Разработка метода расчета и создание вихревого струйного устройства для управления потоком газа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.06, кандидат наук Усс Александр Юрьевич

• Усс Александр Юрьевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Усс Александр Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор и анализ: работ, посвященных данной теме. Состояния вопроса по разработке математических моделей и методов расчета вихревых

струйных устройств

1.1. Проблематика при создании существующих ЗРУ

1.2. Принцип работы ВСУ

1.3. История создания ВСУ

1.4. Актуальность создания ВСУ, статистика по литературному обзору

1.5. Области применения ВСУ

1.6. Обзор математических моделей течения рабочей среды внутри рабочей полости ВСУ и методов расчета ВСУ

1.7. Обзор и анализ математических моделей, описывающих взаимодействие двух потоков: питающего и управляющего в рабочей полости ВСУ

1.8. Обзор ММ, описывающих вихревое течение РС в РП ВСУ в аналитической форме

1.9. ММ вихревого течения в ВК ВСУ в дифференциальной форме

1.10. ММ осесимметричного вихревого движения рабочей среды

1.11. Особенности вихревого течения, протекающего в РП ВСУ

1.12. Описание рабочей характеристики ВСУ

1.13. Обзор численных методов решения системы дифференциальных уравнений, входящих в состав математической модели течения рабочей среды внутри рабочей полости ВСУ

1.14. Обзор методов экспериментального исследования рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ

1.15. Обзор методов экспериментального исследования рабочих характеристик ВСУ

1.16. Обзор рекомендаций, посвященных конструктивному исполнению

ВСУ

Выводы по Главе

Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. Разработка математической модели рабочих процессов, протекающих в рабочей полости ВСУ

2.1. Разработка классификации рабочих полостей ВСУ

2.2. Математическая модель течения рабочей среды внутри рабочей полости ВСУ

2.3. Решение математической модели течения рабочей среды внутри рабочей полости ВСУ

2.4. Результаты численного исследования рабочего процесса, протекающего

в РП ВСУ с использованием допущения о изотермичности газа

2.5. Численное исследование течения рабочей среды, внутри РП ВСУ с учетом изменения температуры РС

Выводы по Главе

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования рабочих характеристик и параметров рабочих процессов, протекающих в рабочей полости ВСУ. Верификация ММ. Формулировка метода расчета ВСУ

3.1. Создание экспериментального образца ВСУ

3.2. Предварительные экспериментальные исследования рабочего процесса, протекающего в рабочей полости ВСУ

3.3. Методика определения значения давления потока управления, при котором происходит запирание потока питания

3.4. Проведение экспериментальных исследований с применением цифровых средств измерения

3.5. Средства измерения параметров рабочей среды, подаваемой на экспериментальный образец ВСУ

3.6. Разработка программного обеспечения, предназначенного для управления стендом и регистрации экспериментальных данных при помощи электронных средств измерения

3.7. Методика проведения эксперимента

3.8. Результаты экспериментальных исследований

3.9. Обработка результатов экспериментальных исследований характеристик ВСУ

3.10. Сопоставление результатов численного моделирования с результатами экспериментального исследования рабочих характеристик ВСУ

3.11. Исследование течения рабочей среды в рабочей полости ВСУ при помощи Шлирен-метода оптической визуализации течения РС

3.12. Описание установки для Шлирен-метода оптической визуализации

3.13. Результаты исследования течения РС в РП ВСУ при помощи Шлирен-метода оптической визуализации. Верификация ММ рабочего процесса, протекающего внутри РП ВСУ

3.14. Исследование поля температуры, внутри РП ВСУ при помощи метода инфракрасной термографии

3.15. Результаты исследования поля температуры, внутри РП ВСУ при помощи метода инфракрасной термографии. Верификация ММ рабочего процесса, протекающего внутри РП ВСУ

3.16. Разработка метода расчета ВСУ

Выводы по Главе

ГЛАВА 4. Применение метода расчета ВСУ при проведении расчетно-теоретических и экспериментальных исследований параметров рабочей

среды, протекающей внутри рабочих полостей ВСУ

4.1. Проведение расчетно-теоретических исследований параметров РС в РП ВСУ с распределенной по периферии ВК подачей ПП и ПУ

4.2. Проведение расчетно-теоретических исследований параметров РС в РП ВСУ с распределенной по периферии ВК подачей ПП и ПУ РС, а также с регулировкой закруткой ПП и ПУ РС

4.3. Проведение расчетно-теоретических исследований параметров РС в РП ВСУ, предназначенной для управления газореактивным приводом

4.4. Внедрение результатов работы. Разработка ВСУ для управления активным гидропневмодемпфером для технических средств реабилитации

Выводы по Главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

П.1. Вычисление потерь давления при прохождении РС через каналы питания, управления и выходного патрубка ВСУ при проведении численного

исследования рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ

П.2. Приведение экспериментальных значений параметров РС к значениям параметров РС в сечениях сопел объекта исследования

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Аббревиатуры

АТ - аддитивные технологии

ВК - вихревая камера

ВСУ - вихревое струйное устройство

ВТ - вихревое течение

ГПД - гидропневмодемпфер

ГТД - газотурбинный двигатель

ДД - датчик давления

ЖРД - жидкостный ракетный двигатель

ЗРА запорно-регулирующая арматура

ЗРУ - запорно-регулирующее устройство

ИК - инфракрасный

КМ - коленный модуль

КО контрольный объем

КС - камера сгорания

ЛА - летательный аппарат

МКО - метод контрольных объемов

МКР - метод конечных разностей

МКЭ - метод конечных элементов

ММ - математическая модель

НТЛ - научно-техническая литература

ОПН - ограничитель потока нефти

ПВРД - прямоточный воздушно-реактивный двигатель

ПК - персональный компьютер

ПНГ - попутный нефтяной газ

ПО - программное обеспечение

ПП - поток питания

ПУ РД РП РС ЦТ

поток управления реактивный двигатель рабочая полость рабочая среда (рабочее тело) центральное тело

Условные обозначения

Ф - обобщенная переменная АА - суммарная абсолютная погрешность АА пр - приборная погрешность А А сл - случайная абсолютная погрешность Ьп ит - ширина сопла питания ВСУ, м Ьупр - ширина сопла управления ВСУ, м С, - удельная теплоёмкость газа при постоянном объёме, Дж/(кг-К)

- диаметр ВК ВСУ, м

- диаметр выходного отверстия ВСУ, м

- дисперсия случайной величины ЕI (х) - функция Эйлера от х

- площадь проходного сечения канала ВСУ, м2

л

/эф - эффективная площадь проходного сечения, м ^ - сила (индекс i используется для обозначения природы

этой силы в каждом конкретном случае), Н £ - массовый расход, кг/с

- энтальпия

Н - высота ВК ВСУ, м I - импульс силы струи, Н к - показатель адиабаты ^кР - критерий Кохрена

кс - коэффициент смешения двух потоков ПП и ПУ

¿вых - длина выходного патрубка ВСУ, м

т - масса, кг

М - молярная масса, кг/моль

Мпр - приведённая масса, кг

Мг - момент количества движения частицы

р - давление, Па

-5

Q - объемный расход, м/с

г - радиус, м

Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(кг-К);

гт - радиус ВСУ, на котором давление становится равным

давлению окружающей среды, м

5 - площадь поверхности, м2

t - время, с

Т - температура, К

Гкр - критическая температура (температура рабочего тела в

критической точке), К

Тс - температура окружающей среды, К

и - удельная внутренняя энергия, Дж/кг

ис - тангенциальная скорость, м/с

иг - средняя радиальная скорость, м/с

- средняя тангенциальная скорость, м/с

щ - вертикальная составляющая скорости, м/с

и0 - удельная внутренняя энергия идеального газа, Дж/кг

V - скорость потока, м/с

-5

V - объем, м

WN - коэффициента, который является функцией вихря х - среднее значение измеренной величины х

Греческие символы

а - угол отклонения результирующего потока Р - угол между осями питающего и управляющего каналов Рк? - критическое отношение давлений у - объемный вес 6 - предельная погрешность прибора

60 - отклонение расчетного значения параметра от экспериментального значения, % е - относительная погрешность, %

ц - коэффициент отклонения результирующей струи от

первоначального направления струи питания д - динамическая вязкость, Пас; коэффициент расхода Д - турбулентная вязкость

-5

р - плотность, кг/м

о - среднеквадратическая погрешность результата измерения

опр - среднеквадратическая погрешность показаний прибора X - функция направления (угол) вектора потока на внешней стенке ВК

ш* - угловая скорость частицы, рад/с шгаза - скорость газа, м/с шзв - скорость звука, м/с

Критерии подобия

М - Число Маха Рг - число Прандтля Ъ - турбулентное число Прандтля

пит -расч -С

Подстрочные индексы

вых - индекс потока на выходе из ВСУ индекс потока питания расчётное значение величины

индекс параметров соответствующих радиусу дуги, касательной к которой является ось канала управления ВСУ

индекс потока управления экспериментальное значение величины индекс приведенных параметров индекс параметров торможения

упр эксп

г

*

11

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода расчета и создание вихревого струйного устройства для управления потоком газа»

Актуальность темы:

В настоящее время во многих областях практической деятельности человека широко используются запорно-регулирующие устройства (ЗРУ), предназначенные для управления давлением или расходом рабочей среды (РС).

Область применения ЗРУ чрезвычайно широка: системы трубопроводов для транспортировки природного газа от места его добычи до потребителя; системы с пневматическими или гидравлическими устройствами; системы подачи рабочих жидкостей в объектах гражданской и военной промышленности (ракетная техника, авиационная техника, беспилотные летательные аппараты, гусеничные и колесные транспортные средства), системы автоматического регулирования и многие другие.

В современной практике в основном используются ЗРУ, которые содержат в своей конструкции механически подвижные части, в связи с чем ЗРУ в большинстве своем определяют надежность и безотказность работы пневмогидравличе-ских систем, в составе которых они функционируют.

Однако существует ряд технологических процессов, в которых управление потоком РС с применением существующих ЗРУ затруднительно, а в некоторых случаях невозможно. К таким процессам можно отнести управление параметрами высокотемпературных и агрессивных сред в пневмогидравлических системах, применяемых в космической, авиационной, нефтегазовой и других областях промышленности, где РС может находиться при высокой температуре и быть загрязнена различными включениями или иметь химически активные частицы.

В середине прошлого столетия в связи с активным развитием ракетно-космической и оборонной промышленности появились регуляторы расхода и давления РС, принцип действия которых основан на использовании вихревого течения газа. Подобные устройства относятся к весьма перспективной ветви техники

автоматического регулирования - устройствам, не имеющим механически движущихся частей.

Данная работа посвящена разработке метода расчета и созданию новых вихревых регулирующих устройств, предназначенных для управления параметрами (расходом) потока газа, не имеющих в своей конструкции механически подвижных частей.

Степень разработанности темы:

Анализ работ, посвященных вопросу разработки методов расчета вихревых струйных устройств (ВСУ) и математических моделей (ММ), описывающих течение РС в рабочей полости (РП) ВСУ, показал актуальность выбранного направления исследования. В настоящее время перед разработчиками возникает несколько существенных проблем:

1. Большинство из рассмотренных ММ рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ имели ряд допущений: течение в вихревой камере (ВК) двухмерное, не учитывалось влияние стенок РП, не учитывалась вязкость РС, не учитывалась сжимаемость РС, а также не учитывалось взаимодействие и перемешивание потока управления (ПУ) с потоком питания (1111). Кроме того, рассмотренные ММ основывались на эмпирических зависимостях, которые на практике могут быть применены лишь на начальном этапе расчета подобных конструкций.

На практике течение РС в РП ВСУ представляет собой трехмерный характер и его возможно математически описать при помощи ММ в трехмерной постановке в приближении распределенных термодинамических параметров, которая позволила бы рассчитывать и исследовать рабочий процесс, протекающий в РП ВСУ с учетом действия стенок РП, а также вязкости РС.

Значительные отклонения результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований параметров РС в проточной полости ВСУ подтверждают необходимость дальнейшего развития методов расчета и создание ММ в приближении распределенных термодинамических параметров, с учетом вязкости и сжимаемости РС.

2. Большинство из рассмотренных конструктивных схем ВСУ так и не было доведено до широкого практического применения в связи с отсутствием отлаженных методов расчета рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ. Методы расчета, описанные в научно-технических источниках, не позволяют определить необходимые для проектирования нового оборудования параметры рабочих процессов и геометрии рабочей полости ВСУ. В связи с отсутствием вычислительных ресурсов в те времена, когда были разработаны основополагающие ММ, описывающие течение РС в РП ВСУ, расчетов по распределенным параметрам не проводилось.

Объектом исследования являются вихревые струйные устройства, предназначенные для управления потоком газа.

Предметом исследования являются рабочие процессы, протекающие в РП ВСУ и определяющие их технические и эксплуатационные характеристики.

Методы исследования. В работе использованы методы вычислительной гидрогазодинамики, численные методы решения дифференциальных уравнений, методы математического моделирования, методы обработки результатов экспериментальных данных. Экспериментальные методы исследования рабочих характеристик и рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ, к которым можно отнести методы визуализации рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ: шлирен-метод оптической визуализации и метод инфракрасной термографии.

Целью работы является:

Разработать метод расчета и создать ВСУ для управления параметрами потока газа.

Задачами исследования являются:

1. Разработать классификацию ВСУ по конструктивным и функциональным признакам.

2. Разработать математическую модель рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ, которая позволит определять значение параметров (давление, расход) РС ПУ, обеспечивающих изменение расхода 1111, вплоть до его запирания.

3. Провести расчетно-теоретические исследования рабочих параметров (распределение давления, скорости, температуры, плотности во всем объеме РП

ВСУ) и рабочих процессов (рабочий процесс, протекающий внутри РП ВСУ основан на взаимодействии струй двух потоков РС: питания и управления, и образовании вихревого течения РС).

4. Разработать экспериментальный стенд, создать экспериментальный образец ВСУ, методику проведения эксперимента и провести экспериментальные исследования для верификации ММ.

5. С использованием разработанного метода расчета ВСУ и математической модели провести расчетно-теоретические и экспериментальные исследования параметров РС, протекающей в РП ВСУ различных конфигураций.

6. Разработка ВСУ и внедрение результатов работы.

Научная новизна:

1. Разработана ММ течения РС в РП ВСУ в приближении распределённых параметров РС, применительно к созданной геометрии РП, которая отличается тем что: позволяет определять и исследовать поля давления, скорости, плотности и температуры РС во всем объеме РП ВСУ с целью определения функциональных параметров создаваемого устройства (значение расхода на выходе ВСУ в зависимости от значения расхода потока питания и расхода потока управления, значения параметров РС потока управления при которых происходит запирание потока питания), исследовать рабочие характеристики новых конструкций ВСУ, получать новые знания об объекте исследования, проводить разработку новых образцов ВСУ в интерактивном режиме (то есть когда можно провести виртуальное моделирование, прогнозирование предполагаемых характеристик создаваемого устройства, на начальном этапе проектирования до создания экспериментального образца), а также повысить эффективность проектирования и сократить сроки их разработки (за счет возможности внесения изменений в конструктивную схему еще на начальном этапе проектирования).

2. Разработан метод расчета ВСУ, позволяющий проектировать ВСУ на заданные газодинамические параметры РС; определять зависимость входных и выходных параметров РС от параметров управления, а также от геометрических па-

раметров РП ВСУ, который может быть использован при проектировании новых устройств, а также модернизации и улучшения работы уже созданных.

3. Получены результаты расчетно-теоретических исследований с использованием созданных метода расчета и ММ рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ: поля скорости, давления, плотности, температуры газа во всем объеме РП ВСУ, значение параметров ПУ при котором обеспечивается запирание ПП.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том,

что:

1. Разработана классификация ВСУ по конструктивным и функциональным признакам, позволяющая проводить синтез расчетной схемы ВСУ, генерировать новые технические решения, способствующая сокращению временных ресурсов на разработку нового устройства.

2. Разработан программно-аппаратный комплекс, включающий в себя экспериментальный стенд, программное обеспечение, а также методику проведения экспериментального исследования, проведены экспериментальные исследования рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ, подтвердившие адекватность разработанной ММ рабочих процессов в РП ВСУ.

3. Получены экспериментальные данные (номограммы зависимости расхода на выходе ВСУ от расхода управления при различных значениях давления питания и управления) которые могут быть использованы при создании новых ВСУ.

4. Создана методика определения газодинамических параметров потока управления, при которых происходит запирание потока питания.

5. Разработанный стенд, методика проведения экспериментального исследования параметров и рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ, а также результаты экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

6. Научные и практические результаты диссертационной работы внедрены в процессе проведения научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы при разработке активного гидропневмодемпфера протеза коленного модуля в ПАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука».

7. Результаты диссертационной работы использованы в практической деятельности ООО НПФ «МКТ-АСДМ» при разработке ЗРУ в виде: технических предложений по выполнению конструктивных схем, методик расчета и моделирования рабочих процессов гидропневмомеханических устройств и систем управления потоками; при разработке ЗРУ в системах регулирования пластового давления для нужд пожаротушения.

Положения, выносимые на защиту:

Метод расчета и ММ рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ. Результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований характеристик и рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ.

Степень достоверности и апробация работы:

Достоверность полученных результатов исследования обеспечивается применением сертифицированных средств измерения при проведении экспериментальных исследований. Достоверность результатов расчетно-теоретических исследований рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ подтверждена результатами собственных экспериментальных исследований. Адекватность разработанной ММ подтверждена путем сравнения графиков зависимости расходов питания, управления и на выходе ВСУ от давления управления, графиков зависимости давления питания и на выходе ВСУ от давления управления, качественного сравнения распределения плотности внутри ВК ВСУ, графиков распределения температуры вдоль радиуса ВК ВСУ, полученных в результате вычислительных и натурных экспериментов. Максимальное отклонение по расходу РС не превысило 14%, по давлению питания и на выходе ВСУ не превысило 7%, по давлению управления не превысило 13%, по температуре не превысило 16%.

Апробация результатов работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 26 научных конференциях и конкурсах. Из особо значимых можно выделить: Всероссийская научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва 2014, 2016, 2017 гг.); Конкурс проектов в области инфор-

мационных технологий «IT-прорыв» в энергетике (Москва 2017 г.); Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов (с международным участием) «Будущее машиностроения России» (Москва 2015-2021 гг.); «Всероссийский инновационный конкурс» на базе НГТУ, (Новосибирск 2017 г.); Международная научно-техническая конференция молодежи ПАО «Транснефть», (Москва 2017 г.); Общероссийская молодежная научно-техническая конференция «Молодежь. Техника. Космос», БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова (Санкт-Петербург 20182021 гг.); Всероссийская молодежная научно-практическая конференция и Всероссийский молодежный конкурс научно-технических работ «Орбита молодежи» (Санкт-Петербург 2019 г.); Конференция молодых учёных, «Фундаментальные и прикладные космические исследования», НОЦ ИКИ РАН (Москва 2019, 2021 гг.); Международная научно-техническая конференция «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (GTS-2019) (Москва 2019 г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Ракетно-космические двигательные установки», (Москва, 2020 г.); Международная конференция «Авиация и космонавтика», МАИ, (национальный исследовательский университет), (Москва 2020 г.); Академические чтения по космонавтике, МГТУ им. Н.Э. Баумана, (Москва 2021 г.); Международная научно-техническая конференция «Техники и технология нефтехимического и нефтегазового производства» «Oil and gas engineering», ФГБОУ ВО ОмГТУ, (Омск 2015-2021 гг.).

Экспериментальный образец ВСУ, экспериментальный стенд и результаты научной работы экспонировались на выставке: Всероссийская инновационная молодежная научно-инженерная выставка «Политехника» 2013, 2015-2017 гг.

Личный вклад автора:

Личный вклад автора заключается в разработке метода расчета и ММ рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ, в проведении расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, создании программно-аппаратного комплекса и методики проведения эксперимента, создании новых геометрий РП ВСУ: с распределенной по периферии ВК подачей ПП и ПУ РС; РП ВСУ с возможностью

управления закруткой ПП и ПУ; РП ВСУ, предназначенной для управления тягой газореактивного привода.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 38 работы, в том числе 5 работ в рецензируемых изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ по специальности 05.04.06 «Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы», 6 в изданиях, входящих в базу данных Scopus, общим объемом 22,541 п.л.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, пять глав, выводы и заключение, библиографический список из 120 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов, 2 приложения. Основная часть изложена на 169 страницах, содержит 69 рисунка и 12 таблиц.

Содержание работы:

В первой главе приведены общие сведения о состоянии вопроса исследования и разработки ВСУ. Проведен обзор областей применения данных устройств. Рассмотрены типовые схемы ВСУ: с сосредоточенной и распределенной по периферии ВК подачей РС, а также рассмотрен принцип их действия, преимущества и недостатки. Собрана и проанализирована статистка по публикационной активности научно-технической литературы (НТЛ), подтверждающая современный интерес к разработке подобного рода устройств, выявлены ключевые отрасли, где были использованы ВСУ.

Проанализированы методы расчета ВСУ и ММ рабочих процессов, протекающих в рабочей полости ВСУ в приближении сосредоточенных и распределенных параметров РС как для несжимаемых, так и сжимаемых РС и представлены определяющие их расчетные зависимости. Приведен обзор рекомендаций, посвященных конструктивному исполнению ВСУ. Приведен обзор методов экспериментального исследования рабочих характеристик и рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ, к которым можно отнести методы визуализации рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ.

В результате анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена созданию математической модели рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ. С целью сокращения сроков на разработку но-

вых схем и конструкций ВСУ разработана классификация существующих технических решений по конструктивным и функциональным признакам, которая позволяет проводить синтез расчетной схемы ВСУ, генерировать новые технические решения путем комбинации существующих элементов ВСУ. При помощи разработанной классификации создана расчетная область РП ВСУ. Проведен оценочный газодинамический расчет в приближении сосредоточенных параметров РС, с использованием зависимостей Сен-Венана и Ванцеля, в результате которого определены суммарные проходные сечения питающего и управляющего каналов и выходного патрубка.

Проведен расчет геометрических параметров РП в соответствии с рассчитанными проходными сечениями каналов питания и управления, а также опираясь на накопленный опыт по данной теме из НТЛ.

Разработана ММ рабочего процесса, протекающего в рабочей полости ВСУ. Приведена схема рабочей полости ВСУ с сосредоточенной по периферии ВК подачей ПП и ПУ, обозначен объект исследования, сформулированы допущения ММ и основные расчетные зависимости, дополненные начальными и граничными условиями. Описывается метод решения составленной системы уравнений для выделенной расчетной области. Проведено численное моделирование, выполненное с использованием созданной ММ. Приводятся результаты численного исследования рабочих процессов с применением ММ и их анализ, позволяющий определить величину давления и расхода управления, при котором происходит запирание ПП.

Третья глава посвящена верификации ММ. Разработана трехмерная модель и создан методом аддитивных технологий (АТ) экспериментальный образец ВСУ, разработан программно-аппаратный комплекс, методика проведения эксперимента и получены результаты экспериментальных исследований характеристик и рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ: получены номограммы зависимости расхода на выходе из ВСУ от расхода управления, которые позволяют определить значение давления управления, при котором происходит эффект запирания ПП при различных значениях давления питания и управления. Оценена погреш-

ность полученных результатов и проведено сравнение с результатами расчетно-теоретических исследований.

Для верификации параметров РС, внутри РП ВСУ проведено экспериментальное исследование рабочего процесса внутри РП ВСУ при помощи методов визуализации рабочего процесса: шлирен-метода оптической визуализации и метода инфракрасной термографии.

В заключение главы сформулирован метода расчета ВСУ и приведена его блок-схема.

Четвертая глава посвящена применению метода расчета ВСУ и ММ рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ при проведении расчетно-теоретических исследований параметров рабочей среды, протекающей внутри рабочих полостей ВСУ: с торообразной ВК и распределенной по периферии ВК подачей ПП и ПУ РС; с возможностью управления закруткой ПП и ПУ; при создании ВСУ для управления тягой газореактивного привода. Представлено внедрение результатов работы при создании активного гидропневмодемпфера протеза коленного модуля.

В заключение представлены результаты работы, которые соответствуют поставленной цели и задачам.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ: РАБОТ, ПОСВЯЩЕННЫХ ДАННОЙ ТЕМЕ.

СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО РАЗРАБОТКЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА ВИХРЕВЫХ СТРУЙНЫХ

УСТРОЙСТВ

1.1. Проблематика при создании существующих ЗРУ

ЗРУ, предназначенные для управления параметрами потока РС, получили широкое распространение во многих областях практической деятельности человека. К ЗРУ относятся клапаны, вентили, задвижки, поворотные заслонки, регуляторы давления или расхода РС и т.д. Особое место среди ЗРУ занимают регулирующие устройства. Регулятор давления или расхода РС включает в себя такие основные элементы, как измерительное и задающее устройства, исполнительный механизм и линию обратной связи. Такой тип регуляторов давления или расхода РС содержит в себе механически подвижные части.

ЗРУ в большинстве своем определяют надежность и безотказность работы пневмогидравлических систем, в составе которых они функционируют. Прежде всего, это объясняется наличием подвижных элементов, движущихся с большими скоростями и соударяющихся с деталями и узлами конструкции. Подвижные элементы ЗРУ подвержены воздействию нелинейных газостатических и газодинамических нагрузок, что в совокупности с действием сил со стороны упругих элементов может ввести их в режим автоколебаний. Такие элементы ЗРУ, как клапанные узлы, взаимодействуют со скоростным потоком РС, а также с веществами и абразивными включениями, химически активными частицами, парами металлов, содержащимися в РС, в результате этого возможно частичное, а в некоторых случаях полное разрушение уплотнительного элемента и исполнительного органа в целом (Рисунок 1.1). В малорасходных регуляторах давления высота подъема клапанного узла в ЗРУ в процессе регулирования выходного давления или расхода газа может находиться в диапазоне от нескольких микрометров до нескольких де-

сятых долей миллиметра, что вызывает необходимость высокой степени очистки РС. Все это сильно удорожает конструкцию, делает ее менее надежной, а также повышает затраты на установку и эксплуатацию. Использование ЗРУ с механически подвижными элементами в системах с загрязненными, агрессивными и/или высокотемпературными РС крайне затруднено, а в некоторых случаях просто невозможно.

а б в г

Рисунок 1.1. Существующие проблемы при разработке или эксплуатации ЗРУ: а - разрушение плунжера и седла клапанного узла в следствие наличия абразивных включений в РС; б - сборка исполнительного органа регулирующего клапана до эксплуатации; в - исполнительный орган, вышедший из строя после эксплуатации в результате воздействия кавитации и абразивных веществ; г - поворотная заслонка, используемая в аэродинамической трубе для испытания ракетных двигателей (РД), взаимодействующая с газом, содержащим в своем составе продукты сгорания РД, частицы металла и химически активные элементы (например, такие компоненты топлива как: азотный тетраоксид, несимметричный диметилгидразин)

Повысить надежность работы ЗРУ можно путем создания конструкций без подвижных элементов, принцип работы которого основывается исключительно на аэродинамических эффектах, таких как: эффект Коанда (Эффект Коанда - это свойство струи изменять направление течения из-за прилипания к расположенной

в близи твердой стенке), взаимодействие и турбулизация потоков РС, использование вихревого течения РС.

Технические средства, в которых для управления потоком РС применены перечисленные процессы и эффекты называют «Вихревые струйные устройства», которые включают в себя следующие устройства: вихревые дроссели, вихревые триоды (Рисунок 1.2), вихревые клапаны, вихревые регулирующие клапаны, выступающие в качестве исполнительного органа в составе регуляторов давления или расхода РС (Рисунок 1.2, в). Такие устройства как ВСУ могут функционировать при работе с высокотемпературными, химически агрессивными и загрязненными РС. В качестве РС могут быть сжимаемые и несжимаемые ньютоновские и неньютоновские жидкости, в том числе жидкие многофазные РС с различными включениями твердых частиц. Классическая схема ВСУ с одним каналом питания и управления представлена на (Рисунок 1.2, а).

а б в

Рисунок 1.2. Схемы ВСУ с сосредоточенной подачей ПП и ПУ РС (а), ВСУ с распределенной по периферии ВК подачей ПП и сосредоточенной подачей ПУ РС (б) и применения ВСУ в вихревом регуляторе давления РС (в): 1 и 2 - канал управления и питания; 3 - ВК; 4 - выходной патрубок; 5 - ПП; 6 и 8 - радиальное и вихревое течение; 7 - ПУ; 9 и 13 - наличие и отсутствие вихревого течения; 10 и 11 - канал сброса и выхода; 12 - расфокусировка выходного потока; 14 - вихревой клапан; 15 - элемент сравнения; 16 - вихревой регулятор давления РС

1.2. Принцип работы ВСУ

Принцип работы ВСУ построенного по классической схеме: с одним каналом питания и управления следующий: 1111 2 поступает в ВК 3, заполняет её и проходит к выходному патрубку 4. При необходимости понизить давление или расход в выходном патрубке 4 необходимо подать вспомогательный поток - ПУ в канал управления 1. В результате этого в вихревой камере образуется вихревое течение РС. Понижение давления на выходе из ВСУ осуществляется за счет создания гидравлического сопротивления при вихревом движении РС от периферии ВК к центру. Сопротивление осуществляется за счет вихревого течения (ВТ), в результате которого образуется поле центробежных сил, действующих на вращающуюся массу РС. В результате этого создается перепад давления: в центре вихря - пониженное давление; на периферии вихря - повышенное давление. В тот момент, когда на периферии ВК давление станет равным давлению в канале питания, расход из канала питания прекращается. Такой эффект называется эффектом запирания ПП ВСУ.

ВСУ с одним каналом питания и управления могут использоваться в системах автоматического регулирования, где присутствуют малые расходы РС (Рисунок 1.2, а). Для управления высокоэнергетическими потоками, к которым можно отнести потоки, имеющие высокую температуру, высокое давление и расход, используются конструкции с распределенной по периферии ВК подачей ПП и ПУ РС (Рисунок 1.2, б).

ВСУ не имеют механически подвижных частей и могут быть использованы в качестве исполнительного органа в немеханических регуляторах давления или расхода РС (Рисунок 1.2, в).

1.3. История создания ВСУ

История создания ВСУ описана в работе [1]. Использование ВСУ началось в 1928 году, когда профессор Дитер Том из Мюнхенского университета факульте-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Усс Александр Юрьевич, 2022 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Усс А.Ю., Чернышев А.В. Разработка вихревой регулирующей арматуры для управления расходом газа // Тринадцатая Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов (с международным участием) «Будущее машиностроения России»: сборник докладов. Т. 1. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2020. С. 313-320.

2. Brombach Hansjorg. 50 Years of fluidics - vortex effects and flow control // Wasser Wirtschaft. 2012. Vol. 100, Issue 1. P. 73-79.

3. Tesar V. Airfoil cascades with bistable separation control // WIT Transactions on Engineering Sciences. 2010. Vol. 69. P. 331-343.

4. Verberne Onno, Skrivervik Ola. History of the nammo raufoss rocket motor division // 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Tucson, Arizona. 2005. AIAA 2005-3806. 9 p. https://doi.org/10.2514/6.2005-3806 (дата обращения 10.12.2021).

5. Numerical study of the effect of geometric parameters on jet tab based TVC system / Ahmed Ali [et al.] // Proceedings of 2016 13th International Bhurban Conference on Applied Sciences & Technology (IBCAST). Islamabad, Pakistan. 2016. P. 509-514.

6. Kostic Olivera, Stefanovic Zoran, Kostic Ivan. Comparative CFD analyses of a 2D supersonic nozzle flow with jet tab and jet vane // Tehnicki vjesnik. 2017. Vol. 24, Issue 5. P. 1335-1344. https://doi.org/10.17559/TV-20160208145336 (дата обращения 10.12.2021).

7. Development of an all-fluid amplifier for liquid rocket applications: report / Kas-selrnann J.T., Rivard J.G. NASA CR-54446 BC/RLD 3015.Washington, D.C., 1965. 131 p.

8. Zhang L., Wei Z.J. Numerical study on flow regulation characteristics of high temperature jet vortex valve // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 887, Issue 1, 012014. Chengdu, China. 2020. 10 p. https://doi.org/10.1088/1757-899X/887/1/012014 (дата обращения 10.12.2021).

9. Fluidic nozzle throats in solid rocket motors / Kan Xie [et al.] Singapore: Springer, 2019. 237 p.

10. Использование вихревой регулирующей арматуры для управления силовыми установками при создании перспективных образцов техники / А.Ю. Усс [и др.] //

Молодежь. Техника. Космос: труды тринадцатой общероссийской молодежной научно-технической конференции. Т. 1. СПб.: Сан-Принт. 2021. C. 130-140.

11. Wei X.G., Li J., He G.Q. Swirl characteristics of vortex valve variable - thrust solid rocket motor // Journal of Applied Fluid Mechanics. 2018. Vol. 11, Issue 1. P. 205-215.

12. Anil Alan, Yildiray Yildiz, Umit Poyraz. High-performance adaptive pressure control in the presence of time delays: Pressure control for use in variable-thrust rocket development // IEEE control systems. 2018. Vol. 38, Issue 5. P. 26-52. https://doi.org/10.1109/MCS.2018.2851009 (дата обращения 10.12.2021).

13. Wei X.G., Li J., He G.Q. Influence of structural parameters on the performance of vortex valve variable-thrust solid rocket motor // International Journal of Turbo & Jet-Engines. 2017. Vol. 34, Issue 1. P.1-9. https://doi.org/10.1515/tij-2015-0047 (дата обращения 10.12.2021).

14. Бугаенко В.Ф. Пневмоавтоматика ракетно-космических систем / Под ред. академика АН УССР В.С. Будника. М.: Машиностроение, 1979. 168 с.

15. Flow control systems: US 7,712,317 B2 US / Timothy J. Scanlon filed 15.03.2007; date of patent 11.05.2010. 8 p.

16. Plasma-fluidic no moving parts valve: experiments and numerical studies / Li-Wei Chen [et al.] // 8th AIAA Flow Control Conference. Washington. 2016. 31 p. https://doi.org/10.2514Z6.2016-4235 (дата обращения 10.12.2021).

17. Koli B.R. CFD investigation of a switched vortex valve for cooling air flow modulation in aeroengine: a thesis for the degree of Doctor of Philosophy. Loughborough. 2015. 202 p.

18. Sudiptya Banerjee1, Berna Hascakir. Design of flow control devices in steam-assisted gravity drainage (SAGD) completion // Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. 2018. Vol. 8. P. 785-797.

19. Jovanov Igor. Performance of autonomous inflow control systems: master's thesis. Stavanger, Norway. 2016. P. 73.

20. Birchenko V.M., Muradov K.M., Davies D.R. Reduction of the horizontal well's heel-toe effect with inflow control devices // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2010. Vol. 75, Issues 1-2. P. 244-250. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2010.11.013 (дата обращения 10.12.2021).

21. Computational study of the velocity fields and pressure differential in a reynolds-number-sensitive fluidic resistor / Charles Farbos de Luzan [et al.] // Flow, Turbulence and Combustion. 2018. Vol. 102. P. 221-234.

22. A novel automatic phase selection device: design and optimization / Feng Zhang [et al.] // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018. Vol. 108, Issue 3. 9 p. https://doi.org/10.1088/1755-1315/108/3/032021 (дата обращения 10.12.2021).

23. Experimental study on water control performance of new AICD / Zhu Chunming [et al.] // China petroleum machinery. 2019. Vol. 47, Issue 8. P. 79-86.

24. A Novel autonomous inflow control device design based on the combination of two dynamic fluid technologies / Guangsen Sang [et al.] // Paper presented at the IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference. Bangkok, Thailand. SPE-170506-MS. 2014. 11 p. https://www.researchgate.net/publication/269195619 (дата обращения 10.12.2021).

25. A novel autonomous inflow control device design and its performance prediction / Quanshu Zeng [et al.] // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2015. Vol. 126. P. 35-47.

26. Cyclone type autonomous inflow control device for water and gas control: simulation-driven design / Gocha Chochua [et al.] // Paper presented at the Abu Dhabi International Petroleum Exhibition & Conference. Abu Dhabi, UAE. SPE-192723-MS. 2018. 18 p. https://doi.org/10.2118/192723-MS (дата обращения 10.12.2021).

27. Wang Xiaoqiu, Wang Zhiming, Zeng Quanshu. A novel autonomous inflow control device: design, stracture optimization, and fluid sensitivity analysis // Paper presented at the International Petroleum Technology Conference. Kuala Lumpur, Malaysia. IPTC-17758-MS. 2014. 13 p. https://doi.org/10.2523/IPTC-17758-MS (дата обращения 10.12.2021).

28. Matthew Miersma. Analysis of inflow control devices for steam assisted gravity drainage using computational fluid dynamics: a thesis for the degree of Master of Science. Alberta. 2018. 114 p.

29. The fluidic approach to mud pulser valve design for measurement-while-drilling applications: Technical report / Author Allen B. Holmes. Report number HDL R-2058, AD-A 163 613. Adeiphi, 1985. 53 p.

30. Усс А.Ю., Пугачук А.С., Чернышев А.В. Разработка регулирующей арматуры с использованием принципа вихревого течения рабочей среды // Вести газовой науки. 2020. № 2 (44). С. 215-221.

31. Francis J., Birch M.J., Parker D. Computational fluid dynamic studies of vortex amplifier design for the nuclear industry-II. Transient conditions // Journal of Fluids Engineering. 2012. Vol. 134, Issue 2, No. 021103. 12 p. https://doi.org/10.1115/1.4005950 (дата обращения 10.12.2021).

32. Parker D., Birch M.J., Francis J. Computational fluid dynamic studies of vortex amplifier design for the nuclear industry-I. Steady-state conditions // Journal of Fluids Engineering. 2011. Vol. 133, Issue 4, No. 041103. 16 p. https://doi.org/10.1115/L4003775 (дата обращения 10.12.2021).

33. Control port influence on swirl, operating, and flow characteristics of a minivortex amplifier on glove box service / J. Francis [et al.] // Journal of Fluids Engineering. 2014. Vol. 136, Issue 12, No. 121104. 11 p. https://doi.org/10.1115/L4028007 (дата обращения 10.12.2021).

34. Francis J., Parker D. Numerical simulation of observed flow phenomena in the supply and control ports and associated feed channels of a mini-vortex amplifier // Journal of Mechanical Engineering Science. 2016. Vol. 230, Issue 5. 26 p. https://doi.org/10.1177/0954406215573599 (дата обращения 10.12.2021).

35. Comparison of different safety injection tank models in mars-KS / Jai Oan Cho [et al.] // Transactions of the Korean Nuclear Society Spring Meeting. Jeju, Korea. 2017. 3 p. https://www.kns.org/files/pre_paper/37/17S-484%EC%A1%B0%EC%9E%AC%EC%99%84 (дата обращения 10.12.2021).

36. Cho S.W., Seo H.S., Kim Y.J. A Study on the flow characteristics of the fluidic vortex damper // IOP Conference Series. Materials Science and Engineering. 6th International Conference on Pumps and Fans with Compressors and Wind Turbines. 2013. Vol. 47, Issue 15. 6 p. https://doi.org/10.1088/1757-899X/52/7/072020 (дата обращения 10.12.2021).

37. Pilot-plant testing of a two-phase vortex fluid amplifier for liquid flow control. Physical description: Report / Author LaMont P.E. Idaho Nuclear Corp., Idaho Falls, ID (USA), 1969. 21 p.

38. Szymon Mielczarek, Jerzy M. Sawicki. Free-surface elevation in open vortex flow controls // Water Science. 2016. Vol. 30, Issue 2. P. 76-83.

39. Modelling of vortex flow controls at high drainage flow rates / Daniel Jarman [et al.] // Engineering and Computational Mechanics. 2014. Vol. 168, Issue 1. P. 17-34.

40. Чурин П.С. Исследование возможности использования энергетических водоводов высоконапорных гидроэлектростанций для сброса холостых расходов: авт. дис. канд. техн. наук. Москва. 2015. 20 с.

41. Andrzej Kotowski, Patryk Wojtowicz. Analysis of Hydraulic Parameters of Conical Vortex Regulators // Polish Journal of Environmental Studies. 2010. Vol. 19, Issue 4. P. 749-756.

42. Hansjorg Brombach. Vortex throttles, vortex valves and vortex separators - from basic research to commercial utilization // Wasser Wirtschaft. 2012. Vol. 102, Issue 10. P. 42-48.

43. Meyer J.A., Joyce Jr. J.W. The fluid amplifier and its application in medical devices // Anesthesia & Analgesia. 1968. Vol. 47, Issue 6. P. 710-716.

44. Гусенцова Я.А., Коваленко А.А., Соколов В.И. Вихревые и струйные регулирующие устройства систем воздушного отопления и вентиляции. Луганск: Видав-ництво СНУ им. В. Даля, 2006. 88 с.

45. Вихревые устройства в системах вентиляции / Я.А. Гусенцова [и др.]. Луганск: Видавництво СНУ им. В. Даля, 2006. 255 с.

46. Liang Xu, Ming Yang, Lin Ye, Zhaopeng Dong. Computational fluid dynamics analysis and PIV validation of a bionic vortex flow pulsatile LVAD // Technology and Health Care. 2015. Vol. 23, Issue S2. P. S443-S451.

47. Rachid Khelfaoui. Micromelangeurs: etude experimentale et numerique de solutions techniques adaptees aux microsystems: a thesis for the degree of Doctor. Toulouse. 2007. 125 p.

48. Che-Hsin Lin, Chien-Hsiung Tsai, Lung-Ming Fu. A rapid three-dimensional vortex micromixer utilizing self-rotation effects under low Reynolds number conditions // Journal of micromechanics and microengineering. 2005. Vol. 15. P. 935-943.

49. Brendan Harding, Yvonne Stokes. Fluid flow in a spiral microfluidic duct // Physics of fluids. 2018. Vol. 30, Issue 4, No. 042007. 19 p. https://doi.org/10.1063/L5026334 (дата обращения 10.12.2021).

50. A hydraulic prosthetic joint, hydraulische gelenkprothese, articulation prothetique hydraulique: EP2339995 / Jennifer A., Jacob Quintus Laurens Anthony date of filing 27.10.2009; mention of the grant of the patent 22.06.2016. Bulletin 2016/25. 25. p.

51. Усс А.Ю., Чернышев А.В. Применение вихревого струйного устройства при разработке активных гидропневмодемпферов, используемых в технических средствах реабилитации // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2021. № 1 (136). C. 185-204.

52. CFD Simulation of a Vortex Ejector for Use in Vacuum Applications / O.A. Ev-dokimov [et al.] // Journal of Physics Conference Series. 2018. Vol. 1128. 6 p. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1128/1/012127 (дата обращения 10.12.2021).

53. Vaclav Tesar. Safe pumping of hazardous liquids - A survey of no-moving-part pump principles // Chemical Engineering Journal. 2011. Vol. 168, Issue 1. P. 23-34.

54. Sonu K. Thomas, Thiruchengode M. Muruganandam. A review of acoustic compressors and pumps from fluidics perspective // Sensors and Actuators A: Physical. 2018. Vol. 283. P. 42-53.

55. A valveless piezoelectric micropump based on projection micro litho stereo exposure technology / Jun Huang [et al.] // IEEE Access. 2019. Vol. 7. P. 77340-77347.

56. Hydraulic Fluid Interaction Servovalve: Report / Author Phillips T.A., Blatter A. Contract No. NAS 8-11928, report No. 4428. Huntsville, Alabama, 1968. 132 p.

57. Uss A., Pugachuk A., Chernyshov A. Development and application of vortex control valves in pneumahydraulic systems // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 779, Issue 1, No. 012040. 9 p. https://doi.org/10.1088/1757-899X/779/1/012040 (дата обращения 10.12.2021).

58. Adib Bazgir. Numerical investigation of flow pattern inside different counter-flow Ranque-Hilsch vortex tube refrigerators // Conference: 3rd International Conference on Innovation In science and Technology. Berlin, Germany. 2017. 17 p. https://doi.org/10.1080/00986445.2016.1155989 (дата обращения 10.12.2021).

59. Wirachman Wisnoe, Khairil Muhaimin Abd Rahman, Yusman Istihat, Valliyap-pan David Natarajan. Thermofluid-acoustic analysis of a ranque-hilsch vortex tube / Procedia Technology. 2016. Vol. 26. P. 544-551.

60. Ахметов Р.Ф. Совершенствование струйных аппаратов с закручивающими устройствами в процессах подготовки газа и нефти к переработке: дис. ... кан. Техн. наук. Уфа. 2017. 146 с.

61. Seyed Ehsan Rafiee, M.M. Sadeghiazad. Heat and mass transfer between cold and hot vortex cores inside Ranque-Hilsch vortex tube-optimization of hot tube length // International journal of heat and technology. 2016. Vol. 34, Issue 1. P. 31-38.

62. Гимадиев А.Г., Уткин А.В. Исследование характеристик вихревого гидравлического дросселя для систем подготовки проб теплоносителя // Вестник СГАУ. 2015. Т.14, № 4. С. 110-117.

63. Залманзон Л.А. Теория элементов пневмоники. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1969. 508 с.

64. Лебедев И.В., Трескунов С.Л., Яковенко В.С. Элементы струйной автоматики. М.: Машиностроение, 1973. 360 с.

65. Исследование и расчет струйных элементов и цепей систем автоматического регулирования / Под ред. проф., д.т.н. Д.Н. Попова. Труды МВТУ № 244. М.: Ротапринт МВТУ, 1977. 79 с.

66. Рехтен А.В. Струйная техника: Основы, элементы, схемы / Перевод с немецкого А.А. Левин. М.: Машиностроение, 1980. 237 с.

67. Herbert M. Schaedel. Fluidische Bauelemente und Netzwerke. Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg, 1979. 272 p.

68. Теория турбулентных струй / Г.Н. Абрамович [и др.]. Под ред. Г.Н. Абрамовича. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. 716 с.

69. Вулис Л.А., Кашкаров В.П. Теория струй вязкой жидкости. М.: Наука, 1965. 431 с.

70. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. 840 с.

71. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Гидродинамика. ^VI. М.: Наука, 1986. 736 с.

72. Иванов H.H. Теоретическое исследование взаимодействия двух струй, вытекающих из каналов с прямолинейными стенками. В кн.: Кибернетика и управление. М.: Наука, 1967. С. 172-176.

73. Карабут Е.А. Малые возмущения в задаче о соударении струй. Основные уравнения // Прикладная механика и техническая физика. 2009. Т. 50, № 6. С. 36-54.

74. Аникин А.Ю., Бояринцева Т.Е., Сидняев Н.И. Математическая модель осе-симметричного вихревого движения // Наука и образование: Электронное научное

издание. 2012. №2. 12 с. http://engineering-science.ru/doc/318125.html (дата обращения 10.12.2021).

75. Joseph M. Kirshner, Silas Katz. Design theory of fluidic components. New York, San Francisco, London: Academic press, 1975. 479 p.

76. Waliace W. Anderson. A dynamic model of vortex-type fluid amplifiers: a thesis for the degree of Doctor of Science. Cambridge, Massachusetts. 1971. 145 p.

77. Foster K., Parker G.A. Fluidics. Components and circuits. London, New York: John Wiley & Sons Ltd, 1970. 599 p.

78. The development of a stand for visualizing and studying the gas flow in the flow cavity of a vortex jet device / A.Yu Uss. [et al.] // AIP Conference Proceedings. 2020. Vol. 2285, Issue 1, No. 030011. 11 p. https://doi.org/10.1063/5.0026796 (дата обращения 10.12.2021).

79. David May, John W. Chew, Timothy J. Scanlon. Prediction of deswirled radial inflow in rotating cavities with hysteresis // Journal of Turbomachinery, Vol. 135, Issue 4, No. 041025, 2013. 7 p. https://doi.org/10.1115/L4007741 (дата обращения 10.12.2021).

80. David May, John W. Chew. A model for the transient behavior of vortex amplifiers // Proceedings of the ASME turbo expo 2014: Turbine technical conference and exposition GT2014. Düsseldorf, Germany. 2014. Vol. 5C. 13 p. https://doi.org/10.1115/GT2014-25092 (дата обращения 10.12.2021).

81. Крутиков А.А. Создание метода расчета и разработка пневматических исполнительных устройств нагрева и охлаждения: дис. ... канд. М. 2008. 124 с.

82. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен / Пер с англ. Т.1. М.: Мир, 1990. 384 с.

83. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен / Пер с англ. Т.2. М.: Мир, 1990. 392 с.

84. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. М.: Еди-ториал УРСС, 2003. 784 с.

85. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы / Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 428 с.

86. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей / Пер. с англ. Т.1. М.: Мир, 1991. 504 с.

87. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей / Пер. с англ. Т.2. М.: Мир, 1991. 552 с.

88. Патанкар С.В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах / Пер. с англ. М.: Издательство МЭИ, 2003. 312 с.

89. Versteeg H.K., Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics. The finite volume method. N.Y.: Longman, 1995. 257 p.

91. Шайдуров В. В. Многосеточные методы конечных элементов. М.: Наука, 1989. 288 с.

90. Пугачук А.С. Разработка метода расчета рабочих процессов и создание пневмовакуумной установки сепарации ДНК: дис. ... канд. техн. наук. М. 2016. 150 с.

92. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика. Ч.1. М.: Физматгиз, 1963. 584 с.

93. Разработка стенда для визуализации и экспериментального исследования рабочего процесса в вихревом струйном устройстве / А.Ю. Усс [и др.] // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2020. Т. 4, № 3. С. 45-55.

94. Guido Belforte, Andrea Manuello Bertetto, Luigi Mazza. Semi-empirical study of water flow through vortex triodes and performance optimization // Journal of Fluids Engineering. 2015. Vol. 137, Issue 12, No. 121203. 11 p. https://doi.org/10.1115/L4031017 (дата обращения 10.12.2021).

95. Экспериментальное исследование термодинамической эффективности регулируемой вихревой трубы на природном газе / В. Бетлинский [и др.] // Нефтегазовые технологии. 2008. № 2. С. 2-6.

96. Пархимович А.Ю., Соловьев А.А. Исследование экспериментальных характеристик вихревого регулятора // Вестник УГАТУ. 2006. Том 8, № 1(17). С. 13-15.

97. Vortex fluid amplifier with noise suppresser: 3,722,522 US / James E Randal filed 10.06.1971; 27.03.1973. 4 p.

98. Uss A.Yu., Chernyshev A.V. The development of the vortex gas pressure regulator // Procedia Engineering. 2016. Vol. 152, P. 380-388. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.07.718 (дата обращения 10.12.2021).

99. Tesar V. Superquadratic fluidic restrictors and their applications // Advances in Fluid Mechanics IX. 2012. Vol. 74. P. 507-519.

100. Vortex diode analysis and testing for fluoride salt-cooled high-temperature reactors: Report / Author L. Graydon [et al.]. No. 0RNL/TM-2011/425. Oak Ridge, Tennessee, 2011. 31 p.

101. Усс А.Ю., Чернышев А.В. Классификация вихревых струйных устройств, предназначенных для управления потоком газа в пневмогидравлических системах // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2020. № 7. С. 43-58.

102. Вихревая труба: RU 2 533 590 C2 РФ / А.В. Ловцов, А.С. Носков, В.П. Сыропятов, А.В. Хаит заявл. 04.02.2013; опубл. 20.11.2014. Бюлл. № 32. 8 с.

103. Valves with flow control by synthetic jets / Vaclav Tesa [et al.] // EPJ Web of Conferences. Experimental Fluid Mechanics. 2012. Vol. 25, No. 01092. 16 p. https://doi.org/10.1051/epjconf/20122501092 (дата обращения 10.12.2021).

104. Левицкий М.П., Левицкая И.М. Об одном решении струйного управления расходом // ТПА. 2018. № 5 (98). С. 38-41.

105. Uss A.Yu., Chernyshev A.V., Atamasov N.V. Development of the calculation method and designing of a vortex jet device for gas flow regulation purposes // AIP Conference Proceedings. 2019. Vol. 2141, No. 030028. 10 p. https://doi.org/10.1063/1.5122078 (дата обращения 10.12.2021).

106. Гидравлический вихревой регулятор: RU 36904 U1 РФ / В.В. Бондаренко, В.С. Мельников, А.А. Макеев заявл. 28.01.2003; опубл. 27.03.2004. 2 с.

107. Пархимович А.Ю., Соловьев А.А. Исследование экспериментальных характеристик вихревого регулятора // Вестник УГАТУ. 2006. Т. 8, № 4. С. 13-15.

108. Гурин С.В., Соловьев А.А. Исследование возможности получения изотермического процесса при дросселировании в вихревом регуляторе давления газа // Вестник УГАТУ. 2006. Том 8, № 4. С. 3-6.

109. Опыт реализации квазиизотермического редуцирования в вихревых регуляторах давления энергетических систем / Ф.Г. Бакиров [и др.] // Вестник УГАТУ. 2007. T. 9, № 6 (24). C. 66-74.

110. Мефедова Ю.А. Магнитожидкостныи вихревой элемент для электрогидравлических систем управления: авт. дис. ... канд. Техн. наук. Саратов. 2008. 19 с.

111. Мефедова Ю.А., Власов А.В., Власов В.В. Электрогидравлический вихревой регулирующий элемент с магнитожидкостным сенсором // Вестник СГТУ. 2007. Т. 1, № 1(21). С. 63-69.

112. Усс А.Ю., Чернышев А.В., Стародубцев А.А. Разработка вихревого регулятора // Инженерный журнал: наука и инновации2015. № 11 (47). 5 с. http://engjournal.ru/catalog/pmce/vct/1440.html (дата обращения 10.12.2021).

113. Uss A.Yu., Chernyshyov A.V., Krylov V.I. Development of gas pressure vortex regulator // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1876, Issue 1, No. 020025. 10 p. https://doi.org/10.1063/L4998845 (дата обращения 10.12.2021).

114. Атамасов Н.В. Разработка математической модели и метода расчета динамических процессов в агрегатах пневматических систем с учетом свойств реального газа: дис. ... канд. Техн. наук. М. 2018. 117 с.

115. Борисов Ю.А. Разработка метода расчета и создание пневмовакуумной установки концентрирования химических растворов: дис. ... канд. Техн. наук. М. 2016. 117 с.

116. Васильева В.А. Разработка метода расчета и исследование рабочих процессов регуляторов давления с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент: дис. ... канд. Техн. наук. М. 2015. 124 с.

117. Uss A.Yu., Chernyshyov A.V., Pugachuk A.S. Application of additive technologies in the development of a vortex valve to control the thrust of a gas-jet drive // AIP Conference Proceedings. 2021. Vol. 2412, Issue 1, No. 030022. 11 p. https://doi.org/10.1063/5.0075069 (дата обращения 10.12.2021).

118. Усс А.Ю., Чернышев А.В., Атамасов Н.В., Разработка метода расчета и создание вихревого струйного устройства для управления потоком газа // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2019. Т. 3, № 2. С. 78-86.

119. Усс А.Ю., Чернышев А.В., Пугачук А.С. Проектирование газореактивного привода с системой управления тягой при помощи вихревого клапана // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2021. Т. 5, № 2. С. 47-58.

120. ANSYS CFX-Solver Theory guide. ANSYS Inc., 2009.

157

ПРИЛОЖЕНИЕ

П.1. Вычисление потерь давления при прохождении РС через каналы питания, управления и выходного патрубка ВСУ при проведении численного исследования рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ

В процессе вычислении потерь давления при прохождении РС через каналы питания, управления и выходного патрубка следует учитывать, что:

, тогда

А ^уп р р асч етн о е 1 Руп р р а сч етн о е в сеч е н и е ^ ^уп р р а сч етн о е н а ср е з е с о пл а1; также

^п и т р а сч етн о е н а ср е з е с о пл а " Рпи т р а сч етн о е в с еч е н и е 52, соответственно

А Рп ит р асч етн о е |Рп ит р асч етн о е в с еч е н и е 52 ^п и т р а сч етн о е н а ср е з е с о пл а^ аналогично

, соответственно

| | , где

А ^упр р асч етн о е, А Рп ит р асч етное, А Рвык р асч етн о е — соответственно потери давления в

патрубках управления, питания, выхода расчетной области ВСУ.

Вычисленные значения давлений на срезе сопел и вычисленные расчетные значения потерь давления при прохождении РС через патрубки питания, управления и выхода представлены в Таблице 9.

Таблица 9.

№ расчетной точки Р пит , на срезе сопла Па Р упр , на срезе сопла Па Р ВЫ1Х , на срезе сопла Па А Р п ит, Па А Р упр, Па А Р В Ы1Х, Па

1 145687 143190 33889,0 4313 21810 4889

2 149597 145923 26996,5 403 34077 13997

3 151701 159766 19836,1 1701 50234 8836

На Рисунке П.1.1 для анализа и наглядного отображения представлена зависимость потерь давления при численном исследовании в патрубках питания, управления, выхода Л Рп ит р асч, Л Рупр р а сч, Л Рв ых р а сч расчетной области от расхода РС, протекающей через патрубки расчетной области Р, л/мин.

т

5 сс и с а

0 1 I 01 н а т и л б о й 5 I-

^ п о а

и х н [

^ а т

т к е ы

5 о. с б ч ш

у р т с а р РД

о; 5 I а п а д ,р с

в о >

(и и х Р

ей и ы Д

го н в

а в

5 о и 1=

о, ш д е л с н е РпД

н о л в

с с и а р

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

0

—е-

-- -

51

101 151 201 251 301 351 Расход рабочей среды протекающей через патрубки расчетной области Ц [л/мин] О ДРпит расч О ДРупр расч О ДРвых расч -ДРпит расч. -ДРупр расч. -ДРвых расч

401

1

Рисунок П. 1.1. Зависимость потерь давления при прохождении РС через патрубки расчетной области от расхода РС

По графику (Рисунок П.1.1) видно, что потери давления при прохождении РС в патрубке питания растут с увеличением расхода питания. Это объясняется тем, что с увеличением скорости происходит срыв потока с острой кромки выпрямителя потока, установленного в патрубке канала питания, соответственно увеличивается вихреобразование в патрубке питания и соответственно растет амплитуда невязок и соответственно растут потери давления.

Потери давления при прохождении РС через выходной патрубок уменьшаются при увеличении расхода РС проходящего через него. Это объясняется образованием установившегося вихревого течения в ВК, что приводит к совмещению центра вихря в вихревой камере с геометрическим центром вихревой камеры, соответственно к уменьшению колебаний потока в выходном патрубке и соответственно к сокращению амплитуды невязок.

П.2. Приведение экспериментальных значений параметров РС к значениям параметров РС в сечениях сопел объекта исследования

Реальная геометрия проточной полости модуля экспериментального стенда представлена на Рисунке П.2.1.

Проточная полость состоит из:

- патрубка питания, который в свою очередь состоит из: _, - сечения, где осуществляется вход РС от линии ЗРА ручного управления в патрубок питания; 22, - область течения РС в ниппеле 01/2, соединяющем уголок 01/2 линии ЗРА ручного управления с крестовиной 01/2 линии ЗРА автоматического управления;

- сечения, где осуществляется измерение давления при помощи манометра Мп ит; 22 2 - область течения РС через крестовину 01/2, соединяющую линию ЗРА автоматического управления с патрубком питания; - область течения РС через ниппель 01/2, соединяющий крестовину линии ЗРА автоматического управления с Т-образным тройником 01/2; 224 - Т-образный тройник, при помощи которого осуществляется измерение давления и температуры РС при помощи электронных средств измерения; - сечение где происходит измерение давления при помощи датчика давления Р5.1; 22 5 и 22 6 - область течения РС через американку 01/2, соединяющую патрубок питания с объектом исследования; 22 7 - область течения РС через футорку 03/4 на 01/2, соединяющую ниппель 01/2 объекта исследования с американкой 01/2; 22 8 - область течения РС через сопряжение ниппеля 01/2, соединяющего объект исследования с футоркой 03/4 на 01/2; 229 - область течения РС через сопло питания ВСУ;

0

Рисунок П.2.1. Реальная геометрия (расчетная область) проточной полости модуля программно-аппаратного комплекса

- патрубка управления, который в свою очередь состоит из: 524. 1 - сечения, где осуществляется вход РС от линии ЗРА ручного управления в патрубок управления; 2 2 4 - область течения РС в ниппеле 01/2, соединяющем уголок 01/2 линии ЗРА ручного управления с крестовиной 01/2 линии ЗРА автоматического управления канала управления; - сечение, где осуществляется измерение давления при помощи манометра Муп р; 2 2 3 - область течения РС через крестовину 01/2, соединяющую линию ЗРА автоматического управления с патрубком управления;

- область течения РС через участок шланга канала управления; 2 2 1 - область течения РС через уголок 01/2; 222 0 - область течения РС через удлинитель 01/2, расположенный перед расходомером в канале управления; 22 1 9 - область течения РС через сужение в канале управления, имитирующее местное сопротивление при прохождении РС через расходомер, расположенный в канале управления; - область течения РС через американку, футорку с 03/4 на 01/2 и цанговый фитинг, расположенные после расходомера; - область течения РС через участок шланга канала управления, расположенный после расходомера; - сечение, где осуществляется измерение давления при помощи датчика давления; - область течения РС через Т-образный фитинг 01/2, предназначенный для монтажа датчика давления; 22х 5 - область течения РС через американку 01/2, соединяющую патрубок управления с объектом исследования; - область течения РС через сопряжение ниппеля 01/2, соединяющего объект исследования с футоркой 03/4 на 01/2; 2 1 3 - область течения РС через ниппель 01/2, вкрученный в канал управления объекта исследования; 22-1^ 2 - область течения РС через сопряжение ниппеля 01/2, вкрученного в канал управления объекта исследования с соплом управления объекта исследования; 2 1 1 - область течения РС через сопло управления объекта исследования; 2 1 0 - область течения РС через вихревую камеру ВСУ.

- выходного патрубка, который состоит из: 2 2 5 - область течения РС через сопряжение выходного патрубка ВСУ с ниппелем 01/2, вкрученным в выходной патрубок ВСУ; 2 2 6 - область течения РС через ниппель 01/2, муфту 01/2 и цанговый фитинг 01/2, вкрученный в выходной патрубок ВСУ; 227 - область течения РС через участок трубы, установленный после выходного патрубка ВСУ; - об-

ласть течения РС через уголок цанговый; - область течения РС через прямой участок трубы; - область течения РС через уголок цанговый; - область течения РС через патрубок, расположенный между уголком цанговым и Т-образным тройником 01/2; 23 2 - область течения РС через Т-образный тройник 01/2, через который осуществляется измерение давления в выходном патрубке манометром образцовым; - сечение, где осуществляется измерение давления при помощи манометра Мвых; 23 3 - область течения РС через ниппель 01/2, соединяющий два Т-образных тройника 01/2; 234 - область течения РС через Т-образный тройник 01/2, через который осуществляется измерение давления при помощи электронных средств измерения; - сечение, где осуществляется измерение давления при помощи датчика давления; 2 3 5 - область течения РС через ниппель 01/2, соединяющий Т-образный тройник 01/2 и уголок 01/2; 23 6 - область течения РС через уголок 01/2; 237, 238 - область течения РС через переход с 01/2 на 03/4; 239, 240, 24 , - области течения РС соответственно через прямой участок трубы 03/4, выпрямитель потока и прямой участок трубы 03/4, расположенные перед расходомером в выходном патрубке; - область течения РС через сужение, имитирующее местное сопротивление при прохождении РС через расходомер, расположенный в выходном патрубке; 243 - область течения РС через прямой участок трубы 03/4, расположенный после расходомера в выходном патрубке; - область течения РС через переход с 03/4 на 01/2; 245 - область течения РС через прямой участок трубы 01/2; 246 - область течения РС через шланг.

Пересчет значений параметров РС, полученных в результате регистрации со средств измерения, к значениям на срезе сопел ВСУ осуществляется следующим образом: так как , то

| | , также

, соответственно | | , аналогично

, соответственно | | , где

, , - потери давления соответственно в патрубках

управления, питания и выхода модуля экспериментального стенда.

Вычисление потерь давления можно провести двумя способами: используя справочные данные из НТЛ, в частности, либо при помощи численного моделирования течения РС в РП патрубков экспериментального стенда. В виду того, что геометрия патрубков экспериментального стенда имеет сложную конфигурацию, а именно, имеются расчетные области, для которых методики расчета в справочнике не предложены, либо воспользоваться методиками является затруднительно, а в некоторых случаях в принципе невозможно, возникают затруднения с использованием справочных данных при расчете потерь давления при прохождении РС через реальную геометрию РП патрубков экспериментального стена. В силу чего, в данной работе расчет потерь давления при прохождении РС через патрубки экспериментального стенда проведен при помощи численного моделирования.

Процесс численного моделирования включает в себя ряд этапов. На начальном этапе создается трехмерная модель реальной геометрии расчетной области, представляющая собой область течения РС в патрубках питания, управления и выхода модуля экспериментального стенда (Рисунок П.2.1). Далее проводится импортирование геометрии в расчетную среду программы АКБУБ СБХ и разбиение ее на сетку КО. Результат разбиения патрубка питания на сетку КО представлен на Рисунке П.2.2. Расчетная сетка состоит из 5,1 млн. КО. Тип сетки - тетраэдрический.

Результат разбиения на сетку КО, патрубка управления модуля экспериментального стенда представлен на Рисунке П.2.3. Тип сетки - тетраэдрический. Расчетная сетка содержит 7,8 млн. контрольных объемов.

Результат разбиения на сетку КО, выходного патрубка модуля экспериментального стенда представлен на Рисунке П.2.4. Расчетная сетка содержит 10,4 млн. контрольных объемов. Тип сетки - тетраэдрический. Особенностью расчета потерь давления при прохождении РС через выходной патрубок модуля экспериментального стенда является наличие закрутки после вихревой камеры ВСУ. Именно закрутка потока играет ключевую роль в образовании потерь давления в выходном патрубке. Для того чтобы организовать закрутку потока, на входе в

расчетную область выходного патрубка, установлен завихритель потока. Предложенное техническое решение позволяет моделировать закрутку аналогичную закрутке на выходе после вихревой камеры ВСУ, таким образом, в расчетную область выходного патрубка, расчетная область объекта исследования явно не вводится, а заменяется завихрителем потока, тем самым сокращается объем расчетной области, количество ячеек расчетной сетки и, соответственно время расчета.

Рисунок П.2.2. Результат разбиения на сетку КО расчетной области патрубка питания модуля экспериментального стенда

Рисунок П.2.3. Результат разбиения на сетку КО расчетной области патрубка управления модуля экспериментального стенда

и*

Рисунок П.2.4. Результат разбиения на сетку КО расчетной области выходного патрубка модуля экспериментального стенда

Загущение сетки во всех трех патрубках проведено в углах, на острых кромках, в местах срыва потока РС и его вихреобразования.

Расчет потерь давления при прохождении РС через патрубки модуля экспериментального стенда проведен для трех расчетных точек. В качестве граничных условий были использованы следующие параметры РС:

- на входе в расчетную область задавался массовый расход, аналогичный массовому расходу, протекающего через патрубки ВСУ, такому-же как в расчет-но-теоретических исследованиях;

- на выходе из расчетной области задавалось избыточное статическое давление, аналогичное давлению, полученному в результате расчетно-теоретических исследований. Значения параметров РС заданных на границах расчетных областей представлены в Таблице 10.

Таблица 10.

№ Патрубок, гр. усл.

расч. Питания Управления Выходной

точки М н а вхо д е , в патрубок кг/с Р стат. , на выходе из патрубка Па М н а вхо д е , в патрубок кг/с Р стат. , на выходе из патрубка Па М н а вхо д е , в патрубок кг/с Р стат. , на вых. из патр. Па

1 0,0076221 145690 0,0033291 143190 0,0121060

2 0,0045072 149600 0,0039705 145920 0,0080646 475

3 0,0004635 151700 0,0034284 159770 0,0043126

В результате численного моделирования течения РС через патрубки экспериментального стенда получены распределения поля скоростей, давлений, плотностей и температуры РС во всем объеме расчетных областей (Рисунок П.2.5). Анализ полученных результатов позволил обнаружить области течения РС, где возникают максимальные вихреобразования и потери давления РС. Такими зонами являются области течения РС через фитинги крестовин, тройников и углов подводящих патрубков модуля экспериментального стенда.

Полученные в результате численного моделирования значения параметров РС на входе и выходе расчетных областей представлены в Таблице 11.

7

а

б

в

Рисунок П

2.5.

Результат расчета потерь давления при прохождении РС через патрубки экспериментального стенда: а - распределение поля скорости во всем объеме расчетной области, [м/с]; б - распределение поля давления, [Па]; в - распределение поля температур, [К]

Таблица 11.

№ расч. точки Патрубок Р на , входе Па V на , входе м/с V на , выходе м/с -5 , м3/с входе С на , выходе Л м3/с Р сечения , манометра Па

1 Питания 150890 11,677 43,926 0,0020554 0,0019674 150870

2 151400 6,5334 24,072 0,00115 0,0010782 151390

3 151720 0,53666 1,917 0,00009446 0,00008586 151720

1 Управления 169780 4,5357 106,05 0,00079816 0,00094854 169770

2 183290 5,2489 125,95 0,00092364 0,0011266 183280

3 186170 4,4187 102,79 0,00077756 0,00091941 186160

1 Выходной 40964 85,165 37,959 0,0072781 0,0049894 13648

2 21220 65,802 25,694 0,0056234 0,0033773 7682

3 7171,2 39,683 11,733 0,0033913 0,0015423 2708

Вычисленные параметры позволили оценить потери давления при прохождении РС через патрубки питания, управления и выхода экспериментального стенда, которые представлены в Таблице 12.

Таблица 12.

№ расчетной точки Патрубок Р н а в ых о д е, Па , Па манометра АР, Па

1 145710,00 150870 5160,0

2 Питания 149600,00 151390 1790,0

3 151700,00 151720 20,0

1 143130,00 169770 26640,0

2 Управления 145850,00 183280 37430,0

3 159710,00 186160 26450,0

1 482,82 13648 27316,0

2 Выхода 477,24 7682 13538

3 474,08 2708 4463,2

На Рисунке П.2.6 для анализа представлена зависимость потерь давления, полученных при численном моделировании течения РС в патрубках питания, управления, выхода экспериментального стенда Л Рп ит _ э кс п _, Л Рупр _ э ксп _, Л Рв ых _ э ксп _ от расхода РС, протекающей через патрубки расчетных областей Q, л/мин.

По графику (Рисунок П.2.6) видно, что потери давления при прохождении РС в патрубке питания, управления и выхода растут с увеличением протекающего через них расхода РС. Это объясняется тем, что с увеличением скорости происходит увеличение вихреобразования в полостях крестообразных и Т-образных фитингов G1/2, а также в местах сопряжения фитингов, что приводит к диссипации энергии потока и соответственно к увеличению потерь давления.

0,4

0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Расход рабочей среды, протекающей через патрубки экспериментального стенда

Q [л/мин]

• ДРпит эксп. • ДРупр эксп • ДРвых эксп -ДРпит эксп. -ДРупр эксп. -ДРвых эксп.

Рисунок П.2.6. Зависимость потерь давления при прохождении РС через патрубки расчетных областей модуля экспериментального стенда от расхода РС