Оптимизация геометрии открытой рабочей зоны аэрометрических установок замкнутого типа

- © А.В. Воронцов, 2014

УДК 533.6.071.1

А.В. Воронцов

оптимизация геометрии открытой рабочей зоны аэрометрических установок замкнутого типа

Рассмотрен вопрос оптимизации геометрических размеров и пропорций открытой рабочей зоны аэрометрических установок замкнутого типа с использованием методов вычислительной газодинамики. Аэрометрические установки используются для поверки и калибровки анемометров в горной промышленности. Аэрометрические установки с открытой рабочей зоной гораздо более универсальны и удобны в использовании, однако имеют худшие показатели равномерности воздушного потока в рабочей зоне по сравнению с установками с закрытой рабочей зоной. В то же время, для минимизации погрешности от позиционирования анемометра в рабочей зоне, а также погрешности, возникающей из-за ограниченности размеров рабочей зоны воздушный поток в рабочей зоне установки должен быть как можно более равномерным.

Для достижения максимально возможной равномерности воздушного потока предлагается перед проектированием установок производить оптимизацию, используя в качестве исходных данных результаты моделирования открытой рабочей зоны методами вычислительной газодинамики. В качестве параметра оптимизации принимается относительный объем зоны равных скоростей, а в качестве факторов -геометрические размеры и пропорции рабочей зоны установки. Таким образом, предлагаемая методика позволяет проектировать аэрометрические установки с улучшенными характеристиками.

Ключевые слова: аэрометрическая установка, оптимизация, вычислительная газодинамика, рабочая зона, поверка анемометров, калибровка анемометров, равномерность воздушного потока, зона равных скоростей.

Лля поддержания парка измерительной техники на горном предприятии в исправном состоянии в соответствии со стандартом необходимо производить ежегодную поверку приборов. Одним из основных приборов для контроля газовоздушной среды на шахтах является анемометр. Для поверки анемометров применяются аэрометрические установки, однако в настоящее время таких установок существует очень мало и расположены они, как правило, в бассейновых отделениях Госстандарта России, то есть на большом удалении от мест эксплуатации анемометров. Такая удаленность мест поверки приборов от мест их эксплуатации становится причиной недопустимого увеличения межпове-

рочных интервалов. Одной из причин сложившейся ситуации является отсутствие на рынке компактных аэрометрических установок высокого качества и в достаточном для оснащения горных предприятий количестве [1, 2, 3, 4].

Одним из важнейших показателей качества аэрометрической установки является равномерность воздушного потока в ее рабочей зоне. При выборе размеров рабочей зоны необходимо руководствоваться критериями минимальной площади рабочей зоны в сравнении с габаритами датчика (площадь датчика должна составлять не более 3-5% от площади рабочей зоны [5]), достаточностью размеров зоны равных скоростей и разумными

общими габаритами установки. Расчеты показывают, что минимально необходимый диаметр рабочей зоны составляет 17,44 см. Округляя в большую сторону до ближайшего диаметра имеющихся в продаже воздуховодов, получаем 20 см.

Для оптимального выбора остальных геометрических размеров применим оптимизацию с привлечением планирования эксперимента. Самый сложный вопрос заключается в выборе параметра, однозначно характеризующего качество рабочей зоны с точки зрения метрологии. отношение объема зоны равных скоростей к общему объему рабочей зоны.

Наиболее очевидным кажется выбор в качестве параметра степень искривления эпюры скоростей в рабочей зоне, например корень из суммы отклонений величины скорости от среднего ее значения (СКО). Одно при таком выборе возникает множество вопросов:

• в каком месте рабочей зоны брать эту эпюру;

• брать ли только горизонтальную эпюру или только вертикальную, или же использовать двумерную эпюру, каковой она является в действительности;

• если брать эпюры в различных областях рабочей зоны, то с какой частотой располагать их в продольном направлении и какую методику их усреднения использовать.

Наиболее очевидным ответом на первый вопрос кажется расположение эпюры в центре, однако, в этом случае мы сознательно игнорируем остальную часть рабочей области и не имеем права говорить об оценке рабочей области в целом, а лишь об оценке одной ее части.

Второй вопрос возникает по причине того, что горизонтальные и вертикальные линейные эпюры в реальных аэродинамических трубах неред-

Конфузор

Диффузор

рис. 1. модель рабочей зоны, использованная для исследования

ко отличаются, следовательно, нельзя оценивать область лишь по одной из них. Если же использовать обе, то возникает вопрос о методике их осреднения. Использование двумерной эпюры лишено указанного недостатка, однако двумерные эпюры гораздо сложнее и в получении и в обработке.

Наконец, третий вопрос также неизбежно возникает при попытке характеризовать весь объем рабочей зоны. Анализ описанных вопросов и возможностей вывода информации в программе SolidWorks Flow Simulation привел к введению такого параметра, как объем зоны равных скоростей. Этот параметр применяется при поверке аэрометрических установок с открытой рабочей зоной [6]. Однако до сих пор данный параметр определялся экспериментально, к тому же речь шла обычно о приблизительных размерах зоны равных скоростей, а не о ее объеме.

Ниже предлагается методика получения данного параметра на основе результатов моделирования потока в SolidWorks Flow Simulations, которая позволяет разработать техноло-

Рис. 2. Факторы, влияющие на выбранный параметр

О Геометрический фактор 0,25

Рис. 3. Граничные значения факторов

гию оптимизации геометрии рабочей зоны.

За зону равных скоростей примем область, внутри которой скорость изменяется не более чем на величину паспортной погрешности установки ± (0,015 + 0,015У).

За факторы возьмем две величины:

• Длина рабочей зоны;

• Тангенс угла расхождения потока в рабочей зоне (геометрический фактор) (рис. 2);

Первый фактор примем изменяющимся в диапазоне от 1 до 4 диаметров конфузора (от 0,2 м до 0,8 м), второй фактор примем изменяющимся в диапазоне от 0 до 0,25 (минимум при одинаковых диаметрах диффузо-

ра и конфузора, максимум при диаметре диффузора в 2 раза большем, чем диаметр конфузора).

Как принято в классическом двух-факторном эксперименте, берем четыре крайних значения факторов и одно центральное, соответствующее средним значениям величин (рис. 3). Проведя модельные эксперименты при данных значениях факторов, вычисляем значение параметра и заполняем данными таблицу.

Так как Flow Simulation не выдает напрямую такой параметр, как объем зоны равных скоростей, то для его получения применятся обработка данных при помощи пакета MATLAB. Для эксперимента на оба диска подавался поток воздуха, расход которого равен 0,942 м3/с и соответствует 30 м/с при диаметре воздуховода 20 см. Скорость 30 м/с была выбрана потому, что она является максимальной паспортной скоростью данной установки.

Если поток имеет цилиндрическую геометрию, то можно предполагать, что скорость 30 м/с сохраниться для всего объема рабочей зоны. Если же поток имеет вид усеченного конуса, то центральная скорость заранее точно неизвестна и для ее получения необходим предварительно произвести поиск центральной скорости. Для получения искомых значений объема равных скоростей необходимо произвести предварительный поиск центральной скорости.

Поиск центральной скорости производился путем получения зависимости объема зоны равных скоростей от текущей скорости с последующим поиском максимума этой зависимости. Диапазон получения зависимости был выбран заведомо превышающий возможные изменения скорости из-за не идеальности геометрии потока.

Как и предполагалось, центральная скорость при нулевом значении

исходные данные и результаты эксперимента по исследованию геометрии рабочей зоны

Диаметр конфузора Диаметр диффузора Длина рабочей зоны

0,2000 0,2000 0,2000 0,0000 5,0740 6,2832 80,7550

0,2000 0,2500 0,2000 0,2500 2,6457 7,9849 33,1334

0,2000 0,2000 0,8000 0,0000 14,0337 25,1327 55,8384

0,2000 0,4000 0,8000 0,2500 13,5492 58,6431 23,1046

0,2000 0,2500 0,4000 0,1250 7,2418 15,9698 45,3471

геометрического фактора соответствует 30 м/с (рис. 4), а для значения геометрического фактора, равного 0,25 центральная скорость несколько меньше, за счет расхождения потока (рис. 5).

Построив по полученным данным поверхность отклика можно увидеть, что она не имеет максимума в выбранном диапазоне изменения факторов и представляет собой почти плоскую наклонную поверхность, нарастающую при уменьшении значений обоих факторов (рис. 6). Таким образом, можно видеть, что фактически, оптимальной будет бесконечно малая длина рабочей зоны при одинаковых диаметрах диффузора и конфузора.

Так как на практике мы не можем пользоваться рабочей зоной бесконечно малой длины, то вопрос сводится к тому, какое ухудшение качества рабочей зоны при увеличении ее длины является допустимым.

Для поверки большинства приборов достаточно длины рабочей зоны в 1 диаметр, однако бывает

х1ЕГ

ё 5

0

О-

£ 4 и

X ,0

1 1

£ 1

ю

О

— ......{.............-

27

29 30 31

Скорость потока, м/с

32

33

рис. 4. поиск значения центральной скорости при значении геометрического фактора, равном 0

рис. 5. поиск значения центральной скорости при значении геометрического фактора, равном 0,25

7ео.*етрическии

Рис. 6. Поверхность отклика для выбранного параметра в зависимости от факторов

необходимость поверять и приборы большего размера, поэтому берем длину в 2 диаметра.

Геометрический фактор должен быть равен нулю для наибольшей равномерности потока, однако в этом случае увеличиваются потери воздуха в возвратной струе и уменьшается общий КПД установки. Поэтому желательно иметь небольшой запас по диаметру. Беря 10% запас получаем диаметр 22 см. Определив по описан-

ной выше методике качество рабочей зоны при ее длине, равной 40 см и диаметре диффузора, равном 22 см, получаем значение 55%.

Используя описанную методику можно провести оптимизацию и с учетом большего числа факторов и по различным параметрам. Это дает возможность проектировать аэрометрические установки более высокого качества, добиваясь высокой равномерности потока в рабочей зоне.

1. Шкундин С.З. Физико-техническое обоснование акустического контроля скоростей газовоздушных потоков в системах обеспечения безопасности шахт. Докт. дис., 1990.

2. Румянцева В. А. Совершенствование средств измерения аэродинамических параметров вентиляционных систем. Канд. дис., 2001.

3. Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Пучков Л.А., Медведев И.И. Аэрология горных предприятий. - М.: Недра, 1987.

_ список ЛИТЕРАТУРЫ

4. Правила безопасности в угольных шахтах. - Самара: Самарский Дом печати, 1995.

5. Peter Moonen, Bert Blocken, Stai Roels, Jan Carmeliet. Numerical modeling of the flow conditions in a closed-circuit low-speed wind tunnel, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 94 (2006) 699-723.

6. Установки аэродинамические АУ-2. Руководство по эксплуатации ТФАП.407323.003 РЭ. EES

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_

Воронцов Аркадий Викторович - старший преподаватель, e-mail: vorontsov.ark@gmail.com, МГИ НИТУ «МИСиС».

UDC 533.6.071.1

GEOMETRY OPTIMIZATION OF OPEN TEST AREA OF CLOSED LOOP WIND TUNNELS

Vorontsov A.V., Senior Lecturer, e-mail: vorontsov.ark@gmail.com, Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS».

Article is devoted to the problem of dosed loop wind tunnels open test area geometrical dimensions and proportions optimization by using CFD. Wind tunnels use in mining industry for checking and calibrating anemometers.

Wind tunnels with open test area is much more convenient and versatile, but have worse test area air-stream uniformity compared to ones with closed test area. At the same time, for minimization of inaccuracy caused by positioning anemometers in the test area and inaccuracy caused by limited test area dimensions, the airstream must be as uniform as possible.

It is offer to optimize test area before design a wind tunnel by using results of CFD simulation as input data to achieve the greatest possible uniformity of airflow.

As the optimization parameter is taken relative volume of equal velocity area, and as factors - the dimensions and proportions of the test area of the installation. Thus, the proposed method allows designing wind tunnels with improved characteristics.

Key words: wind tunnel, optimization, CFD, test area, checking anemometers, calibrating anemometers, airstream uniformity, equal velocities area.

REFERENCES

1. Shkundin S.Z. Fiziko-tehnicheskoe obosnovanie akusticheskogo kontrolja skorostej gazovozdushnyh potokov v sistemah obespechenija bezopasnosti shaht (Physico-technical substantiation of acoustic control over air-and-gas flow velocity in safety systems in mines), Doctor's thesis, 1990.

2. Rumjanceva V.A. Sovershenstvovanie sredstv izmerenija ajerodinamicheskih parametrov ventiljacion-nyh sistem (Upgrading of measurement equipment for aerodynamic parameters of ventilation systems), Candidate's thesis, 2001.

3. Ushakov K.Z., Burchakov A.S., Puchkov L.A., Medvedev I.I. Ajerologija gornyh predprijatij (Mine aerology), Moscow, Nedra, 1987.

4. Pravila bezopasnosti v ugol'nyh shahtah (Regulations for safety in coal mines), Samara, Samarskij Dom pechati, 1995.

5. Peter Moonen, Bert Blocken, Staf Roels, Jan Carmeliet. Numerical modeling of the flow conditions in a closed-circuit low-speed wind tunnel, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 94 (2006) 699-723.

6. Ustanovki ajerodinamicheskie AU-2. Rukovodstvo po jekspluatacii TFAP.407323.003 RJe (Aerodynamic plants AU-2. Operations manual TFAP.407323.003 RE).

РИСУЕТ ДАРЬЯ АБРЕНИНА

Взаимовыручка