом в приосевой зоне, наблюдаются сильные радиальные и вращательные скорости. В работе [2] также отмечаются структурные изменения для вращатель-

ной скорости в приосевой области.

Таким образом, сами математические модели и численные алгоритмы нуждаются во всесторонней проверке и тщательном тестировании. Наиболее эффективной и надежной верификацией является сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными. В условиях лабораторного моделирования этой задаче отвечают бесконтактные оптические методы измерений.

Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования полей скоростей несущей фазы в центральной зоне встречных закрученных потоков. 1- лазер; 2- адаптер направления скорости; 3- трехкоординатный блок сканирования КПБ; 4- фокусирующая линза; 5- измерительная камера; 6- объектив фотоприемника; 7- фотоумножитель.

з.о

2,5 2.0

1,0 о. я о. о

-О-А-

v/vО з,о

2,О 1,Я 1.0 о, я о,о

-0.2 -0.1 О. О 0.1 О^

О.З О. Л 0>5 г/И

-0,2 -0,1 О,О 0,1 От2 0,3 0,4 0,5 г/Р

Рис. 2. Экспериментальные значения скоростей несущей фазы в вихревой камере со

встречными закрученными потоками приЛ*=0,62 » - осевая скорость;

О - тангенциальная скорость. Крестиком отмечен центр вихря, полученный путем аппроксимации замеров. Высота сечений замеров (а) - Zo/H=0,4; (б) - Zo/H=0,8.

Физическое моделирование внутренней макрокинетики проводилось на модели с внутренним диаметром О = 0,106 м изготовленной из термостойкого молибденового стекла молибденового стекла. Экспериментальный стенд (рис. 1), состоял из блока ротаметров с вентилями, камеры со встречными закрученными потоками, а также контрольного циклона и фильтра санитарной очистки. Воздух, засасываемый компрессором из помещения, нагнетается в общий коллектор и далее, по двум каналам через ротаметры поступал в лопаточный завихритель первого потока и тангенциальный завих-ритель второго потока. Отработанный газ выводится из аппарата через выхлопную трубу. Контрольно-измерительная аппаратура установки обеспечивала измерение и регулировку основных параметров процесса. Для бескон-

тактного измерения стационарного распределения скорости потока в интересующих сечениях модели применялась лазерно-доплеровская прецизионная измерительная система (ЛДА).

Система ЛДА включала (рис. 1): лазер 1, оптоэлектронный модуль 2, координатно-перемещающий блок 3, фотоприемник 7. В основу методики положены данные измерений перемещений взвешенных в потоке частиц [7].

На рисунках 2 а-б представлены результаты измерений тангенциальной Vp и осевой Vz составляющих скорости газовой фазы. Для соотношения расходов потоковЛ=0,62 замеры приведены для двух характерных сечений по высоте аппарата. Как видно из полученных данных на всех кривых распределения тангенциальная составляющая Vp близка по форме к вихрю Рэнкина [1], что подтверждает достоверность полученных результатов.

Местоположение оси вихря получено путем двухсторонней аппроксимации точек распределения Vp (ось вихря отмечена крестиком). Как видно из данных, представленных на рисунке 2 в камере ВЗП смещение физической оси вихря от геометрической не более 5% и, следовательно, значительно меньше, чем в циклонном аппарате [7]. Смещения оси вихря к стенке, или появления двух вихрей (как в работе [6]) не наблюдалось. Осевая составляющая скорости Vz по всей высоте аппарата в приосевой области направлена вверх, не меняет своего направления и имеет максимальное значение. Эти свойства Vz, в сочетании со стабильным положением центра вихря Vp вблизи геометрической оси, говорят о достаточно устойчивой макроструктуры потока, которая близка к квазицилиндрической. Из этих фактов следует также отсутствие явлений смещения вихря в пристеночную зону, реверса вихря или образования двух вихрей.

Библиографические ссылки

1. Гольдштик М.А. Вихревые потоки. Новосибирск: Наука, I981. 366 с.

2. К определению поля скоростей газа в прямоточном циклоне./ В.С. Асламова [и др.]; // Вестник Ангарской гос.академии, 2007. Том. 1.№ 1. С. 21-23.

3. Belousov A., Sazin B.Application of Guided Vortex Breakdown for Drying and Separation of the Powder in Vortex Cyclone // Proceeding of The Second Nordic Drying Conference (NDC-03). CD. Copenhagen. Denmark. 2003. P. 1-5.

4. Сажин Б.С., Гудим Л.И. Вихревые пылеуловители. М.: Химия, 1995. 144 с.

5. Поля скоростей в вихревых аппаратах / А.С. Белоусов, Б.С.Сажин // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, 2006. № 2. С. 100-105.

6. Поляков С.Н. Анализ эффективности пылеулавливания вихревого аппарата ВЗП-М 200 с помощью программного комплекса ANSYS CFX //ANSYSAdvantage, 2008. V7. P. 29-34.

7. Экспериментальное исследование аэродинамики многофункциональных аппаратов ВЗП / Т.Ю. Векуа, И.А. Попов, В.С. Лапшенкова //Аппараты с активными гидродин.. режимами для текст.пром-ти и произв-ва хим. волокон: Межвуз. сб. науч. тр./; М.: Изд-во МТИ им. Косыгина, 1983. С. 27-29.