Струйные аппараты являются довольно распространёнными устройствами, которые используются во многих областях. Однако проведение расчета и оптимизации конструкции таких аппаратов представляет большую сложность. Данная работа посвящена вопросам расчета и проектирования струйных аппаратов.
Ключевые слова: расчет, проектирование, аппараты, струйные аппараты, моделирование.
Jet apparatuses are fairly widespread devices that are used in many areas. However, carrying out the calculation and optimization of the design of such devices is of great complexity. This paper is devoted to the issues of calculation and design of jet devices.
Keywords: calculations, design, apparatus, jet devices, simulations.
Струйные аппараты являются довольно распространёнными устройствами, встречаются во многих производственных процессах, активно используются в промышленности, и особенно широко в теплоэнергетике [1].
Достаточно разнообразен спектр данных устройств. Их можно классифицировать как по функциональным свойствам: компрессоры, насосы, эжекторы, инжекторы, элеваторы и т. д., так и по природе рабочих тел: газовые, парогазовые, паровые, парожидкостные, жидкостные и даже варианты: жидкость — твёрдое тело, газ — твёрдое тело [2–4].
Струйные аппараты отличаются предельной простотой, высокой надёжностью и низкой стоимостью, при условии отсутствия в их конструкции подвижных механических частей. Однако у струйных аппаратов есть и существенный недостаток — низкие энергетические характеристики. К недостаткам можно отнести также и то, что струйные аппараты эффективно работают в достаточно узких диапазонах, их геометрия рассчитывается под конкретные параметры, и чем ближе расчётные параметры к рабочим — тем выше показатели аппарата.
Возможной причиной недостаточной эффективности струйных аппаратов является слабая теоретическая база. Если в первое время развития данных аппаратов, а им уже много более века, это объяснялось слабостью основных базовых наук, прежде всего механики жидкости и газа, то сегодня, при наличии мощнейших машинных аналитических комплексов это не должно являться препятствием.
Особенности струйных аппаратов
Струйными аппаратами называются аппараты, в которых происходит смешение и обмен энергий двух потоков разных давлений с образованием смешанного потока с промежуточным давлением [5]. Вид струйных аппаратов показан на рисунке 1.
а)
б)
Рис. 1. Пример конструкции (а) и общий вид (б) струйных инжекторов
Процессы, характерные для всех без исключения струйных аппаратов, описываются тремя законами [6, 7]:
а) сохранения энергии,
б) сохранения массы,
в) сохранения импульса
Процессы, происходящие в струйных аппаратах, зависят в первую очередь от агрегатного состояния взаимодействующих сред. Условия работы струйных аппаратов зависят также от упругих свойств взаимодействующих сред.
Компьютерное моделирование в гидрогазодинамике
Исходными параметрами для расчёта струйного аппарата являются его производительность и физические параметры рабочей и инжектируемой сред. Прежде всего, это расходы и потребные напоры.
Для расчета аппаратов, которые в настоящее время хорошо изучены, выведены теоретические уравнения, базирующиеся на основных законах механики. Опытными величинами в этих уравнениях являются только коэффициенты скорости проточной части аппарата. Для расчета аппаратов, которые менее изучены, приходится применять уравнения, частично построенные на эмпирических закономерностях.
Наиболее точными методами теоретических исследований в инженерном анализе на сегодняшний день являются методы компьютерного моделирования или вычислительный эксперимент. Однако в большинстве случаев, исходные геометрические параметры струйного аппарата — критический диаметр рабочего сопла, диаметр смесительной камеры и т. п., необходимые для построения первичной геометрии, приходится в основном получать путём «ручных» расчётов по известным классическим методикам, изложенным в [1] или брать за основу существующие конструкции.
Первичная геометрия является основой для проектирования твёрдотельной 3D-модели проточных частей струйного аппарата, которая предназначена для компьютерного моделирования гидрогазодинамических процессов. Готовая 3D-модель импортируется в программы вычислительной аэро-, гидро- и газодинамики для проведения виртуального вычислительного эксперимента.
На сегодняшний день доступно достаточное количество программ для CFD (Computational Fluid Dynamics) анализа. Одной из ведущих фирм, работающих в сфере автоматизированных инженерных расчётов CAE (Computer Aided Engineering) и предлагающей пакет программ из этой области, в том числе и для CFD анализа, является американская ANSYS Inc. В своё время ею были приобретены, и вошли в состав общего пакета, такие известные расчётные комплексы, как Fluent и CFX [8, 9]. В последнее время аналогичные программы, встроенные в системы автоматизированного проектирования и инженерной графики, появились у ведущих игроков в это области — Autodesk Simulation CFD и Solid Works Flow Simulation. В этой линейке представлен и отечественный продукт, программный комплекс FlowVision от фирмы Тесис.
На рис. 2 представлена 3D-модель пароводяного инжектора, созданная в программной среде Solid Works и её расчётная сетка, а на рис. 3 результаты её компьютерной «продувки» на сжатом воздухе, смоделированные в программе ANSYS Fluent 14.
а)б)
Рис. 2. а) твёрдотельная модель проточной части инжектора, б) расчётная сетка
а)
б)
в)
Рис. 3. Результаты расчёта инжектора в однофазном режиме (воздух — воздух): а) поле давлений; б) поле температур; в) поле скоростей;
Выводы
Для оптимизации конструкции такого устройства, как струйный аппарат, недостаточно проведение расчета для нескольких вариантов геометрии. Для выбора оптимальной геометрии и режимов работы, может понадобиться расчет нескольких сотен исходных вариантов. Однако, доступная информация о расчётных пакетах с функцией автоматического перебора хотя бы начальных данных, не говоря об автоматическом изменении геометрии в настоящее время отсутствует. Таким образом, на сегодня инженер остаётся ключевым звеном в проектировании и разработке даже относительно простых устройств. Тем не менее, современные средства CFD-анализа позволяют значительно повысить качество проектирования, удешевить его и значительно ускорить.
Литература:
- Соколов, Е. Я. Струйные аппараты / Е. Я. Соколов, Н. М. Зингер. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 352 с.
- Зубарев, В. Н. Практикум по технической термодинамике. Учебное пособие для вузов / В. Н. Зубарев, А. А. Александров. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 304 с.
- Теплотехника: учебное пособие / М. М. Хазен, Г. А. Матвеев, М. Е. Грицевский; ред. Г. А. Матвеев. — М.: Высшая школа, 1981. — 480 с.
- Холодильные машины / Кошкин Н. Н., Сакун И. А., Бамбушек Е. М. и др.: под ред. И. А. Сакуна. — Л.: Машиностроение, 1985. — 510 с.
- Цегельский, В. Г. Двухфазные струйные аппараты / В. Г. Цегельский. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. — 408 с.
- Дейч, М. Е. Газодинамика двухфазных сред / М. Е. Дейч, Г. А. Филиппов. — М.: Энергоиздат, 1981. — 471 с.
- Абрамович, Г. К. Прикладная газовая динамика / Г. К. Абрамович. — М.: Наука, 1969. — 824 с.
- Электронный ресурс. Режим доступа: [www.ansys.com].
- Рязанов, Я. А. Энциклопедия по буровым растворам / Я. А. Рязанов. — Оренбург: Летопись, 2005. — 664 с.
