Исследование и расчет гидроструйного насоса-смесителя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.13, кандидат наук Битюцких Сергей Юрьевич

• Битюцких Сергей Юрьевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Битюцких Сергей Юрьевич

Введение

Глава 1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследования

1.1 Струйный насос: принципиальная схема, рабочий процесс, основные режимные и геометрические параметры

1.2 Краткий исторический обзор

1.3 Исследование и расчет кавитации в струйных насосах

1.4 Рабочий процесс кавитационного эжектора

1.5 Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования

Глава 2 Математическая модель струйного насоса-смесителя

2.1 Уточненная одномерная математическая модель расчета струйного насоса-смесителя

2.2 Характеристики струйного насоса-смесителя

2.3 Влияние неравномерности распределения скорости течения сред в контрольных сечениях проточной части струйного насоса-смесителя на его

характеристики

Выводы по главе

Глава 3 Математическая модель кавитационного гидроструйного насоса-смесителя

3.1 Расчетная модель и характеристики кавитационного гидроструйного насоса-смесителя

3.2 Кавитационные смесители на базе гидроструйного насоса

3.2.1 Расчетная модель и характеристики кавитационного смесителя с многоструйным соплом

3.2.2 Расчетная модель и характеристики кавитационного смесителя с гидродинамической решеткой в виде цилиндров

Выводы по главе

Глава 4 Экспериментальное исследование гидроструйного насоса-смесителя

4.1 Описание лабораторной установки

4.2 Объект исследования

4.3 Измерительная система и приборы

4.4 Методика проведения эксперимента

4.5 Обработка данных экспериментального исследования

4.6 Результаты экспериментального исследования

4.7 Численное моделирование течения в гидроструйном насосе-смесителе

4.7.1 Геометрическая модель струйного насоса-смесителя

4.7.2 Конечно-элементная сетка расчетной области струйного насоса-смесителя

4.7.3 Численная модель рабочего процесса струйного насоса-смесителя

4.7.4 Сравнение результатов численного моделирования и физического эксперимента

4.7.5 Анализ результатов численного трехмерного моделирования рабочего

процесса струйного насоса-смесителя

4.7.6 Исследование влияния геометрических параметров на кавитационный

режим струйного насоса-смесителя

Выводы по главе

Глава 5 Методики расчета струйных аппаратов

5.1 Обоснование выбора струйного насоса-смесителя

5.2 Методика расчета струйного насоса для гидросистем транспорта

5.3 Методика расчета кавитационных смесителей

5.4 Конструктивные схемы струйных насосов с повышенными кавитационными качествами

5.5 Пример расчета струйного насоса

5.6 Пример расчета струйного кавитационного насоса-смесителя

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и расчет гидроструйного насоса-смесителя»

Введение

Актуальность. Высококачественные смеси из жидких, газообразных и твердых сыпучих веществ широко применяются в машиностроении, химической, нефтяной, строительной отраслях промышленности и др. Качество смеси характеризуется однородностью её структуры и степенью дисперсности компонентов. Чем выше однородность и степень дисперсности, тем выше качество смеси.

Для получения смеси используют различные методы: механический, микрофлуидный, мембранный, гидродинамический и иные [44]. Традиционный механический метод требует для достижения высокого качества смеси многократной обработки потока компонентов, что является энергозатратно. [73] Микрофлуидный и мембранный методы характеризуются относительно низкими энергетическими затратами по сравнению с механическим, однако они малопроизводительны и ненадежны из-за возможной закупорки каналов аппарата твердыми частицами и газовыми пузырями. Гидродинамический метод перемешивания основан на искусственной турбулизации потока за счет сложной конфигурации проточной части аппарата, содержащего различные элементы, отклоняющие траектории жидких частиц. Гидродинамический метод высокопроизводительный, но требует немалых затрат энергии по причине высокого гидравлического сопротивления проточной части аппарата. [73]

Одним из факторов, позволяющим повысить качество смеси, является кавитационная обработка потока в гидродинамическом смесителе. Это связано с тем, что при гидродинамическом кавитационном смешении взаимодействие отдельных компонентов происходит на молекулярном уровне благодаря локальному выделению существенной энергии при схлопывании парогазовых пузырьков в капельной среде и образования кумулятивных микроструек. Распад отдельных струек на отдельные вихри малой величиной, но достаточно большой интенсивности способствует образованию однородной смеси. При взаимодействии несмешиваемых сред происходит разрушающий механический процесс мгновенного проникновения кумулятивных микроструек в частицы

твердой или жидкой компоненты. Экспериментально установлено, что при схлопывании кавитационных газопаровых пузырьков образуются интенсивные встречные высокоскоростные (300 - 500 м/с) кумулятивные струйки, которые взаимодействуя образуют колебательный процесс с большой частотой, и, как следствие, локальные забросы давления (менее 109 Па) и температуры (менее 104 °С). В результате этого компоненты взаимодействуют на молекулярном уровне и образуют высокодисперсный устойчивый к расслоению поток смеси [69, 84].

Все вышеперечисленные методы применимы для получения качественных смесей. Вместе с тем технологический процесс получения смесей, как правило, включает несколько этапов: подготовка состава смеси, ее приготовление и повышение напора потока смеси достаточного для ее транспортирования по трубопроводу. Для осуществления этих трех функций необходимы устройства: дозатор, смеситель, насос. Вышеперечисленные функции можно объединить в одном устройстве - струйном насосе. Аппарат представляет собой комплексную машину, так как производит перемешивание потоков с последующим транспортированием готового продукта потребителю. При этом, соотношение компонентов смеси - расходов увлекаемого и активного потоков в струйном аппарате обуславливается конструктивными (геометрическими размерами проточной части) и режимными (напорами во входных и выходных контрольных сечениях аппарата) параметрами. Соотношение компонентов будет постоянно, если конструктивные и режимные параметры неизменны. Рабочий процесс аппарата сопровождается энергообменом и взаимным перемешиванием потоков благодаря турбулентному режиму течения и последующему выравниванию поля скорости. В результате образуется смесь содержащей необходимые состав и энергию, достаточную для последующего транспорта потребителю.

Широкое распространение струйных насосов во многих областях техники обусловлено необходимостью перекачки жидкостей, различных агресивных сред; простотой конструкции и технологичностью изготовления аппарата; отсутствием подвижных механических частей и высокой надежностью; малыми габаритными

размерами и весом устройства; многофункциональностью; низкой стоимостью. Рабочий процесс струйного насоса обусловлен сложными явлениями, связанными с эжекцией (увлечением) перекачиваемой среды, обменом массой и количеством движения между потоками при их перемешивании. Вместе с тем повышение требований к энергоэффективности струйных аппаратов (эжекторов) обуславливает острую потребность совершенствования их рабочих процессов.

Процесс смешения в струйном насосе можно интенсифицировать, используя кавитационные явления в его проточной части. Благодаря этому можно получить наиболее качественные смеси, обладающие высокой однородностью и стойкостью к расслоению. Исходя из вышесказанного, следует, что для получения тонкодисперсных смесей высокого качества наиболее перспективным является использование струйных насосов, работающих в кавитационном режиме -кавитационных гидродинамических смесителей, в которых кавитация возникает при взаимодействии потоков смешиваемых сред.

В сложных технологических процессах многих отраслей промышленности требуется получение двух или многокомпонентных качественных смесей, в которых доля одной компоненты в разы меньше доли другой. Например, создание водомазутной смеси в качестве топлива для теплоэнергетики с целью снижения вредных выбросов, добавление легирующих элементов в масло для получения качественных смазочно-охлаждающих жидкостей, парафиновых паст в бетонную смесь с целью получения водостойкого бетона в строительной отрасли. В фармакологии и медицине широко применяются смеси на основе воды и малого количества органических масел. Высококачественную смесь можно получить, совместив рабочий процесс струйного насоса с кавитационными явлениями. Совершенствованию рабочего процесса струйных аппаратов посвящены исследования многих отечественных и зарубежных ученых. Часть работ Л. Бержерона, И.А. Тиме, Л.Д. Бермана, А. Гибсона, К.К. Баулина, П.Н. Каменева посвящены исследованию процесса смешения и энергообмена потоков, работы В.Н. Гончарова, Н.А. Ржаницына, А.Я. Миловича, ФД. Цейтлина, Г.Е. Мускевича, Г.Н. Абрамовича - распространению турбулентных струй в

проточной части струйного аппарата, работы Л.Г. Подвидза, Ю.Л. Кирилловского, Е.Я. Соколова, Н.М. Зингера, B.K. Темнова, А.И. Богданова, J.E. Gosline, S.T. Bonnington, F. Schulz, K.H. Fasol, A.G. Hansen, T.Y. Na, R.G. Cunningham, N.L. Sanger, X. Long - исследованию кавитации в струйном насосе. Авторами предложены оригинальные одномерные методики расчета струйного насоса, проведены экспериментальные исследования рабочего процесса струйного аппарата, обоснованы оптимальные режимы работы. Теоретические достижимые характеристики имеют заметное расхождение с опытными данными в диапазоне малых относительных расходах. При этом существующие методы расчета струйного насоса ориентированы главным образом на разработку бескавитационного аппарата с высокими расходами эжектируемой среды, а режимы работы при малых коэффициентах эжекции с кавитацией не рассмотрены. Отсутствуют вопросы влияния неравномерности потока на достижимые характеристики струйного насоса-смесителя. Вместе с тем проблема создания высокоэффективного струйного насоса-смесителя существует и нуждается в приоритетном решении. Исходя из вышесказанного, следует, что определение достижимых характеристик гидродинамического кавитационного насоса-смесителя, разработка метода его расчета и проектирование является актуальной научной и практической задачей.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы является определение достижимых характеристик струйного насоса-смесителя с комбинированным рабочим процессом и разработка методик его расчета. Для достижения цели необходимо решить задачи:

1. Выполнить анализ исследований рабочего процесса эжектора.

2. Исследованием течения жидкости в проточной части струйного насоса-смесителя выявить степень неравномерности распределения скорости в контрольных сечениях и области с локальным снижением давления.

3. Разработать математическую модель рабочего процесса струйного насоса-смесителя и апробировать ее экспериментальными и численными исследованиями.

4. Определить экстремальные характеристики струйного насоса-смесителя, выражающие предельно достижимые возможности рабочего процесса на бескавитационных режимах и режимах с кавитационными явлениями.

5. На основе экстремальных характеристик разработать методики расчета и предложить новые конструктивные решения струйного насоса-смесителя.

Объектом исследования является струйный насос и его частные исполнения - смесители.

Предметом исследования являются рабочие процессы, протекающие в проточной части струйного насоса-смесителя.

Методы исследования. В работе использованы классические методы механики жидкости и газа, основанные на уравнениях гидродинамики и полуэмпирических соотношений. Моделирование рабочего процесса аппарата выполнено численным методом конечных элементов в системе автоматизированного проектирования Ansys. Анализ и сравнение результатов аналитического и численного исследований проводились методами верификации на основе экспериментальных данных, выполненных на кафедре «Гидравлика и гидропневмосистемы» ЮУрГУ.

Научная новизна.

- Предложена математическая модель квазиодномерного течения капельной жидкости в проточной части струйного насоса-смесителя, отличающаяся применением зависимостей кавитационного числа Эйлера от геометрических и режимных параметров эжектора и коэффициентов, учитывающих неравномерность распределения скорости течения жидкости в контрольных сечениях, позволяющая проводить расширенный анализ рабочего процесса, прогнозировать параметры и характеристики струйного насоса-смесителя.

- Выявлены экстремальные характеристики струйного насоса-смесителя при его работе в бескавитационном и кавитационном режимах, которые устанавливают взаимосвязь предельно достижимых относительных напора и подачи эжектора от относительной плотности эжектируемой среды, коэффициентов сопротивления элементов проточной части и неравномерности

потоков, кавитационного числа Эйлера. Экстремальные характеристики позволяют определить оптимальные режимные и геометрические параметры аппарата.

- Разработаны методики расчета струйного насоса-смесителя (СНС) и струйного насоса-смесителя с кавитационными явлениями в проточной части -кавитационного струйного насоса-смесителя (КСНС), позволяющие рассчитать рабочие и конструктивные параметры, в том числе при малых коэффициентах эжекции (д<0,5), и спроектировать аппарат с минимальным энергопотреблением.

На защиту выносятся.

1. Математическая модель струйного насоса-смесителя при его работе в бескавитационном и кавитационном режимах.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований струйного насоса-смесителя.

3. Методики расчета и проектирования СНС и КСНС.

Теоретическая и практическая значимость работы.

- Предложенная расчетная модель течения жидкости в проточной части насоса-смесителя может быть использована при прогнозировании кавитационных явлений в эжекторе и численном анализе энергетической эффективности гидросистем с эжекторами (струйными насосами).

- Разработанные методики расчета СНС и КСНС позволяют определить основные режимные параметры, оптимальные геометрические размеры проточной части и характеристики аппарата. Методики рекомендованы к использованию в инженерных расчетах при создании новых и совершенствовании существующих струйных аппаратов.

- Совмещение в кавитационном струйном насосе-смесителе основных стадий приготовления высокодисперсной смеси, а именно, ее состава, смешение и транспорт по трубопроводу потребителю, позволяет упростить промышленные установки приготовления смеси и повысить их надежность.

- Результаты исследования внедрены в учебный процесс ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (национальный

исследовательский университет)» и на предприятие ООО «Челябинский компрессорный завод» в передвижной насосной станции для увеличения высоты всасывания центробежного насоса.

Достоверность представленных результатов моделирования апробирована данными физических экспериментов, полученных в лаборатории кафедры "Гидравлика и гидропневмосистемы" Южно-Уральского государственного университета.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на международных и российских конференциях: 6 научная конференция аспирантов и докторантов. Технические науки ЮУрГУ (ЮУрГУ, Челябинск, 2013 г.); VI всероссийская научно-практическая конференция (Самарский областной Дом науки и техники, Самара, 2014 г.); всероссийская научно-техническая конференция с международным участием "Гидравлические машины, гидропневмоприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития" (СПбГПУ, Санкт-Петербург, 2014 г.); VI всероссийская научно-техническая конференция с международным участием (УрФУ, Абзаково, 2014 г.); 7 научная конференция аспирантов и докторантов. Технические науки ЮУрГУ (ЮУрГУ, Челябинск, 2014 г.); международная научно-техническая конференция Пром-Инжиниринг (ЮУрГУ, Челябинск, 2016 г.); молодежная научно-практическая конференция «ТеМП-2017» (АО «ВНИИНМ имени академика А.А. Бочвара», Москва, 2017 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы представлено 7 печатных работ, из них: 3 - публикации в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК; 2 - публикации в изданиях, индексируемых Scopus; получен патент на полезную модель №156578 от 29.12.2014.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 1 10 наименований, содержит 1 61 страницы машинописного текста, 60 рисунков, 12 таблиц.

Глава 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Струйный насос: принципиальная схема, рабочий процесс, основные режимные и геометрические параметры

Рабочий процесс струйного насоса основан на способности высокоскоростной струи инициировать вокруг себя движение окружающей среды. Физическое явление - эжекция (от французского слова «ejection») возникает, если выпустить из сопла струю жидкости или газа, которая создает вокруг себя спутное движение газа, жидкости или твердых сыпучих материалов. По периметру взаимодействия струи и спутного потока происходит интенсивный массо- и энергообмен потоков, а также их взаимное перемешивание. Ниже рассматривается жидкостный струйный насос, где высокоскоростная струя (активный поток) и спутный поток (пассивный поток) - жидкость.

Струйный насос включает следующие основные элементы: сопло, приемная камера, конфузор, рабочая камера и диффузор. Схема проточной части струйного насоса показана на рисунке 1.1. Там же указаны характерные живые сечения (=0,1...5) - границы отдельных его элементов.

Камера приемная Сопло Камера смешения Диффузор

Рисунок 1.1 - Принципиальная схема струйного насоса

Активный поток поступает в струйный насос через сопло, увлекая за собой пассивный поток из приемной камеры. Вовлечение окружающей среды в спутное движение происходит за счет сдвиговых сил в потоке, при этом в приемной камере давление понижается, что обеспечивает приток в нее пассивной среды. В

рабочей камере происходит обмен количеством движения между активным и пассивным потоками в процессе их смешения и, как следствие, передача части энергии от активного потока пассивному. В итоге на выходе камеры смешения формируется поток смеси. После рабочей камеры общий поток, пройдя диффузор и повысив в нем уровень потенциальной энергии за счет кинетической, транспортируется потребителю.

Интенсивное турбулентное перемешивание активного и пассивного потоков осуществляется в пограничном слое струи, которое сопровождается частичной передачей кинетической энергии от высокоскоростного потока эжектируемому. Частицы эжектируемой среды непрерывно вовлекаются в пограничный слой струи, благодаря чему общий расход жидкости в струе по мере удаления от среза сопла возрастает. В некотором сечении рост пограничного слоя прекращается из-за ограничения его стенкой рабочей камеры. Начиная с этого сечения, прекращается вовлечение новых масс эжектируемой среды в струю активной жидкости, однако энергообмен между потоками сохраняется, при этом происходит постепенное выравнивание скоростей потока смешиваемых сред.

Работу струйного насоса в системе отражают следующие параметры: объемные расходы активного Qа, пассивного Qп и общего Qcм потоков; напоры

активного Н 1, пассивного Н 2 потоков перед аппаратом, потока смеси на выходе

струйного насоса Н 5.

Основными показателями работы струйного насоса являются: располагаемый напор активного потока Н1_2 = Н1 - Н2 - превышение удельной энергии активного потока перед соплом над удельной энергией пассивного потока в приемной камере; напор струйного насоса Н5_2 = Н5 - Н2 - разность удельных энергий пассивного потока на выходе и входе струйного насоса; производительность аппарата (если рассматривать аппарат как насос, то следует учитывать расход пассивной среды Qп , а если рассматривать аппарат как смеситель, то следует рассматривать расход смеси Qcм).

В отличие от механического насоса, работа которого характеризуется, как правило, двумя параметрами: напором насоса и его подачей, работа струйного насоса характеризуется четырьмя параметрами: напором насоса, располагаемым напором активного потока, расходами активного и эжектируемого потока. При этом напор и расход пассивного потока зависят не только от геометрии проточной части аппарата, но и от располагаемого напора и расхода активного потока. Поэтому анализ работы струйного насоса в системе, исследование и расчет его характеристик, как правило, выполняют в безразмерных координатах. В последующих исследованиях и расчетах используем следующие безразмерные параметры: относительный напор

к = = Н ~ Н 2 , (1.1)

Н1-2 Н1 - Н2

коэффициент эжекции (относительный расход)

а =

аа

& (1.2)

относительная площадь сопла

0 = А, (1.3)

4

где Л0 - площадь выходного сечения сопла; Л3 - площадь входного сечения камеры смешения.

Диапазон изменения относительных параметров ограничен: относительный напор 0 < к < 1, коэффициент эжекции 0<д<(1-0) / О. Важным геометрическим параметром струйного насоса является относительная площадь сопла, которая является основным геометрическим параметром множества подобных насосов и изменяется в пределах 0 < О < 1.

Связь относительных безразмерных параметров представлена в виде:

ю-(1 -О)

где ф= у32/у31 - коэффициент скольжения, который изменяется в пределах 0< ф <1. Здесь у32 и у31 - скорости эжектируемого и активного потоков во входном сечении рабочей камеры.

Эффективность работы эжектора характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД)

Л = Q" ' Н5 2 + К • Qa • Н1-2 (1 5)

Qa * Н!_2 ' '

где К - безразмерный коэффициент полезного использования остаточной энергии активного потока, 0 < К < 1.

Взаимосвязь безразмерных параметров Н=/^, О), является важнейшей характеристикой струйного насоса.

1.2 Краткий исторический обзор

Более двухсот лет струйные насосы используют в различных областях техники. На протяжение этого времени постоянно совершенствовались методики расчета, конструкция; предлагались новые способы применения в той или иной области техники; обосновывались оптимальные режимы работы аппарата. Эволюция струйного насоса позволила повысить его эффективность и расширить область применения.

Исследованию процессов, протекающих в струйном насосе, посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ, как отечественных, так и зарубежных. Несмотря на простую конструкцию струйного насоса, происходящие в нем термо- и гидродинамические процессы из-за их сложности до сих пор не полностью изучены.

Известные методы расчета струйного насоса можно условно разделить на три группы: эмпирические, аналитические и основанные на теории смешения потоков в каналах и закономерностях распространения турбулентных струй.

Методики расчета струйного насоса. Появление и использование в инженерной практике эмпирических методов расчета обусловлено сложностью рабочего процесса струйного насоса. Этим методам расчета посвящена работа [48] Фридмана.

В основу метода расчета Фридмана положена опытная зависимость между относительным напором насоса Нф и геометрическим параметром О

1 , Н5 - Н^^2

кФ' о = 1 или ""2

V ^0 у

=1, (1.6)

° Фя • Н1

а также семейство кривых, выражающих взаимосвязь коэффициента эжекции а и относительного напора кф. Здесь ф^ • Н1 - скоростной напор рабочего потока, на

срезе сопла; фн - коэффициент скорости сопла; Н1 - полный напор рабочего потока перед насосом; d3 - диаметр смесительной камеры; d0 - диаметр выходного сечения сопла.

Достоинством эмпирических методов расчета является сравнительная простота их применения в инженерных расчетах и достоверность, а недостатком -ограниченность использования диапазонами параметров и режимов работы, охваченных экспериментальными исследованиями. Вместе с тем, некоторые фактические данные, на основе которых построены эмпирические методы (например, коэффициенты сопротивления элементов проточной части), используется и в других методах.

Следующая группа методов расчета струйного насоса основывается на теории смешения потоков в рабочей камере аппарата. Теория смешения потоков строится на применении уравнения количества движения к контрольному отсеку в пределах контура смесительной камеры, уравнений Бернулли для активного, пассивного потоков в подводящих устройствах, потока смеси в диффузоре, и эмпирических зависимостей для коэффициентов сопротивления элементов проточной части. Процессы, происходящие в смесительной камере сложные и требуют соответствующего математического описания. Использование уравнения количества движения позволяет связать параметры на входе и выходе смесительной камеры, оставляя за рамками сложный процесс обмена количеством движения и энергии в камере смешения. В 1870 г. Рэнкин одним из первых применил уравнение количества движения для расчета эжектора. В дальнейшем такой подход использовали многие авторы: Цейнер, Бержерон, Тиме, Ненько, Берман, Гибсон, Баулин, Коржаев, Теперин, Свидерский, Каменев и другие. В

своих моделях все они принимали распределение давления в контрольных живых сечениях равномерным, а эпюры скорости - прямоугольными [48, 65, 102].

Экспериментальными исследованиями установлено, что процесс смешения потоков сопровождается значительными потерями энергии. Г. Цейнер на основании уравнения количества движения вывел выражение потери энергии в смесительной камере при смешении потоков

А£ = 1 (Ра • ^^ • V; +Р„ • ^ • + (Ра " Qа + Р, " ^ ) ' ^ " 2 ■ V5(Pa ■ Qa ■ V + ¥ ■ Р„ ■ Qя ■ V 3)), (1.7)

где у - коэффициент, определяющий вид смешения потоков: ^ = 1 - первый род смешения, когда оси потоков взаимно параллельны (рисунок 1.2а); ^ = 0 -второй род смешения, когда оси потоков расположены взаимно перпендикулярно (рисунок 1.2б). При этом потери энергии в сопловом устройстве, конфузоре и диффузоре автор не учитывает.

___________________________1

II г и 1

Г

а б

Рисунок 1.2 - Вид смешения потоков: а - первый род смешения; б - второй род смешения Дополнив уравнение потерь энергии (1.7) в смесительной камере аппарата уравнениями Д. Бернулли для активного, пассивного и общего потоков, Цейнер получил систему уравнений, позволяющую рассчитать струйный насос для того или иного режима его работы, и предложил метод расчета. При этом выбор наиболее экономичного режима работы автор не рассматривает и, как следствие, предложенный метод расчета не позволяет определить оптимальные размеры аппарата.

Последующие работы Бержерона, Тиме, Бермана являются развитием теории Цейнера. Л. Бержерон, основываясь на работах Г. Цейнера, в своих исследованиях определил выражение наивыгоднейшего значения скорости потока

смеси, взяв частную производную от уравнения потерь энергии (1.7) по переменной V 4:

"4 = "о + ^а ■ " (1.8)

1 + а

И.А. Тиме представляет явление, происходящее в камере смешения, аналогичное удару двух потоков, активного и пассивного, с соответствующими массовыми расходами раQa и рп Qп. На основании проведенных исследований И.А. Тиме утверждает, что значение скорости, определенное по выражению (1.8), не совпадает с вычисленной по условию неразрывности

"4 =

^^а + Qп (1 9)

Л4 ' '

Также автор доказывает, что потери энергии, определенные экспериментальным и расчетным путем (1.7), значительно отличаются друг от друга.

Л.Д. Берман, в отличие от Цейнера, Бержерона и Тиме, дополнительно учитывает потери энергии в конфузоре и диффузоре. Автор характеризует работу насоса безразмерными параметрами и выводит основную напорную характеристику струйного насоса:

кб =

' 2-4-^2

, 1 "й 11 -о,

5 2 _ V 4 у У

1

2 — + у Н. - Н ^

а.з2 _(2 + РУ1 + а)(1 + а.5) (1 10)

* ■Н1 ^ ЧпУ2 ■ а ■•»

где 8 = рп/ра - относительная плотность пассивного потока; рп - плотность пассивного потока; р а - плотность активного потока; ^ - суммарный коэффициент сопротивления, учитывающий потери в конфузоре, камере смешения, диффузоре; р - коэффициент восстановления давления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Битюцких Сергей Юрьевич, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Aldas K. and Yapici R. Investigation of Effects of Scale and Surface Roughness on Efficiency of Water Jet Pumps Using CFD // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. - 2014. - 1 : Vol. 8. - pp. 14-25.

2. Ansys Fluent 16.0 Theory Guide. Ansys Inc.

3. Ansys Fluent 16.0 User Guide. Ansys Inc.

4. Bonnington S. T. The Cavitation Limits of a Liquid-Liquid Jet Pump. B.H.R.A., RR605, British Hydromechanics Research Association, 1958.

5. Brown F. B. Discussions, ASME Fluids Engineering Meeting // ASME pamphlet publication. - 1969. - p. 51.

6. Coutier-Delgosha О., Stutz B. and Vabre A. Analysis of cavitating flow structure by experimental and numerical investigations // J. Fluid Mech. - 2007. - 578. - pp. 171222.

7. Cunningham R. G. The Jet Pump as a Lubrication Oil Scavenge Pump for Aircraft Engines. : W.A.D.C. Report 55-143, July 1954.

8. Gibson А. H. Hydraulics and its applications. - London : Constable and Co, Ltd, 1952. - 5-e.

9. Gogate R. P. Cavitational Reactors for Process Intensification of Chemical Processing Applications: a Critical Review // Chemical Engineering and Processing. -4 : Vol. 47. - pp. 515-527.

10. Gosline J. E. and O'Brien M. P. The Water Jet Pump // University of California Publication in Engineering. - 1937. - №3 : Vol. 3. - pp. 107-190.

11. Hansen A. G. and Na T. Y. A Jet Pump Cavitation Parameter Based on NPSH // ASME paper, 68-WA/FE-42, 1968 Winter Annual Meeting. - New York City , 1968.

12. Ji В., Luo X. W. and Peng X. X. Numerical analysis of cavitation evolution and excited pressure fluctuation around a propeller in non-uniform wake // International Journal of Multiphase Flow. - 2012. - 43. - pp. 13-21.

13. Karassik J., Messina J. P. and Cooper P. Pump Handbook. McGraw Hill, 2001. - 3-е.

14. Kostenetskiy P. S. and Safonov A. Y. SUSU Supercomputer Resources // Proceedings of the 10th Annual International Scientific Conference on Parallel Computing Technologies (PCT 2016). - Arkhangelsk, 2016. - Vol. V. - pp. 561-573.

15. Kunz R. F., Boger. D. A. and Stirebring D. R. A preconditioned Navier-Stokes method for two-phase flows with application to cavitation prediction // Comput. Fluids. - 2000. - 29 : Vol. 8. - pp. 849-875.

16. La Verne M. E. A New Similarity Parameter for Correlation of Jet Pump Cavitation // Cavitation in Fluid Machinery, pamphlet pub. ASME Winter Annual Meeting. -Chicago, 1965. - pp. 120-124.

17. Lewis R. A. An Experimental Analysis of a Jet Inducer With Multiple Nozzles // Symposium on Cavitation in Fluid Machinery, a pamphlet pub. at the ASME Annual Meeting. - 1965. - p. 109.

18. Long X., Han N. and Chen Q. Influence of nozzle exit tip thickness on the performance and flow field of jet pump // Journal of Mechanical Science and Technology. - 2008. - 22. - pp. 1959-1965.

19. Long X., Yao H. and Zhao J. Investigation on mechanism of critical cavitating flow in liquid jet pumps under operating limits // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2009. - 52(9). - pp. 2415-2420.

20. Maslin A. B. Jet Pumps // Asso. of Eng. and Shipbuilding Draughtsmen, Onslow Hall, Little Green. - Richmond, 1959.

21. Meakhail T. A. and Teaima I. R. A Study of the Effect of Nozzle Spacing and Driving Pressure on the Water Jet Pump Performance // International Journal of Engineering Science and Innovative Technology. - 2013. - 2. - pp. 373-382.

22. Mueller N. H. Water Jet Pump // Journal of the Hydraulic Division. ASCE, 1964. -90.

23. Murdoch J. W. An Investigation into the Use of a Jet Pump in an Aircraft Fuel System // MS thesis, MIT. - 1964.

24. Ran B. and Katz J. Pressure fluctuations and their effect on cavitation inception within water jets // Journal Fluid Mech.. - 1994. - pp. 223-263.

25. Rouse H. Cavitation in the Mixing Zone of a Submerged Jet // La Houille Blanche. -

1953. - 1 : Vol. 8.

26. Sanger N. L. A Jet Pump Cavitation Prediction Parameter // ASME Fluids Engineering Meeting, 1908 Cavitation Forum, pamphlet publication. - pp. 10-18.

27. Sanger N. L. Cavitating Performance of Two Low-Area-Ratio Water Jet Pump With Throat Lenghts of 7.25 Diameters / NASA. NASA TN, 1968. - D-4592.

28. Sanger N. L. Экспериментальное исследование различных водоструйных насосов с малым отношением площадей поперечных сечений сопла и камеры смешения // Теоретические основы инженерных расчетов: Труды американского общества инженеров - механиков. - 1970. - №1. - p. 12.

29. Schnerr G. H. and Sauer J. Physical and Numerical Modeling of Unsteady Cavitation Dynamics // In Fourth International Conference on Multiphase Flow. - New Orleans. USA, 2001.

30. Schulz F. and Fasol K. H. Water Jet Pumps. - Vienna : Springer, 1958.

31. Singhal А. К. [et al.] Mathematical basis and validation of the full cavitation model // Asme Fedsm'01. - New Orleans, Louisiana , 2001.

32. Spiridonov E. K. Bityutskikh S. Yu. Simulation model and characteristics of the cavitation mixer with hydrodynamic grid // Procedia Engineering: 2nd International Conference on Industrial Engineering (ICIE-2016). - 2016. - Vol. 150. - pp. 210-214.

33. Spiridonov E. K. Characteristics and Calculation of Cavitation Mixers // Procedia Engineering. International Conference on Industrial Engineering. - Chelybinsk , 2015. - Vol. 129. - pp. 446-450. - 10.1016/j.proeng.2015.12.148.

34. Vogel R. Theoretical and Experimental Investigation of Jet Pumps // Machinenbautechnik. - 1956. - 5. - pp. 619-637.

35. Witte J. H. Mixing Shoeks in Two-Phase flow // Fluid Mech. - 1969. - 36. - pp. 101139.

36. Xiao L. Z. [et al.] Numerical investigation on the cavitating flow in annular jet pump under different flow rate ratio // 27th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems. - 2014.

37. Xiao L. Z. and Long X. L. Cavitating flow in annular jet pumps // International Journal of Multiphase Flow. - 2015. - 71. - pp. 116-132.

38. Xiao L., Long X. and Li X. Numerical investigation on the recirculation in annular jet pumps // Journal Mech. Sci. Technol. - 2013. - 27 : Vol. 6. - pp. 1603-1609.

39. Yang X., Long X. and Yao X. Numerical investigation on the mixing process in a steam ejector with different nozzle structures // International Journal Therm. Sci.. -2011. - 56. - pp. 95-106.

40. Zwart P. J., Gerber A. G. and Belamri T. A Two-Phase Flow Model for Predicting Cavitation Dynamics // In Fifth International Conference on Multiphase Flow. -Yokohama. Japan , 2004.

41. Абрамович, Г. Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. - М. : Госэнергоиздат, 1948. - стр. 288.

42. Акуличев, B. A. Кавитация в криогенных и кипящих жидкостях. - Москва : Наука, 1978. - стр. 280.

43. Альтшуль, Л. Д. Гидравлические сопротивления. - М. : Недра, 1982. - стр. 224.

44. Андрюшкин, А. Ю. Перемешивание компонентов технологических смесей // Конструкции из композиционных материалов. - 2011 г.. - 4.

45. Артемов, А. В. и Чабурко, П. С. Исследование отличных от оптимальных режимов работы струйных насосов методами гидродинамического моделирования // Молодежный научно-технический вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн.. - 2013 г.. - 12.

46. Ахметов, Ю.М. Калимуллин, Р.Р., Константинов, С.Ю., Хакимов, Р.Ф., Целищев Д.В. Исследование гидродинамических и термодинамических процессов высоконапорного многофазного вихревого течения жидкости // Вестник УГАТУ. - Уфа : УГАТУ, 2012 г.. - 2(47) : Т. 16. - стр. 163-168.

47. Батурин, О. В., Батурин, Н. В. и Матвеев, В. Н. Расчет течений жидкостей и газов с помощью универсального программного комплекса Fluent. Учеб. пособие. - Самара : Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2009. - стр. 151.

48. Баулин, К. К. Исследование работы эжектора // Сборник статей по промышленной аэродинамике и вентиляторостроению, труды ЦАГИ. ЦАГИ, 1935 г.. - 211.

49. Берман, Л. Д. К выбору рационального профиля проточной части струйного

аппарата // Известия ВТИ. - 1950 г.. - №3.

50. Берман, Л. Д. Теория и расчет водо-водяных струйных насосов // Известия ВТИ. - 1935 г.. - №3. - стр. 13-16.

51. Биркгоф, Г. и Сарантелло, Э. Струи, следы и каверны. - М. : Мир, 1964. - стр. 466.

52. Битюцких, С. Ю. и Спиридонов, Е. К. Исследование и расчет гидродинамики в струйном насосе // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Машиностроение". - 2016 г.. - №1 : Т. 16. - стр. 5-15.

53. Бобровников, Н. Г. и Камышев, Л. А. Теория и расчет турбинных расходомеров. - М. : Издательство стандартов, 1978.

54. Богданов, А. И. и Коробченко, В. А. К исследованию кавитации в струйном насоса // Известия вузов. Машиностроение. - Минск , 1977 г.. - №7. - стр. 109113.

55. Волков, Э. П. [и др.] Исследование вращающейся цилиндрической гидродинамической решетки кавитаторов // Теплоэнергетика. Теплоэнергетика, 1991 г.. - №5. - стр. 21-24.

56. Гиргизов, А. Д. Механика жидкости и газа (гидравлика): учеб. для вузов. -СПб. : Изд-во Политехнического университета, 2014. - стр. 545.

57. Губин, М. Ф., Горностаев, Ю. Н. и Любицкий, К. А. Применение эжекторов на гидроэлектростанциях. - М. : Энергия, 1971. - стр. 86.

58. Ефимов, А. В. К вопросу взаимозависимости кавитационной эрозии, гидравлики потока и формы обтекаемого тела // Исследование сооружений и оборудования гидроузлов: Труды МИСИ. - 1968 г.. - №67. - стр. 160-173.

59. Зарянкин, А. Е. Механика несжимаемых и сжимаемых жидкостей: учебник для вузов. - М. : Издательский дом МЭИ, 2014. - стр. 590.

60. Иванов, А. Н. Гидродинамика развитых кавитационных течений. - Л. : Судостроение, 1980. - стр. 236.

61. Ивченко, В. М. Гидродинамика многофазных жидкостей. Кавитация. -Красноярск : Б.и., 1980. - стр. 81.

62. Ивченко, В. М. и Немчин, А. Ф. Применение суперкавитирующих насосов для

обработки полуфабрикатов // Прикл. гидромеханика и теплофизика. - 1975 г.. -5. - стр. 39-50.

63. Идельчик, И. Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. - М. : Машиностроение, 1983. - стр. 351.

64. Каменев, П. И. Гидроэлеваторы и другие струйные аппараты. - М. : Машстройиздат, 1950.

65. Каменев, П. Н. Гидроэлеваторы в строительстве. - М. : Стройиздат, 1970.

66. Каннингэм, Хэнсен и На Кавитация в струйных насосах // Теоретические основы инженерных расчетов: Труды американского общества инженеров -механиков. - 1970 г.. - №3. - стр. 79-91.

67. Кирилловский, Ю. Л. и Подвидз, Л. Г. Рабочий процесс и основы расчета струйных насосов // Труды ВИГМ. - 1960 г.. - 26.

68. Кирилловский Ю. Л. и Подвидз Л. Г. Расчет струйных насосов и установок // Труды ВНИИГидромаш. - М. 1968 г.. - 38. - стр. 44-95.

69. Кнэп, Р., Дейли, Дж. и Хэммит, Ф. Кавитация. - М. : Мир, 1974. - стр. 687.

70. Козырев, С. М. Гидроабразивный износ металлов при кавитации. - М. : Машиностроение, 1971. - стр. 190.

71. Козырев, С. П. и Анчурин, Р. Ю. Кавитационная изнашивающая (разрушающая) способность цилиндрической гидродинамической решетки // Машиноведение. - 1980 г.. - №3. - стр. 114-118.

72. Константинов, С. Ю. и Целищев, В. А. Исследование и совершенствование численных кавитационного массопереноса // Вестник УГАТУ. - Уфа : УГАТУ, 2013 г.. - 3(56) : Т. 17. - стр. 123-129.

73. Королев, М. Ю. и Юртов, Е. В. Наноэмульсия: свойства, методы получения и перспективные области применения // Успехи химии. - 2012 г.. - 81 (1). - стр. 21-43.

74. Кудирка и Гланц Кавитация в струйных насосах с высокотемпературной и низкотемпературной водой // Теоретические основы инженерных расчетов. -1979 г.. - №1. - стр. 14-24.

75. Левковский, Ю. Л. Структура кавитационных течений. - Л. : Судостроение,

1978. - стр. 224.

76. Логвинович, Г. В. Гидродинамика течений со свободными границами. - Киев : Наука, 1969. - стр. 208.

77. Ломакин, В. О. и Чабурко, П. С. Влияние геометрической формы сопла струйного насоса на его характеристики // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн.. - 2014 г.. - 12. - стр. 128-136.

78. Мускевич, Г. Е. Новый метод расчета энергетических характеристик водоструйных аппаратов // Научн.тр./ЮжНИИГиМ. - Новочеркасск , 1967 г.. -№12. - стр. 112-127.

79. Овсянников, Б. В. и Боровский, Б. И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. - М. : Машиностроение, 1971. - стр. 540.

80. Перник, А. Д. Проблемы кавитации. - Л. : Судостроение, 1966. - стр. 440.

81. Пирсол, И. Кавитация. - М. : Мир, 1975. - стр. 95.

82. Подвидз, Л. Г. Кавитационные свойства струйных насосов // Вестник машиностроения. - М. : Машиностроение, 1978 г.. - №3. - стр. 17-20.

83. Попов, Д. Н., Панаиотти, С. С. и Рябинин, М. В. Гидромеханика: учеб. для вузов. - М. : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2002. - стр. 382.

84. Промтов, М. А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации химико-технологических процессов // Вестник ТГТУ. - 2008 г.. - 4 : Т. 14. - стр. 861-869.

85. Рождественский, В. В. Кавитация. - Л. : Судостроение, 1977. - стр. 246.

86. Соколов, Е. Я. и Зингер, Н. М. Струйные аппараты. - М. : Энергоатомиздат, 1989. - 3-е : стр. 352.

87. Спиридонов, Е. К. Энергетический анализ газожидкостных течений // Зимняя школа по механике сплошных сред (двенадцатая). Пермь 25 - 31 января 1999: Тез. докл.. - Екатеринбург : УрОРАН, 1999. - стр. 291.

88. Спиридонов, Е. К., Битюцких, С. Ю., Ялалетдинов, А. Р., Ялалетдинов, Ш. Р., Подзерко, А. В. Струйный насос / RU 156578 Ш РФ, МПК F04F 5/10. (ВД).-2014154221/06; Заявлено 29.12.2014; Опубл. 10. 11.2015, Бюл. № 31. - 2 с.

89. Спиридонов, Е. К. и Битюцких, С. Ю. Характеристики и расчет кавитационного

струйного смесителя // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2015 г.. -4. - стр. 6-9.

90. Спиридонов, Е. К. и Битюцких, С. Ю. Характеристики кавитационного эжектора-смесителя // Сборник научных трудов 8-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. - Санкт-Петербург , 2014 г.

91. Спиридонов, Е. К. и Исмагилов, А. Р. Пути оптимизации работы водовоздушного струйного вакуумного насоса в системах вакуумирования энергетических установок. - 2012 г.. - 1-2 : Т. 14. - стр. 689-692.

92. Спиридонов, Е. К. и Пантюхин, А. А. Экспериментальные исследования рабочего процесса кавитационного смесителя. - 2007 г.. - №27 : Т. 97. - стр. 8997.

93. Спиридонов, Е. К. и Прохасько, Л. С. Рабочий процесс и характеристики гидродинамических кавитационных эмульгаторов // Аэрокосмическая техника и высокие технологии. Доклады Всероссийской научно-технической конференции. - Пермь : Изд. ПГТУ, 1999. - стр. 45-50.

94. Спиридонов, Е. К. и Школин, С. Б. Исследование предельных режимов двухфазного эжектора. - 2008 г.. - №10 : Т. 110. - стр. 55-61.

95. Спиридонов, Е. К., Битюцких, С. Ю. и Исмагилов, А. Р. Применение гидроструйного смесителя на участке добычи нефти // Безопасность критичных инфраструктур и территорий: Материалы VI Всероссийской конференции и XVI школы молодых ученых. - Екатеринбург : УроРАН, 2014 г.

96. Спиридонов, Е.К. Битюцких, С.Ю. О работе жидкостного эжектора при малых коэффициентах эжекции // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - Самара : Издательство Самарского научного центра РАН, 2014 г.. - 1(2) : Т. 16. - стр. 538-542.

97. Темнов, В. К. и Спиридонов, Е. К. Расчет и проектирование жидкостных эжекторов. - Челябинск : ЧПИ, 1984 г.. - стр. 44.

98. Темнов, В. К. Влияние вязкости жидкости на характеристики эжектора // Известие вузов. Сер. Машиностроение. - 1987 г.. - №10. - стр. 70-75.

99. Темнов, В. К. и Переплетчик, О. А. О критических коэффициентах кавитации у жидкостных эжекторов // Динамика гидропневматических систем: Сборник научных трудов. - Челябинск : ЧПИ, 1978 г.. - №197. - стр. 82-86.

100. Темнов, В. К. Исследование струйных антикавитационных устройств для центробежных насосов : Научно-технический отчет / ЧПИ. - Челябинск : Челябинский политехнический институт, 1980. - стр. 100. - ГР 81001484, инв. № Б901754.

101. Темнов, В. К. О влияние положения сопла на характеристики жидкостного эжектора // Известие вузов. Сер. Машиностроение. - 1975 г.. - №1. - стр. 96-100.

102. Темнов, В. К. Основы теории жидкостных эжекторов. - Челябинск : Издательство Челябинского политехнического института, 1971.

103. Федоткин, И. М. и Немчин, А. Ф. Использование кавитации в технологических процессах. - Киев : Вища школа. Издательство при Киев ун-те, 1984. - стр. 68.

104. Фисенко, В. В. Критические двухфазные потоки. - М. : Атомиздат, 1978. - стр. 160.

105. Фридман, Б. Э. Гидроэлеваторы. - М. : Машгиз, 1960.

106. Хеджес и Хилл Газоструйные эжекторы. Часть II. Экспериментальное исследование картины течения и анализ // Теоретические основы инженерных расчетов. Серия Д. - М. : Мир, 1974 г.. - №3 : Т. 96. - стр. 202-209.

107. Хеджес и Хилл Газоструйные эжекторы. Часть I. Разработка конечноразностной модели течения // Теоретические основы инженерных расчетов. Серия Д. - М. : Мир, 1974 г.. - №3 : Т. 96. - стр. 191-201.

108. Шальнев, К. К. Условие интенсивности кавитационной эрозии // Изв. АНСССР. ОТН.. - 1956 г.. - №1. - стр. 5-12.

109. Шапиро, Я. Г. Экспериментальное исследование жидкостного эжектора // Научные тр. МАИ. - 1950 г.. - 97. - стр. 191-236.

110. Яхно, О. М., Яске, Н. Н. и Коваль, А. Д. Особенности кавитационной технологии перемешивания высоковязких жидкостей // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1996 г.. - №3. - стр. 23-25.