Моделирование процессов протекания жидкости в ультрафиолетовом стерилизаторе модернизированной системы водоснабжения пассажирского вагона

Подвижной состав железных дорог

буемых климатических условий в пассажирском помещении согласно установленным санитарным правилам.

Таким образом, для обеспечения комфортных климатических условий в вагоне на стоянках и при малых скоростях движения пассажирского состава необходимо

снизить температуру воздуха после воздухоохладителя примерно до 13 - 14 °С. Для этого требуется дополнительная холодопроизводительность кондиционера около 3 кВт;

снизить влияние солнечной радиации на температуру воздуха при его движении по раздаточному воздуховоду.

Список литературы

1. Зворыкин, М. Л. Установки кондиционирования воздуха и холодильники пассажирских вагонов [Текст] / М. Л. Зворыкин, В. М. Черкез. - М.: Транспорт, 1969. - 263 с.

2. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации [Текст] / МПС России. - М., 2000. - 190 с.

3. Бартош, Е. Т. Энергетика изотермического подвижного состава [Текст] / Е. Т. Бартош. -М.: Транспорт, 1976.-303 с.

4. Маханько, М. Е. Кондиционирование воздуха в пассажирских вагонах и локомотивах [Текст] / М. Е. Маханько, Ю. П. Сидоров, М. М. Шмидт. - М.: Транспорт, 1981. - 254 с.

5. Матяш, Ю. И. Снижение энергопотребления пассажирских вагонов за счет совершенствования схемного решения установок кондиционирования воздуха [Текст] / Ю. И. Матяш, В. П. Клюка, А. Ю. Еромов // Ресурсосберегающие технологии на Западно-Сибирской железной дороге: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - С. 52.

6. Ляшков, В. И. Теоретические основы теплотехники [Текст] / В. И. Ляшков. - М.: Машиностроение, 2002. - 143 с.

7. СП 2.5.1198-03. Санитарные правила по организации пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте [Текст] / МПС России. - М., 2003. - 32 с.

8. Эккерт, Э. Р. Теория тепло- и массообмена [Текст] / Э. Р. Эккерт, Р. М. Дрейк. - М., 1961.-681с.

УДК 629.45.048

Ю. И. Матяш, О. С. Томилова, В. В. Томилов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРОТЕКАНИЯ ЖИДКОСТИ В УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМ СТЕРИЛИЗАТОРЕ МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА

В статье рассмотрен метод моделирования процессов протекания жидкости в полых твердотельных конструкциях сложного геометрического формы для установившегося режима при помощи приложения Flow Works программы SolidWorks, позволяющий/ рассчитать динамические характеристики воды в ультрафиолетовом стерилизаторе модернизированного системы водоснабженгт пассажирского вагона на стадгш проектирования.

Для оценки работоспособности систем водоснабжения существуют различные методы расчета. Основным назначением таких расчетов, как правило, является определение потерь напора или давления, а также обратная задача - определение требуемой пропускной способности. Такая постановка задачи для систем водоснабжения, где используются полые круглые трубы и эквивалентные сопротивления так называемых фильтров, является тривиальной и

рассчитывается классическими способами. Однако существуют сложные устройства в системах водоснабжения, где конечной целью расчета является не потеря напора, а динамика поведения потоков или даже частиц жидкости. К последнему можно отнести ультрафиолетовые (УФ) стерилизаторы воды [1].

Предлагаемая авторами статьи модернизированная система водоснабжения пассажирского вагона подробно описана в работе [2] и защищена соответствующими патентами на полезные модели [3, 4]. Конструкция модернизированного УФ-стерилизатора устроена таким образом, что каждая проходящая единица объема воды получает одинаковую дозу ультрафиолетового облучения. Необходимость равномерного распределения облучения связана с ограниченным зарядом аккумуляторной батареи пассажирского вагона и временем заправки.

Математическое моделирование динамики протекания жидкости является неотъемлемой частью стадии проектирования систем водоснабжения. Существующие системы автоматизированного проектирования твердотельных конструкций и средства физического моделирования гидравлических систем позволяют определять динамические характеристики разрабатываемых устройств на ранних стадиях проектирования с возможностью оперативных изменений с целью их улучшения. Преимуществами такого подхода являются наглядность создаваемой модели, возможность детального рассмотрения всех протекающих процессов с получением исчерпывающей информации о состоянии потока жидкости: давлении, скорости, температуре и др.

На кафедре «Вагоны и вагонное хозяйство» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПСа) созданы модели модернизированных УФ-стерилизаторов систем водоснабжения пассажирских вагонов, с соблюдением массогабаритных параметров основных параметров конструкции [3, 4]. Создание твердотельных моделей стерилизаторов выполнялось в среде автоматизированного проектирования SolidWorks (рисунки 1, 3 и 5). Расчеты гидродинамики осуществлялись при помощи приложения Flow Works.

Основной целью расчетов является определение пространственного поведения потоков воды в цилиндрическом стерилизаторе. Основные геометрические параметры устройств следующие: диаметр корпуса - 8 см, высота - 50 см, толщина стенки - 0,1 см, ультрафиолетовая лампа размещена в кварцевом чехле диаметром 2 см. Расстояние между центрами патрубков -46,5 см, а их внутренний - 1,8 см. Основными исследуемыми динамическими характеристиками являются скорость и давление траекторий потока.

При формировании моделей стерилизаторов приняты следующие допущения: неровности и шероховатости внутренних стенок одинаковы и равны 1 мкм; давление на входе -2 2

3 кгс/см , на выходе 1 кгс/см , эти значения давления постоянны; крепежные детали внутри корпуса для лампы и чехла отсутствуют; режим работы лампы - установившийся. Точность расчета принята по умолчанию и равна трем условным единицам, определяемым внутренними характеристиками приложения Flow Works.

На рисунках 1, 3 и 5 отражены направления потоков жидкости, они представлены стрелками различных оттенков (на практике - цветов). Недостатком является отсутствие отображения абсолютно всех потоков, так как это привело бы к перегружению рисунков. В программе Flow Works имеется возможность анимации движения потоков, что существенно упрощает восприятие процессов гидродинамики. Количество потоков выбрано на усмотрение авторов и равно трем. Тем не менее на точность расчета количество отображаемых потоков не влияет и может быть увеличено без довольно продолжительного по времени перерасчета модели.

По результатам расчета модели типового стерилизатора с центральными патрубками (рисунок 1, а) видно, что потоки жидкости в установившемся режиме расположены в основном вдоль лампы на равноудаленном расстоянии (рисунок 1, б). При такой гидродинамике потока облучение идет неравномерно: дальние потоки получают значительно меньшую дозу облучения за счет поглощения ближними. На практике при выборе лампы это значит, что ее мощность должна рассчитываться для дальних потоков воды и будет выше.

№ 2(6) 2011

Рисунок 1 - Результаты расчета траекторий потока жидкости в типовом стерилизаторе с центральными патрубками: а - вид сверху; б - фрагмент окна программы БоНёУ/огкз

Графики динамических характеристик потоков (жидкости скорости и давления по траекториям) в типовом стерилизаторе приведены на рисунке 2. Отсутствие разброса скорости и давления вдоль лампы указывает на ламинарное течение жидкости, а следовательно, на отсутствие перемешивания слоев, что подтверждает визуальную картину распределения потоков на рисунке 1.

20 м/с 12

V

0,2

0,4

ТНачН20 = 293,2 К; Рнач= 0,303 МПа; I ё = 18 мм; | Н = 500 мм

0,8

0,4

МПа 0,2 0,1

Р

ТначН20 = 293,2 К; Рнач= 0,303 МПа; ё = 18 мм; Н= 500 мм

0,2

0,4

0,8

Рисунок 2 - Графики динамических характеристик потока жидкости в типовом стерилизаторе с центральными патрубками: а - скорость по траекториям; б - давление

Модель модернизированного стерилизатора воды, разработанного в ОмГУПСе [3], приведена на рисунке 3. Конструктивное отличие этого стерилизатора от типовой конструкции заключается в концентрической установке входного и выходного патрубков, что существенно изменяет картину поведения потоков воды (рисунок 3, а) и приводит потоки воды во вращательное движение. При такой гидродинамике происходит интенсивное перемешивание потоков вдоль лампы из-за трения о последующие витки и поперек - о внутренние поверхности. В нижней части стерилизатора (рисунок 3, б) количество витков больше, чем в верхней, по причине наличия межвиткового трения потоков, что приводит к снижению перемешивания по мере подъема жидкости.

Рисунок 3 - Результаты расчета траекторий потока жидкости в модернизированном стерилизаторе с концентрическими патрубками: а - вид сверху; б - фрагмент окна программы ЗоНсГ\Уогк8

Анализируя графики скорости и давления потоков жидкости (рисунок 4), можно сделать вывод о количественной нестабильности поведения жидкости, т. е. о степени перемешивания, по разбросу значений скорости давления. Наибольший разброс реализуется в начале пути потока, на графиках его величина может быть определена по характерным амплитудам локальных пиков и их частоте Среднее значение скорости потоков вдоль лампы снижается, а давление стабилизируется. Увеличение высоты устройства приведет к равномерному и ламинарному течению жидкости в его верхней части, что является недостатком типового устройства, но может быть использовано как граничное условие проектной высоты модернизированного стерилизатора.

20 м/с

12

ТНачН20 = 293,2 К; -Рнач= 0,303 МПа; ё = 18 мм; -Н = 500 мм

V

Р

0,4

МПа 0,2 0,1

ТНачН20 = 293,2 К; РНач= 0,303 МПа; ё = 18 мм; Н = 500 мм

0 0,4 0,8 1,2 1,6 I _-

2,4

0 0,4 0,8 1,2 1,6 м I -

2,4

Рисунок 4 - Графики динамических характеристик потока жидкости в модернизированном стерилизаторе с концентрическими патрубками: а - скорость по траекториям; б - давление

Следующая предлагаемая ОмГУПСом модель стерилизатора [4] оснащена ребрами на внутренней стенке корпуса таким образом, что расчетный объем представляет собой сложную фигуру вращения с заданным шагом (рисунок 5).

ПТГГП ТИП Транссиба 19

Рисунок 5 - Результаты расчета траекторий потока жидкости в модернизированном стерилизаторе с концентрическими патрубками и ребрами: а - геометрия полости с жидкостью; б - фрагмент окна программы

8оНё\¥огкз

Количество витков существенным образом влияет на траектории потока воды, и задача оптимизации их числа весьма актуальна. Для приведенной конструкции количество витков, образующих ребра, равно 10. Из-за большей площади внутренней стенки корпуса по сравнению со стерилизатором, изображенном на рисунке 3, увеличивается трение потоков. При этом интенсивность перемешивания в верхней части снижается раньше, но ее степень в нижней части выше (рисунок 6). Таким образом, данный стерилизатор может быть короче, а следовательно, меньше ультрафиолетовая лампа и ее энергопотребление.

20 м/с

12

V

ТНачН20 = 293,2 К; -РНач= 0,303 МПа; ё = 18 мм; Н= 500 мм

0 0,4 0,8 1,2 1,6 I -

р

2,4

0,4 МПа 0,2 ОД 0

1

ТначН20 = 293,2 К; Рнач= 0,303 МПа; ё = 18 мм; Н= 500 мм

0 0,4 0,8 1,2 1,6 м I -

б

2,4

Рисунок 6 - Графики динамических характеристик потока жидкости в модернизированном стерилизаторе с концентрическими патрубками и ребрами: а - скорость по траекториям; б - давление

В настоящее время выполняется анализ результатов расчета ультрафиолетовой лампы с целью определения оптимальных габаритов конструкции стерилизатора и защитного чехла ультрафиолетовой лампы.

К общим недостаткам указанных моделей УФ-стерилизаторов воды можно отнести заметную разность длины путей потоков. Если перемешивание слоев в устройстве с концентричными патрубками решает проблему равномерного облучения по слоям, то «лишняя» длина (рисунок 4 - 2,39 м против 1,7 и рисунок 6 - 2,38 м против 1,62) некоторых потоков свидетельствует о нерациональном использовании внутреннего объема стерилизатора. В дальнейшем планируется решить эту проблему за счет реконструкции внутренней части стерилизатора.

По результатам расчетов методом конечных элементов планируется провести верификацию предложенных моделей с моделями на основе классических уравнений Навье - Стокса, а также с результатами экспериментальных исследований.

Рассмотренный метод моделирования процессов протекания жидкости в полых твердотельных конструкциях с ограниченным объемом является удобным, наглядным и довольно простым с учетом того, что классические методы расчета здесь подойдут в качестве верификации, так как модель самого устройства с точки зрения гидродинамики сложна. Кроме того, по результатам удовлетворительных расчетов имеется возможность получить готовый чертеж будущего макетного образца стерилизатора.

Список литературы

1. Матяш, Ю. И. Устройство для обеззараживания воды в пассажирских поездах дальнего следования [Текст] / Ю. И. Матяш, О. С. Томилова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. — № 4. - С. 23 - 27.

2. Матяш, Ю. И. Применение ультрафиолетовых стерилизаторов для обеззараживания воды в пассажирских поездах дальнего следования [Текст] / Ю. И. Матяш, О. С. Томилова // Инновации для транспорта / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. - Ч. 2. - С. 176 — 180.

3. Пат. РФ на полезную модель № 88327, МКИ В 61 Б 35/00. Устройство для обработки воды ультрафиолетовым излучением [Текст] / Ю. И. Матяш, О. С. Мотовилова. -№2009127016/22; Заявлено 14.07.2009; Опубл. 10.11.2009 // Открытия. Изобретения. 2009,-№31.-4с.

4. Пат. РФ на полезную модель № 99777, МПК С02Б 1/32. Устройство для обработки воды ультрафиолетовым излучением [Текст] / Ю. И. Матяш, О. С. Мотовилова. -№2010118198/05; Заявлено 5.05.2010; Опубл. 27.11.2010 // Открытия. Изобретения. 2010. -№33.-4 с.

УДК 629.4.016

В. А. Нехаев, В. Н. Ушак, И. В. Гришин ТЕОРЕМА АКАДЕМИКА А. Н. ТИХОНОВА В ТЕОРИИ ТЯГИ ПОЕЗДОВ

В статье рассматривается применение тихоновской технологии для математического проработки нелинейных систем дгнрференгршлъных уравненгш, которыми отбывается поведение поезда, в результате чего происходгтг разделение исходного системы дгфференгршлъных уравненгш на две подсистемы, одна - для «медленной» составляюгцей движенгт (так называемое уравнение движения поезда в стандартном виое) и другая -для «быстрых» составляюгцга движенгт, представляюгцга собой волновые процессы в поезде.

Настоящая статья является продолжением работы [1], опубликованной в журнале «Транспорт Урала» в 2009 г. и в которой указывалось на неточность информации об энергетической характеристике электрифицированного участка железной дороги по результатам

№ 2(6) 2011