Влияние числа Рейнольдса на аэродинамику циклонной загруженной камеры

СРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ И ОБМЕН ОПЫТОМ

УДК 533.601

Ю.Л. Леухин, Э.Н. Сабуров, И.А. Усачев, В. Гарен

Леухин Юрий Леонидович родился в 1953 г., окончил в 1975 г. Архангельский лесотехнический институт, кандидат технических наук, доцент кафедры теплотехники Архангельского государственного технического университета. Имеет более 90 печатных работ в области аэродинамики и конвективного теплообмена в циклонных устройствах различного технологического назначения.

Сабуров Эдуард Николаевич родился в 1939 г., окончил в 1961 г. Архангельский лесотехнический институт, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теплотехники, проректор по научной работе Архангельского государственного технического университета, академик Российской и Международной инженерных академий, Российской академии естественных наук, заслуженный деятель науки и техники РФ. Имеет более 300 публикаций в области аэродинамики и конвективного теплообмена в сильно закрученных потоках, их использования для интенсификации процессов тепломассообмена в аппаратах различного технологического назначения.

Усачев Илья Александрович родился в 1980 г., окончил в 2003 г. Архангельский государственный технический университет, аспирант кафедры теплотехники АГТУ. Имеет 9 печатных работ в области исследования аэродинамики циклонных устройств.

Вальтер Гарен родился в 1940 г., профессор Института прикладной лазерной техники Университета прикладных наук (г. Эмден) в области оптики, лазерной техники, испытания материалов. Имеет более 30 научных работ по физике потоков (газодинамика, ударные волны в газовой и жидкой средах), оптическим методам измерения потоков, лазерной анемометрии LDA, методам PIV, лазерной дифференциальной интерферометрии LDA, численным методам моделирования.

ВЛИЯНИЕ ЧИСЛА РЕЙНОЛЬДСА НА АЭРОДИНАМИКУ ЦИКЛОННОЙ ЗАГРУЖЕННОЙ КАМЕРЫ

Проанализированы результаты экспериментального исследования циклонного потока, обтекающего цилиндр, смещенный с аэродинамической оси.

Ключевые слова: циклонная камера, циклонный поток, осредненные и турбулентные характеристики, число Рейнольдса.

Экспериментально установлено, что закономерности обтекания круглого цилиндра циклонным (сильно закрученным) потоком зависят не

только от его диаметра, длины, смещения с аэродинамической оси потока, геометрических характеристик генератора закрутки - циклонного устройства, но также и от величины числа Рейнольдса [2, 5]. Изучение этой зависимости представляет теоретический и практический интерес с точки зрения дальнейшего исследования аэродинамики и конвективного теплообмена в циклонных нагревательных и теплообменных устройствах.

Измерения распределений осредненных и пульсационных тангенциальной и осевой составляющих вектора скорости, а также сопротивления циклонной камеры при различных расходах газа (числах Рейнольдса) выполнены на экспериментальном стенде [5], созданном авторами в лаборатории прикладной лазерной техники Университета прикладных наук г. Эмден (Германия). Стенд включал вертикально расположенную циклонную камеру и измерительный комплекс лазерной установки LDA. Циклонная камера, изготовленная из оргстекла, имела внутренний диаметр Dк = 2Лк = 179 мм и длину Ьк = 272 мм. Воздух в камеру подводили тангенциально внутренней поверхности с двух диаметрально противоположных сторон через каналы высотой 13 мм и длиной (размер по образующей) 40 мм. Входные каналы расположены в верхней части камеры, их ось - на расстоянии 60 мм от выходного торца. Безразмерная суммарная площадь входа потока /вх = 4/вх№2 = 4,13-10-2. Воздух из циклонной камеры отводили через осе-симметричное отверстие в верхнем торце. Относительный диаметр выходного отверстия йвых = йвых/ Dк = 0,4.

Обтекаемый закрученным потоком цилиндр имел длину 231,5 мм и диаметр й = 61,5 мм, что соответствовало параметру й = d/Dк = 0,344. Торцы цилиндра отстояли от торцов камеры на расстоянии 23 мм, что исключало непосредственное воздействие на их боковую поверхность радиальных при-торцевых перетечек. Относительное смещение цилиндра с оси циклонной камеры е = в/Як = 0,190 (17 мм). Скорость потока измеряли в среднем поперечном сечении циклонной камеры при г = 0,670 ( г = z/Dк - безразмерная координата, совпадающая с осью камеры и отсчитываемая от ее глухого торца) через 90о по методике, подробно изложенной в работе [5]. При проведении опытов варьировали входное число Рейнольдса Reвх = (Увх и увх - средняя скорость и кинематический коэффициент вязкости потока во входных каналах циклонного устройства) в диапазоне (2,22 ... 23,53)-104.

Избыточное давление р на поверхности цилиндра замеряли через 10° по периметру в 8-ми равномерно расположенных по его длине поперечных сечениях через отверстия диаметром 0,5 мм [4]. Исследования выполнены при ReвX = (25,31 ... 61,58) 104.

На рис. 1 приведены распределения безразмерных тангенциальной = w¡v /Увх и осевой wz = wz /Увх составляющих вектора полной скорости по радиусу циклонной камеры при различных значениях Яевх,

Рис. 1. Распределения wф (а) и wz (б) по радиусу циклонной камеры при различных значениях Rевх: 1 - Rевх • 10-4 = 23,53; 2 - 13,70; 3 - 6,46; 4 - 3,45; 5 - 2,22; 6 - 62,12 (точки 1 - 4 на поверхности цилиндра соответствуют картине обтекания смещенного цилиндра при Rевх = 23,53- 10-4; ф^ - угол, отсчитываемый в поперечном сечении камеры от линии смещения цилиндра,

с вершиной на его оси)

полученные LDA, а также цилиндрическим трехканальным зондом по обычной методике [6] при Яевх = 62,12 -104.

Течение закрученного потока, обтекающего смещенный с его аэродинамической оси цилиндр, в поперечном сечении камеры происходит как бы в замкнутом криволинейном канале типа конфузор - диффузор - конфу-зор и т.д., который образуют цилиндр и боковая поверхность рабочего объема циклонной камеры [9]. При перемещении потока в конфузорной части поперечного сечения и приближении его к наиболее стесненному проходному сечению ф = 0° (ф - угол с вершиной на оси камеры, отсчитываемый в направлении движения потока от радиуса, по которому смещается цилиндр) происходит увеличение тангенциальной скорости и перестройка ее профиля. В диффузорной его части (ф > 0°) положительный градиент давления препятствует продвижению потока у поверхности цилиндра и приводит к его отрыву. С противоположной стороны цилиндра наблюдается вихрь с интенсивным стоком газа в направлении выходного отверстия циклонной камеры. Граница разделения прямого и обратного течений в вихре (изотаха нулевого значения тангенциальной скорости) на рис. 1, а показана штриховой линией, которая замыкается между критическими точками - передней (лобовой) 1 и задней (кормовой) 2. Попятный вихревой поток срывается с поверхности цилиндра в точке 3 и затем присоединяется к ней в точке 4. Область течения между точками 3 и 4, в которой генерируется

Рис. 2. Изменение wфm (черные точки) и

фт

турбулентность потока высокой интенсивности, - «отрывной пузырь» [1]. У поверхности цилиндра от точки 4 поток перемещается в направлении точки 2.

Смещение цилиндра с аэродинамической оси циклонного потока приводит к значительному усложнению картины вторичных (осевых) течений во всем рабочем объеме циклонной камеры.

При обтекании цилиндра, смещенного с оси рабочего объема, как и при соосном его расположении [2], с понижением числа Рейнольдса меньше

Яе ввт (Яе ахт определяет границу автомодельности течения [7]) происходит постепенная перестройка профилей тангенциальной и осевой составляющих скорости потока. Интенсивность вращательного движения в циклонном потоке и в вихре снижается. Циклонный поток принимает более осесиммет-ричную и равномерную по периметру рабочего объема камеры форму. Уменьшаются значения максимума вращательной скорости wфm = wфm/УвX и

ф (рис. 2). Так, если при (при ф « 15°) на 44 % превы-

интенсивность его изменения от угла Яевх = 23,53 -104 максимальное значение

wфm

шает минимальное (при ф « 270°) в этом же поперечном сечении, то при Яевх = 2,22 -104 превышение составляет только 11 %. Радиус гфт = гфт/Як, характеризующий положение wфm, увеличивается, т.е. максимальное значение wфm смещается к боковой поверхности рабочего объема циклонной камеры, а изменение его по периметру уменьшается.

Распределение осевой скорости по периметру при уменьшении Reвх приобретает также значительно более равномерный характер. Наиболее существенно профиль wz перестраивается в широкой - диффузорной части поперечного сечения, где обратное течение оттесняется от цилиндра. В конфузорной части, наоборот, происходит некоторое расширение периферийного обратного тока. При Reвх = 2,22 -104 изотаха нулевого значения осевой

180

180

270

0

а

О

90

О 0,25 0,5

О

Рис. 3. Изменение wz по периметру поперечного сечения циклонной камеры при различных значениях Rевх: а - Rевх = 23,53- 10-4; б - 2,22 - 10-4 (серым цветом выделена область положительного направления движения осевой скорости - в сторону выходного отверстия

циклонной камеры)

скорости, изображенная на рис. 3 штриховой линией, становится практически осесимметричной с рабочим объемом окружности.

Изотахи осевой скорости, полученные в результате численного моделирования течения с использованием программного комплекса СБХ, представлены на рис. 4. Сопоставление результатов численного моделирования (сплошные линии) и эксперимента (точки ) для тангенциальной и осевой составляющих скорости, выполненные для сечений замеров с ф = 0 и 180°, показывает их хорошее совпадение. С уменьшением Яевх снижается интенсивность вторичных вихрей, возникающих в диффузорной части поперечного сечения. При Яевх = 2,22 -104 изотаха нулевой осевой скорости в продольном сечении в области циклонного потока, ниже входных шлиц, приобретает практически осесимметричную цилиндрическую форму (рис. 4). Такой же вид имеет изотаха нулевой осевой скорости при обтекании потоком осесимметрично расположенного цилиндра. На границе раздела периферийного обратного и прямого выходного вихрей образуются вторичные вихревые образования, центры которых находятся на нулевых изо-тахах осевой скорости.

Распределения безразмерного избыточного давления р = 2 р / р^ (р - плотность потока) по периметру цилиндра в его средней части представлены на рис. 5. Максимального значения р достигает в лобовой точке 1 при фа « 250°, минимального - в области зажатого сечения (при « 0°). В

конфузорной части поперечного сечения от бовой точки 1, по мере продвижения потока и увеличения его скорости, давление снижается,

б

Рис. 4. Распределения векторов полной скорости (а, в) и изотах осевой скорости (б, г) в диаметральном сечении циклонной камеры

при различных значениях Rевх: а, б - Rевх = 23,53- 10" ;

в, г - 2,22 - 10"4

Рис. 5. Распределения р по периметру цилиндра при различных значениях Rевх : 1 - Rевх х 61,58; 2 - 47,60; 3 - 34,84; 4 - 25,31

10"4 =

в диффузорной - сначала растет, а за точкой отрыва 2 постепенно выравнивается. Аналогичное изменение р происходит в вихре от точки 1 до его отрыва в точке 3 при « 170°. В кормовой области течения р практически не изменяется. С уменьшением Яевх, в диапазоне его изменения от 25,31-104 до 61,58 -104, наблюдается снижение р в лобовой точке на поверхности цилиндра и его увеличение в области зажатого сечения. Как показывают расчеты, выполненные с использованием СБХ, при снижении Яевх до 2,22 -104 происходит дальнейшее выравнивание давления на поверхности цилиндра, ликвидируется отрицательное избыточное давление в зажатом сечении. Лобовая точка 1 при этом несколько смещается по направлению движения потока в область больших значений угла фа, что, вероятно, можно объяснить перестроением профиля тангенциальной скорости - уменьшением w

фт

и

его смещением к стенке камеры (увеличением гфт).

Сложная аэродинамическая структура циклонного потока, обтекающего смещенный цилиндр, предопределяет характер изменения турбулентности и высокий ее уровень. На рис. 6 приведены распределения по радиусу

4

интенсивности пульсаций тангенциальной

8ф =

.'2

^ф2 / V

и осевой

/ V (V - осредненное значение полной скорости в данной точке) составляющих скорости при исследованном смещении и различных значениях Яевх. Приведенные данные хорошо согласуются с результатами исследований турбулентности закрученных потоков в незагруженных циклонных камерах и кольцевых каналах [3, 8].

Распределения вф и г2 при смещенном с оси циклонного потока положении цилиндра определяются совокупным влиянием на турбулентность не только массовых сил, пограничных слоев, образующихся на поверхности цилиндра и циклонной камеры, расположением точек отрыва потока [9], но и числом Рейнольдса. При наибольшем значении Яевх в конфузорной части течения (на рис. 6 при ф = 0°) наименьшие значения вф и г2, равные 4,0 ... 5,5 %,

отмечены на радиусе гфт, характеризующем местоположение максимума тангенциальной составляющей (практически и полной) скорости потока.

Рис. 6. Распределения еф

В области r > гфт при увеличении радиуса интенсивность пульсаций возрастает до 6 ... 7 %. Резкое возрастание вф и sz (до 10 ... 20 %) вблизи поверхности камеры и цилиндра объясняется генерацией турбулентности в пристенном пограничном слое. В диффузорной части поперечного сечения (при ф = 180°) минимальные значения sф и sz перемещаются к боковой поверхности рабочего объема на радиус, равный примерно 0,7 ... 0,8 (граница ядра потока [3]), и увеличиваются до 6 ... 7 %. С уменьшением радиуса при r < гфт в этой области течения происходит резкое увеличение sф и sz. Наиболее высокие значения sф и sz (до 250 %) достигнуты в центре вихря, на изотахе нулевого значения тангенциальной скорости, и в начале его образования у поверхности цилиндра за лобовой точкой 1 (при ф^ = 200 ... 220°), а также за точками отрыва потока 2 и 3 [9].

При уменьшении числа Рейнольдса, вероятно, из-за снижения уровня вращательной скорости и влияния массовых сил на турбулентность потока, распределения sф и sz по радиусу в конфузорной части постепенно выравниваются и увеличиваются до 8,0 ... 9,5 %. В диффузорной части зависимость sф и sz от величины Яевх более сложная. В циклонном потоке при r > 0,52 ... 0,55 происходит повышение s(f) и sz (на границе ядра потока - до

9 ... 10 %), а в вихре, наоборот, интенсивность пульсаций обеих составляющих скорости значительно снижается.

Уменьшение уровня тангенциальных скоростей в рабочем объеме и вторичных вихреобразований в ядре потока, а также значительные перераспределения осевых токов с уменьшением числа Яевх в неавтомодельной области течения закрученного потока приводят к снижению такой важной характеристики циклонного устройства, как суммарный коэффициент сопротивления Свх = 2Арп / рвх^ (Арп - разность полного давления потока на входе и выходе из циклонного устройства). Расчет коэффициента сопротивления при Яе < Яе ^ можно производить по уравнению

С в

( Г)„авт Л

С

авт вх

1,034 - 0,034-

Яе

вх

Яе

где С а^т- коэффициент сопротивления циклонного устройства при автомодельном режиме течения [7].

Выводы

1. Установлены особенности влияния числа Рейнольдса на закономерности течения сильно закрученного циклонного потока, обтекающего цилиндр, смещенный с его аэродинамической оси.

2. Приведенные в статье данные по формированию пограничного слоя на поверхности смещенного цилиндра могут служить основой для физически обоснованного анализа особенностей его теплоотдачи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Жукаускас, А.А. Теплоотдача цилиндра в поперечном потоке жидкости [Текст] / А.А. Жукаускас, И.И. Жюгжда. - Вильнюс: Мокслас, 1979. - 240 с.

2. Леухин, Ю.Л. Аэродинамика и конвективный теплообмен в вертикальном циклонном устройстве для нагрева круглых массивных заготовок [Текст] / Ю.Л. Леухин, Э.Н. Сабуров, И.А. Усачев, В. Гарен // Вестник АГТУ. Сер. Энергетика. -2006. - С. 3-10.

3. Леухин, Ю.Л. Влияние числа Рейнольдса на аэродинамику кольцевого канала с закрученным потоком [Текст] / Ю.Л. Леухин, Э.Н. Сабуров, И.А. Усачев, В. Гарен // Лесн. журн. - 2004. - № 2. - С. 100-109. - (Изв. высш. учеб. заведений ).

4. Леухин, Ю.Л. Особенности обтекания цилиндра, смещенного с аэродинамической оси циклонного потока [Текст] / Ю.Л. Леухин, Э.Н. Сабуров, Д.В. Васильев // Энергетика. - 1999. - № 3. - С. 56-62. - (Изв. высш. учеб. заведений ).

5. Леухин, Ю.Л. Разработка экспериментального стенда и исследование с помощью ЬБЛ аэродинамики циклонного нагревательного устройства [Текст] / Ю.Л. Леухин, Э.Н. Сабуров, И.А. Усачев, В. Гарен // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: сб. науч. тр. / АГТУ. - Архангельск, 2004. - Вып. IX. - С. 136-143.

6. Повх, И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении [Текст] / И.Л. Повх. - Л: Машиностроение , 1974. - 480 с.

7. Сабуров, Э.Н. Циклонные нагревательные устройства с интенсифицированным конвективным теплообменом [Текст] / Э.Н. Сабуров. - Архангельск: Сев.-Зап. кн. изд-во, 1995. - 341 с.

8. Устименко, Б.П. Процессы турбулентного переноса во вращающихся течениях [Текст] / Б.П.Устименко. - Алма-Ата: Наука КазССР, 1977. - 228 с.

9. Leuchin, J.L. Experimentelle und theoretische Untersuchungen von Gaswirbelstromungen in Zyklonkammern mit Laser-Doppler-Anemometrie [Text] / J.L. Leuchin, I.A. Usatschjov, E.N. Saburov, W. Garen // 13 Fachtagung «Lasermethoden in der Stromungsmesstechnik». - Cottbus (Deutschland), 2005.

Архангельский государственный технический университет

Университет прикладных наук г. Эмден

Поступила 25.09.2005

Yu.L. Leukhin, E.N. Saburov, I.A. Usachev, W. Garen Influence of Reynolds Number on Aerodynamics of Cyclone Loaded Chamber

The experimental research results of cyclone flow slipping the cylinder displaced from its aerodynamic axis are analyzed.