Методика моделирования течения жидкости в каналах фильтроэлемента с объемным принципом фильтрации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.13, кандидат технических наук Гарипов, Артур Альбертович

• Гарипов, Артур Альбертович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гарипов, Артур Альбертович

Оглавление

ГОИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

Введение

1 Глава. Качественный анализ состава, источников и негативных последствий загрязнений гидравлической системы

1.1. Загрязнение рабочих жидкостей гидравлических приводов

1.2. Влияние загрязненности жидкости на надежность и срок службы агрегатов гидравлических систем

1.3. Классификация способов и средств очистки рабочих жидкостей гидравлических систем

1.4. Постановка задачи

2 Глава. Математическая модель фильтрации жидкости в объемном фильтроэлементе

2.1. Математическое моделирование течения жидкости в каналах фильтроэлемента

2.2. Компоненты скорости

2.3. Математическое моделирование влияния загрязняющих примесей в фильтроэлементе

3 Компьютерное моделирование течения рабочей жидкости в фильтрующих элементах

3.1. Обоснование выбора пакета

3.2. Компьютерное моделирование течения рабочей жидкости в фильтрующих элементах с объемным принципом фильтрации

3.3. Компьютерное моделирование течения рабочей жидкости в фильтрующих пакетах с объемным принципом фильтрации

4 Экспериментальное исследование фильтрующих пакетов

4.1. Экспериментальное исследование фильтрующего пакета номинальной тонкостью фильтрации 5 мкм

4.2. Экспериментальное исследование фильтрующего пакета номинальной тонкостью фильтрации 10 мкм

4.3. Экспериментальное исследование фильтрующего пакета номинальной тонкостью фильтрации 12 мкм

4.4. Верификация экспериментальных данных

4.5. Методика проектирования фильтроэлемента с объемным принципом фильтрации

Результаты и выводы

Список использованной литературы

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АД - авиационный двигатель;

ГТД - газотурбинный двигатель,

ДД - датчики давления;

ДЛА - двигатель летательного аппарата;

ДР - датчики расхода;

ДУ - двигательная установка;

ИГ - масла индустриальные гидравлические;

КД - регулируемый дроссель;

КП - переливной клапан;

КПД - клапан постоянного давления;

ЛА - летательный аппарат;

МГ - масло гидравлическое;

НИР - научно-исследовательская работа;

ПК - преднагрузочный клапан;

ПО - программное обеспечение.

ППП - пакет прикладных программ;

Р - распределители;

РК - распределительный клапан;

РО - рабочий орган;

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика моделирования течения жидкости в каналах фильтроэлемента с объемным принципом фильтрации»

Введение

Актуальность темы работы

Одной из важнейших систем жизнеобеспечения летательного аппарата является система фильтрации гидравлических систем самолета (топливных и масленых систем). Эксплуатация самолётов на больших высотах и с высокими скоростями полётов приводит к периодическому охлаждению и нагреву топлив, что интенсифицирует процессы загрязнения топлив. Увеличение ресурсов авиационных двигателей, использование авиационных топлив с применением различных поверхностно-активных присадок увеличивает склонность топлив к образованию загрязнений и ухудшает эффективность их очистки. Проблема очистки в топливной системе современных летательных аппаратов приобрела особую актуальность в связи с ужесточением требований безопасности. Порядка 80% поломок в различного рода механизмах, где имеется пневмо- или гидрооборудование, связаны с чистотой рабочего тела.

Несмотря на широкое использование фильтров в авиационной технике, в настоящее время отсутствует комплексное исследование проблем проектирования, разработки и доводки фильтров в целом и перспективных фильтров объемной очистки, в частности. Это связано, прежде всего, со сложным характером физических процессов, протекающих в современных высоконапорных фильтрах тонкой очистки. Все разработки фильтроэлементов с объемным принципом фильтрации основаны лишь на экспериментальной отработке и не имеют теоретического описания. Решение вопросов улучшения качества проектных работ, сокращения сроков разработки новых типов и конструкций фильтров с характеристиками, удовлетворяющими растущим требованиям со стороны электрогидравлической системы управления ЛА, сдерживается, так как теория, методы проектирования и расчета современных гидромеханических

устройств очистки и подготовки рабочей жидкости не приобрели еще законченного научного и инженерного уровня.

Работа выполнена в соответствии с планом исследования по НИР УГАТУ с ОАО «УАП «Гидравлика» № АД-ПГ0710ХГ от 01 сентября 2010 г. на тему «Разработка компонентов новой методологии создания систем объемной фильтрации и фильтров летательных аппаратов». Основаниями для выполнения работы является Государственный контракт № 8411.1003800.18.384 от 03 декабря 2008 года на выполнение НИР: «Исследования по обеспечению надёжности и безотказности работы бортового оборудования и агрегатов отечественных пассажирских и транспортных летательных аппаратов, находящихся в эксплуатации, и направлений. развития и совершенствования бортовых систем для их использования в перспективных проектах», выполняемый в рамках Федеральной целевой программы: «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года» и НИР по теме: «Разработка фильтров тонкой очистки с фильтроэлементами из материалов объёмной и поверхностной фильтрации» с ФГУП «НИИСУ».

Цель диссертации создание методики моделирования течений жидкости в фильтроэлементе с объемным принципом фильтрации.

Задачи работы. Для достижения цели решаются следующие основные задачи:

- провести анализ загрязнений в гидравлических системах летательных аппаратов, выявить их состав и обосновать необходимость исследования фильтроэлементов с объемной фильтрацией жидкости;

- разработать методику компьютерного моделирования течения жидкости с введением характерных фильтровальных объемных структур;

- выполнить анализ результатов расчета течения жидкости и верификацию моделей фильтроэлементов и систем фильтрации с учетом экспериментальных исследований систем;

разработать методику проектирования фильтроэлементов с объемной фильтрацией.

Объектом исследования является фильтроэлемент объемной фильтрации.

Предметом исследования является гидродинамика процесса течения жидкости в фильтроэлементе объемной фильтрации.

Методы исследований. Теоретические исследования основываются на использовании классических методов изучения гидродинамических течений. Экспериментальные исследования базируются на положениях теории измерений и планирования эксперимента. Наряду с натурным экспериментом используются численные методы исследования, что позволяет с достаточной для каждой конкретной задачи точностью выявить необходимые закономерности и сформировать инженерную методику расчета и проектирования фильтров объёмной фильтрации.

Научной новизной диссертационной работы является:

1. Численная трехмерная модель течения жидкости в фильтроэлементе с объемным принципом фильтрации, позволяющая исследовать пространственные особенности потоков с различными структурами фильтрующего материала и создавать с минимальными временными и материальными затратами фильтропакеты, соответствующие заданным требованиям.

2. Разработанная и экспериментально проверенная методика проведения физического и численного моделирования процесса течения жидкости в фильтроэлементах с верификацией результатов.

Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается корректным применением математических методов, основных законов гидродинамики для решения поставленной задачи, а также согласованностью результатов экспериментов, полученных при натурных испытаниях фильтроэлементов объёмной фильтрации в ОАО «УАП

7

«Гидравлика», с результатами расчетов, публикаций и апробаций основных положений работы на международных и всероссийских научно-технических конференциях.

Практическая значимость работы включает:

1. Общие принципы и рекомендации по численному моделированию различных фильтрующих материалов с использованием современных пакетов вычислительной техники.

2. Методику определения рациональных значений параметров при проектировании фильтроэлементов с объемной фильтрацией.

3. Использование результатов работы в виде методических указаний к лабораторному практикуму «Фильтрация рабочей жидкости» по курсу «Гидроавтоматика» для студентов направления подготовки 150800 «Гидравлическая, вакуумная и компрессорная техника».

Апробация работы. Основные положения диссертации представлены на международных и российских конференциях: Международная научно-практическая конференция «Инженерные системы - 2009» (Москва, РУДН, 2009 г.), XIII Международная научная конференция, посвященная 50-летию Сиб. гос. аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева, III Всероссийская молодежная научно-практическая

конференция «Вакуумная и компрессорная техника и пневмоагрегаты», (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009-2010 гг.), Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2009» (Москва: МГУ 2009 г.), IX Международная НТК «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях, машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» ИнЭрт-2010 (Ростов-на-дону, ДГТУ, 2010 г.), Международная научно-техническая конференция «Гидравлические машины, гидропневмоприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития» (Санкт-Петербург, 2010 г.), Научно-технические семинары учебного научного инновационного центра

8

«Гидропневмоавтоматика» (Уфа, 2007-2011 гг.), Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения», (Уфа, УГАТУ, 2008-2010 гг.), Всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2009-2010 гг.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 21 публикациях, в том числе в 2-х статях в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложения, изложена на 140 страницах машинописного текста, в том числе 14 таблиц, 74 рисунка, библиографический список из 79 наименований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гарипов, Артур Альбертович, 2012 год

Список использованной литературы

1. Агафонов И.П. Исследование центробежных масляных фильтров тракторных двигателей. - Транспортное и сельскохозяйственное машиностроение, 1963, № 5, с.8-10.

2. Адамович A.B., Григорьев М.А., Лебедев С.А. Центробежные фильтры для очистки масла в автомобилях. - Автомобильная промышленность, 1955, № 8, с.3-9.

3. Аксенов А.Ф., Литвинов A.A. Применение авиационных технических жидкостей. - М.: Транспорт, 1974. - 156 с.

4. Алиев Т.А. Экспериментальный анализ. - М: Высшая школа, 1991272 с.

5. , Альтшуль А.Д., Краснов И.О. Расчет гидравлического сопротивления сетчатых фильтров непрерывного действия при разделении малоконцентрированных суспензий. - Химическое, нефтяное и целлюлозно-бумажное машиностроение, 1966, № 3, с. 17-20.

6. Альтшуль А.Д., Краснов Н.С. К расчету влияния загрязнения на гидравлическое сопротивление сеток с квадратными ячейками.-

7. Алямовский A.A. и др. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике / Алямовский A.A., Собачкин A.A., Обинцов Е.В., Харитонович А.И., Пономарев Н.Б. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.

8. Барыше в В.И. Диагностика гидропривода: Учебное пособие. -Челябинск: Изд-во ЮУрГу, 2000. - 93 с.

9. Барышев В.И. Надежность и диагностика гидропривода: Учебное пособие. - Челябинск: Изд-во ЮУрГу, 2003. - 154 с.

10. Башта Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. - М.: Машиностроение, 1982. -423 с.

11. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. - М.: Машиностроение, 1971.-672 с.

12. Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем: Учебник для вузов - М.: Машиностроение, 1974. - 606 с.

13. Белянин П.Н., Черненко Ж.С. Авиационные фильтры и очистители гидравлических систем. - М.: Машиностроение, 1964. - 295 с.

14. Брай И.В., Кудинов Ю.А., Белявский И.Ю. Фильтры тонкой очистки дизельного топлива - М.: Машиностроение, 1963. - 312 с.

15. Волков A.B., Перелыптейн Б.В. Расчет пропускной способности дизельных фильтров. - Двигателестроение, 1982, № 3,с.24-26.

16. Газизов, Р. К., Лукащук, С. Ю., Соловьев, А. А.Основы компьютерного моделирования технических систем: учеб. пособие; - Уфа : УГАТУ, 2008. 143 с.

17. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.

18. Григорьев И.А., Усанов Ю.А. Оптимизация тонкости отсева полнопоточных масляных фильтров автомобильных двигателей. Двигателестроение, 1982, № 2, с.48-50.

19. Григорьев М.А. Очистка масла в двигателях внутреннего сгорания. -М.: Машиностроение, 1983. - 147с.

20. Григорьев М.А. Очистка масла. -М.: Машиностроение, 1981. - 178 с.

21. Григорьев М.А. Очистка масла и топлив в автотракторных двигателях. - М.: Машиностроение, 1970. - 270 с.

22. Григорьев М.А. Очистка масла и топлива в автотракторных двигателях. - М.: Машиностроение, 170 с.

23. Григорьев М.А., Соколов Б.В. Обоснование выбора систем очистки масла для автомобильных двигателей. - Труды /Центр.научно-исслед. автомобильный и авторемонтный ин-т..-М., 1969, вып.119, с.83-99.

24. Григорьев М.А., Соколов В.В. Исследование закономерностей процессов очистки масла в автомобильных двигателях.

Труды/Центр.научно-исслед. автомобильный и автомоторн.ин-т,—М., 1969, вьш.Пб, с.100-110.

25. Дьяков P.A., Левкин Г.М., Фисун Ю.Н. Совершенствование систем очистки воздуха, масла и топлива в дизелях.- Двигатели внутреннего сгорания г-М.: НИИинформтяжиаш, 1982, 4-82-32.- 40с.

26. Дьяков P.A., Шкаренко В.А., Перелыптейн Б.В. Испытания новых фильтроматериалов для тонкой очистки топлива. - Двигателестроение,1981, № 1, с.52-53.

27. Ентов В.М. Теория фильтрации. - СОЖ, 1998, №2. - 121-128 с.

28. Жужиков A.B. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. - М.: Госхимиздат, 1961- 304 с

29. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1975. - 559 с.

30. Каверзин C.B. Курсовое и дипломное проектирование по гидроприводу самоходных машин: Учеб. пособие. - Красноярск: ПИК "Офсет", 1997. -384 с.

31. Кича Т.П. Перспективы развития систем и агрегатов тонкой очистки масла среднеоборотных и быстроходных дизелей. -Двигателестроение, 1979, №7, с.39-42.

32. Кича Г.П. Полнопоточная тонкая очистка масла в судовых дизелях. -Техническая эксплуатация флота,- М.: ЦЕНТИ Министерства морского флота, 1978, №4. - 38с.

33. Кича Г.П. Результаты эксплуатационных испытаний полнопоточный фильтров тонкой очистки масла в судовых вспомогательных двигателях. -Двигателестроение, 1980, № 9, с.47-50.

34. Кича Г.П., Кича П.П. Теоретическое исследование процесса загрязнения масла в ДВС с комбированными системами очистки.-Двигателестроение, 1980, № 12, с.23-27.

35. Кича Г.П., Полоротов С П. Исследование влияния скорости фильтрации на эффективность полнопоточной тонкой очистки масла в дизелях. - Двигателестроение, 1981, № 7, с.45-48.

36. Коваленко В.П., Ильинский A.A. Основы техники очистки жидкостей от механических повреждений. - М.: Транспорт, 1981. - 199 с.

37. Кондаков JI.A. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем. - М.: Машиностроение, 1982. - 216 с.

38. Коновалов В.М., Скрицкий В.Я., Рокшевский В.А. Очистка рабочих жидкостей в гидроприводах станков. - М.: Машиностроение, 1976. - 266 с.

39. Кузьмин Ю.М. Сетчатые установки в водоочистных сооружениях. - М.-JL: Стройиздат, 1966,- 177с.

40. Кузьмин Ю.М. Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления сетчатых фильтров. - Труды\Моск.ВШСТО санит. техн. и гор.хозяйства, 1968, №.14, с.14-18.

41. Кутателадзе С.С. «Анализ подобия и физические модели» / Кутателадзе С.С.; Акад. наук СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т теплофизики. - Новосибирск: Наука, 1986. - 295с.: ил. - Библиогр. в конце глав.

42. Лейбензон Л. С., Движение жидкостей и газов в пористой среде Москва. Ленинград: Государственное издательство Технико-теоретической литературы, 1947. 242 с.

43. Лилаев Б.Ф., Небольсин Т.П., Нелюбов В.А. Стационарные и переходные процессы в сложных гидросистемах. - Л.: Машиностроение, 1978. - 192с.

44. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1973. - 847с.

45. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: учеб. Для вузов. - 7-е изд., исп. - М.: Дрофа, 2003. - 840 с.

46. Лышевский А.С, Остапенко A.B. Исследование работы сетчатых дисковых фильтров грубой очистки масла. - Двигатели внутреннего сгорания. - М.: НИИиформтяжмаш, 1973, с.31-35.

47. Лышевский А.С, Остапенко A.B. Определение сопротивления

48. Машиностроительный гидропривод. Под ред. Прокофьева. - М.: Машиностроение, 1978. -495 с.

49. Морозов Г.А. Очистка масел в дизелях. - Л.: Машиностроение, 1971. -192 с.

50. Маев В.Е., Бродский Г.С. Проблемы качества фильтрующих элементов, производимых в России. «Стандарты и качество», 1999. С. 80-84.

51.Мосихин Е.П., Рыбаков К.Б. Некоторые закономерностипроцесса загрязнения масла в двигателях. - Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства, 1963, № 4,с.30-32.

52. Насыров P.A. Повышение надежности работы поршней тепловозных дизелей, - ГЛ.: Транспорт, 1977. - 211с.

53. Никитин Г.А., Чирков C.B. Влияние загрязненности на надежность работы гидросистем летательных аппаратов. - М.: Транспорт, 1969. - 179 с.

54. Никитин Г.А., Чирков C.B. Влияние загрязненности на надежность работы гидросистем летательных аппаратов. - М.: Транспорт, 1969.- 179 с.

55. Никифоров O.A. Повышение эффективности масляных систем судовых быстроходных дизелей. - Л.: Судостроение, 1970.-210с.

56. Остапенко A.B. Исследование процессов движения топлива масел через фильтры с сетчатыми и щелевыми фильтрующими элементами: Дисс... канд.техн.наук.- Новочеркасск, 1973.- 210с.

57. Полоротов СП., Кича Г.П. Выбор оптимальных полнопоточных фильтров тонкой очистки масла. - Двигатели внутреннего сгорания,-М.: НИИинформтяжмаш, 1982, 4-82-16, с. 10-14.

58. Роганов С.Г., Шутков Е.А, Расчет конструктивных параметров сетчатых фильтров масла и топлива. - Двигателестроение,1983, № 5, с.14-16.

59. Русак A.M. Фильтрация рабочих жидкостей гидросистем: Методические указания. - Уфа: изд. УГАТУ им. Серго Орджоникидзе, 2004. -29 с.

60. Рыбаков К. В. Фильтрация авиационных топлив. - М.: Транспорт 1973.-161 с.

61. Рыбаков К. В. Фильтрация авиационных топлив. -М.: Транспорт, 1977.-164 с.

62. Рыбаков К.В. и др. Авиационные фильтры для топлив, масел, гидравлических жидкостей и воздуха / Рыбаков К.В., Дмитриев Ю.И., Поляков A.C. - М.: Машиностроение, 1982. - 103 с.

63. Рыбаков К.В., Коваленко В.П. Фильтрация авиационных масел и специальных жидкостей. - М.: Транспорт, 1977. - 192 с.

64. Сапожников В. М. Монтаж и испытания гидравлических и пневматических систем летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1979. -256 с..

65. Свешников В.К., Усов A.A. Станочные гидроприводы: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1988. - 512 с.

66. Скрицкий В. Я., Рокшевский В. А. Очистка рабочих жидкости в гидроприводах. - М.: Машиностроение, 1996. - 288с

67. Сырицын Т.А. Надежность гидро- и пневмопривода. - М.: Машиностроение, 1981. - 216 е., - (Межизд. сер. "Надежность и качество").

68. Теоретические основы химмотологии. Под ред. Браткова A.A. - М.: Химия, 1985.-320 с.

69. Тимиркеев Р. Г., Сапожников В. М. Промышленная чистота и тонкая фильтрация рабочих жидкостей летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1986. -152 с.

70. Труды / Моск.инж.» строит.ин-т, 1968, Вып.2, № 55, с.58-65.

71. Турчак E.B. Особенности фильтрации масла с присадкамив двигателях ДЮО,- Тепловозные и судовые двигатели.-М.: Машгиз, 1962, вып.З, с.268-277.

72. Ханжонков В.И. Сопротивление сеток. - Промышленная аэродинамика. -М.: БИТ, ИКАП, 1944, вып. 2, с. 14-17.

73. Хованский О.М. О течении вязких жидкостей через фильтрационные сетки.- Изв. АН СССР отделение технических наук, 1958,№ 4, с.81-82.

74. Холин K.M., Никитин О.Ф. Основы гидравлики и объемные гидроприводы: Учебник для учащихся средних спец. учеб. заведений. — 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989. - 264 с.

75. Идельчик И.Е., Штейнберг М.Е. К вопросу о методах расчета распределения потока вдоль каналов с путевым расходом. - Теоретические основы химической технологии, 1972, № 4,с.603-610.

76. Цилиндрической щелевой фильтрующей перегородки и допустимой скорости течения жидкости в фильтрах. - Труды/Новочеркасский политехнич.ин-т, 1973, т.275, с. 103-116.

77. Черненко Ж.С. Расчет фильтров гидросистем. - Киев: КИГВФ, 1960. 20 с.

78. Чупраков Ю.И. Гидропривод и средства гидроавтоматики. - М.: Машиностроение, 1979. -232 с.

79. Чертов А.Г. Единицы физических величин. М., Высшая школа, 1977. -287 с.