Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в промышленности и теплоэнергетике широкое применение получил такой класс вихревых устройств, как вихревые эжекторы и вихревые эжекторные вакуум-насосы, ' содержащие в основе своей работы закрученные потоки газа.
Вихревые эжекторные вакуум-насосы нашли применение в системах локальной аспирации, вентиляции и предварительного вакуумирования на промышленных предприятиях. Использование вихревых эжекторов на паре в тепловых схемах предприятий позволило создать вихревой компрессор и утилизировать вторичные энергоресурсы, ранее не использовавшиеся. На железнодорожном транспорте применение вихревых эжекторных вакуум-насосов позволило создать эффективные системы опорожнения цистерн от жидких и вязких грузов
В настоящее время в технической литературе имеется обширный материат, посвященный экспериментальному исследованию вихревых эжекторов и вихревых эжекторных вакуум-насосов, где определены максимальные значения коэффициентов эжекции в режиме вентилирования и минимальные значения остаточного давления в режиме вакуумирования. Однако в литературе не имеется достаточных данных для установления зависимости коэффициента эжекции от располагаемой степени расширения газа в вихре, которая, в частности, позволяла бы расчетным путем определять время вакуумирования емкости заданного объема до заданного конечного давления при помощью вихревого вакуум-насоса с определенными конструктивными параметрами. Ввиду сложного отрывного характера течения газа в раскруточном диффузоре вихревых эжекторных устройств, степень расширения газа в вихре и коэффициент эжекции до последнего времени аналитически не рассчитывались. Не рассматривалась и обратная задача - определять конструктивные параметры вакуум-насоса по заданному времени вакуумирования и заданным значениям режимных параметров. Следует отметить, что работа вихревых вакуум-насосов в режиме вакуумирования характеризуется нестационарностыо основных параметров. При этом замер коэффициентов эжекции трудоемок и требует от экспериментатора значительных затрат времени, не гарантируя при этом достижения заданного уровня точности.
Целью настоящей работы является разработка расчетной модели закрученных сжимаемых потоков в диффузорных устройствах вихревых эжекторов и создание расчетной модели вихревого эжекторного вакуум-насоса (ВЭВ), позволяющей по заданным конструктивным и режимным параметрам ВЭВ находить его рабочие интегральные характеристики, время вакуумирования и остаточное давление в вакуумируемом объеме, а также решать обратную задачу - по заданным интегральным
характеристикам определять режимные и конструктивные параметры и проводить их оптимизацию.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследования:
— Разработка расчетной модели сжимаемого вязкого закрученного
потока в щелевом раскруточном диффузоре при работе на
трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях для политропного режима
течения.
Исследование функциональных связей между параметрами раскруточного диффузора и параметрами течения в вихревой камере.
Создание расчетной модели вихревого эжектора с щелевым раскруточным диффузором, позволяющей по заданным конструктивным и режимным параметрам находить коэффициент эжекции в стационарном режиме.
Разработка алгоритма расчета нестационарных характеристик ВЭВ, позволяющего прогнозировать его термодинамические параметры на основании заданных конструктивных и режимных параметров, а также производить их оптимизацию.
— Программная реализация разработанного алгоритма.
Научная новизна. Впервые на основе интегральных соотношений разработана расчетная модель сжимаемого вязкого закрученного потока в щелевом раскруточном диффузоре при работе на трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях для политропного режима.
Впервые проведен численный анализ устойчивости работы щелевых плоских и профилированных раскруточных диффузоров
Впервые получена аналитическая зависимость, связывающая степень расширения газа в вихре с параметрами раскруточного диффузора и параметрами течения в вихревой камере.
Впервые создана расчетная модель вихревого эжектора с щелевым раскруточным диффузором, позволяющая находить его коэффициент эжекции численными методами.
Впервые создана расчетная модель ВЭВ, позволяющая по заданным конструктивным и режимным параметрам вычислять время вакуумирования емкости заданного объема до заданного конечного давления.
Практическая ценность работы. Разработанная расчетная модель вихревого эжекторного вакуум-насоса, реализованная программно, позволяет по заданным конструктивным и режимным параметрам ВЭВ находить время вакуумирования замкнутого объема, а также по заданному времени вакуумирования производить оптимизацию параметров ВЭВ, что позволяет сократить объем экспериментальных исследований, являющихся наиболее трудоемким этапом разработки и проектирования вихревых эжекторных устройств.
Положеная, диссертации, выносимые на защиту:
Расчетная модель сжимаемого вязкого закрученного потока в щелевом раскруточном диффузоре при работе на трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях для полигропного режима.
Расчетная модель по определению коэффициента эжекции вихревого эжектора в стационарном режиме.
Алгоритм расчета нестационарных характеристик вихревого эжекторного вакуум-насоса и времени вакуумирования с учетом задаваемых конструктивных и режимных параметров. Апробация работы. Отдельные вопросы и разделы
диссертационной работы докладывались на региональной научно-практической конференции "Проблемы обеспечения качества продукции, сертификационных и метрологических услуг" (Самара, 1998), на IX Межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, 1999), на научно-технических конференциях Самарского института инженеров железнодорожного транспорта.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 160 страницах машинописного текста, иллюстрирована 44 рисунками и 2 таблицами. Она состоит из введения, пяти глав, списка литературы, включающего 76 наименований, и приложения, содержащего программу расчета разработанного алгоритма.
