Гидродинамика закрученного потока в трубе с двумя завихрителями и 90°-поворотом на выходе
Представлены результаты экспериментального исследования гидродинамики закрученного потока в цилиндрическом канале с двумя распределенными по длине тангенциальными завихрителями, подачей дополнительного воздуха в торцевую область канала и 90° поворотом потока на выходе. Определены локальные и интегра...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60513 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Гидродинамика закрученного потока в трубе с двумя завихрителями и 90°-поворотом на выходе / А.А. Халатов, И.И. Борисов, Ю.Я. Дашевский, С.Д. Северин // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 2. — С. 5-18. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860011412203503616 |
|---|---|
| author | Халатов, А.А. Борисов, И.И. Дашевский, Ю.Я. Северин, С.Д. |
| author_facet | Халатов, А.А. Борисов, И.И. Дашевский, Ю.Я. Северин, С.Д. |
| citation_txt | Гидродинамика закрученного потока в трубе с двумя завихрителями и 90°-поворотом на выходе / А.А. Халатов, И.И. Борисов, Ю.Я. Дашевский, С.Д. Северин // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 2. — С. 5-18. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Представлены результаты экспериментального исследования гидродинамики закрученного потока в цилиндрическом канале с двумя распределенными по длине тангенциальными завихрителями, подачей дополнительного воздуха в торцевую область канала и 90° поворотом потока на выходе. Определены локальные и интегральные параметры закрученного потока, а также гидравлические потери в канале, в тангенциальных завихрителях и в повороте на выходе из канала.
Наведено результати експериментального дослідження гідродинаміки закрученого потоку в циліндричному каналі з двома розподіленими по довжині тангенціальними завихрювачами, подачoю додаткового повітря в торцеву область каналу та 90° поворотом потоку на виході. Визначено локальні та інтегральні параметри закрученого потоку, а також гідравлічні втрати в каналі, в тангенціальних завихрювачах і в повороті на виході з каналу.
The results of experimental studies of swirling flow hydrodynamics in a cylindrical channel with two tangential swirl flow generators distributed along the channel length, additional air admission in the end-wall area and 90 degree outlet bend are presented. The local and total swirl flow parameters, as well as hydraulic losses, in the channel, tangential swirl generators and outlet bend are determined.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:42:15Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №2 5
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Наведено результати ек-
спериментального дослідження
гідродинаміки закрученого по-
току в циліндричному каналі з
двома розподіленими по довжині
тангенціальними завихрювача-
ми, подачoю додаткового повітря
в торцеву область каналу та 900
поворотом потоку на виході. Виз-
начено локальні та інтегральні
параметри закрученого потоку, а
також гідравлічні втрати в каналі,
в тангенціальних завихрювачах і в
повороті на виході з каналу.
Представлены результаты
экспериментального исследования
гидродинамики закрученного пото-
ка в цилиндрическом канале с
двумя распределенными по длине
тангенциальными завихрителями,
подачей дополнительного воз-
духа в торцевую область канала и
900 поворотом потока на выходе.
Определены локальные и интеграль-
ные параметры закрученного пото-
ка, а также гидравлические потери в
канале, в тангенциальных завихри-
телях и в повороте на выходе из
канала.
The results of experimental studies
of swirling flow hydrodynamics in a
cylindrical channel with two tangential
swirl flow generators distributed along
the channel length, additional air
admission in the end-wall area and 90
degree outlet bend are presented. The
local and total swirl flow parameters, as
well as hydraulic losses, in the channel,
tangential swirl generators and outlet
bend are determined.
УДК 532.516:536.24.01
Халатов А.А.,1 Борисов И.И.,1 Дашевский Ю.Я.,2 Северин С.Д.1
1Институт технической теплофизики НАН Украины
2ГП НПКГ «Зоря Машпроект»
ГИДРОДИНАМИКА ЗАКРУЧЕННОГО ПОТОКА В ТРУБЕ С ДВУМЯ
ТАНГЕНЦИАЛЬНЫМИ ЗАВИХРИТЕЛЯМИ И 900 - ПОВОРОТОМ НА ВЫХОДЕ
b – ширина щели завихрителя;
d – диаметр канала;
F – площадь сечения канала;
G – массовый расход;
k – коэффициент расхода;
l – длина участка канала;
L – общая длина канала;
P – давление;
Re – число Рейнольдса;
r – радиальная координата;
R – радиус канала;
t – шаг спирали закрученного потока на стенке
канала;
w – скорость;
x – продольная координата;
β – угол подачи воздушного потока;
ζ – коэффициент местного сопротивления;
λ – коэффициент гидравлического
сопротивления;
ρ – плотность;
ε – корректирующий множитель;
φ – угол закрутки потока;
Φ – параметр закрутки потока.
Индексы верхние:
* – полные параметры потока;
г – геметрический параметр.
Индексы нижние:
0 – параметры осевого (незакрученного)
потока;
1 – параметры на участке между
завихрителями, параметры первого
завихрителя;
2 – параметры на участке за вторым
завихрителем, параметры второго
завихрителя;
w – параметры на стенке;
x – параметры по продольной координате;
φ – параметры закрученного потока; угловая
координата;
вх – параметры на входе;
вых – параметры на выходе из канала;
абс – абсолютное значение параметра;
д – параметры дополнительного потока;
изб – избыточный;
ср – средний;
щ – параметры в щели завихрителя.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №26
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Введение
В работах [1, 2] представлены результаты
экспериментального исследования гидродина-
мики закрученного воздушного потока в ци-
линдрическом канале относительной длиной
L/d = 15,6. В обоих случаях использовалась
наклонно-тангенциальная подача воздушного
потока (β1 = 600), для уменьшения гидравличе-
ских потерь в области завихрителя в торцевой
стенке трубы под углом 45 градусов в направ-
лении закрутки потока подавался дополни-
тельный поток воздуха. В работе [1] был рас-
смотрен канал с открытым выходом потока, а в
работе [2] на выходе из канала устанавливался
900 поворот, который отражал конструктивные
особенности системы внутреннего охлаждения
лопатки газовой турбины.
Исследования, выполненные в работах
[1, 2], показали, что использование только
одного тангенциального завихрителя огра-
ничивает расходные характеристики канала
и приводит к большим гидравлическим по-
терям в тангенциальном завихрителе. Поэто-
му задачей настоящей работы является даль-
нейшее изучение циклонного охлаждения в
части экспериментального исследования ги-
дродинамики воздушного потока в цилиндри-
ческом канале с двумя распределенными по
длине тангенциальными завихрителями, по-
дачей дополнительного воздуха в торцевую
область канала и 900 поворотом потока на вы-
ходе. Как и в работах [1, 2], поток в первый
завихритель подавался наклонно под углом
β1 = 600. Полученные экспериментальные дан-
ные, имея самостоятельное теоретическое
значение, могут быть использованы также
как основа для совершенствования алгорит-
мов компьютерного моделирования циклон-
ного охлаждения лопаток газовой турбины.
Экспериментальная установка
и система измерений
Экспериментальное исследование выпол-
нено на установке, схема которой приведена в
работе [1]. Как и в работах [1, 2], эксперимен-
тальный участок (рис. 1) представляет собой
прозрачный (оргстекло) цилиндрический ка-
нал диаметром d = 20 мм и длиной l = 260 мм
(l/d = 13,0). Воздушный поток, поступаю-
щий в распределительный канал (№ 2), са-
мопроизвольно перераспределяется между
двумя завихрителями (№ 1 и № 2). В настоя-
щей работе представлены результаты иссле-
дований при полностью закрытом канале № 2
(G2* = 0), т.е. весь воздух, поступивший в канал
№ 2, проходил через оба завихрителя и далее
через 900 поворот выбрасывался в окружающее
пространство. Дополнительный поток воздуха
подавался в торцевую область эксперименталь-
ного канала №1.
Экспериментальный канал №1 состоит из
завихрителя №1, двух прозрачных цилиндри-
ческих участков (оргстекло), между которыми
расположен завихритель №2. Суммарная длина
канала (расстояние от среза завихрителя №1 до
поворота) примерно соответствует длине ка-
нала для ранее исследованной схемы с одним
завихрителем и 900 поворотом [2]. Относитель-
ная длина канала между первым и вторым за-
вихрителями (l1/d) составляет 6,3, а между вто-
рым завихрителем и выходным поворотом (l1/d)
– 5,4. Основные параметры экспериментально-
го участка приведены в таблице.
Первый тангенциальный завихритель, как
и в работах [1, 2], представляет собой прямо-
угольную щель высотой h1 = 5 мм и длиной
b1 = 59 мм (b1/h1 = 11,8). Воздушный поток в
него подавался наклонно под углом β1 = 600 к
оси щели завихрителя (рис. 1), что формирует
наклонно-тангенциальную закрутку потока. У
второго завихрителя щель имеет скругленные
боковые кромки; ее размеры – высота h = 5 мм
и эквивалентная длина b2 = 25,5 мм (b2/h = 5,1),
которая определялась делением площади про-
ходного сечения щели на ее высоту.
Диаметр цилиндрического отверстия в
торцевой области канала для подачи дополни-
тельного потока (рис. 1) составляет 5 мм; оно
располагается на расстоянии rд = 5 мм от оси
канала и выполнено под углом 450 в направ-
лении закрутки потока. Выходной 900 поворот
(рис. 1) описан в работе [2], размеры выход-
ной щели прямоугольного сечения составля-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №2 7
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
ют bвых = 37,5 мм и hвых= 15 мм, а отношение
площадей выходного канала (после поворота)
и экспериментального канала равно 1,70. Отно-
шение суммарной площади двух завихрителей
к площади выходного сечения 900-поворота со-
ставляет 0,75.
Рис. 1. Схема экспериментального участка для исследования гидродинамики
закрученного потока в трубе с двумя завихрителями:
1 – входной патрубок; 2 – распределительный канал (канал № 2);
3 – основной цилиндрический канал (канал № 1); 4 – патрубок ввода
дополнительного потока; 5 – тангенциальный завихритель № 1;
6 – тангенциальный завихритель № 2; 7, 8 – трубки ввода жидкости
для визуализации потока и измерения угла закрутки потока.
В канале № 2 перед первым и вторым за-
вихрителями выполнены отверстия для из-
мерения избыточного статического давления
(рис. 1). Дополнительные четыре отверстия
диаметром 0,8 мм для отбора избыточного ста-
тического давления сделаны на стенке канала
№ 1 (рис. 2; таблица); там же предусмотрены
отверстия для подачи подкрашенной жидкости
внутрь канала для измерения поверхностно-
го угла закрутки потока, который определялся
на основе измерений шага спирали струйки
жидкости на внутренней поверхности канала.
Для расчета поверхностного угла закрутки ис-
пользовалось уравнение φw = arctg (π·d/t), где
d – диаметр канала, t – шаг закрученной спи-
рали на поверхности трубы при ее повороте
на 3600. На участке канала № 1 за вторым за-
вихрителем была предусмотрена возможность
установки координатного устройства с зондом
для измерения профиля избыточного полно-
го давления и углов потока по радиусу канала.
Эксперименты выполнены при трёх зна-
чениях расхода воздуха на входе в канал
№ 2 ( Gвх=Gзавихр 1+ Gзавих 2 ) равных 18,8 , 27,4 и
29,7 г/c. Относительный расход воздуха через
дополнительный канал Gд/Gвх изменялся
в диапазоне от 0 до 0,16. Среднерасходное чис-
ло Рейнольдса ( Red ), рассчитанное по сум-
марному расходу воздуха, в канале № 1 изменя-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №28
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
лось в диапазоне от 46640 до 107510 и соответствовало турбулентному режиму течения.
Рис. 2. Экспериментальный участок с двумя тангенциальными завихрителями.
Координаты х1 – х4 соответствуют точкам отбора статического давления
на стенке канала (таблица).
Таблица. Основные геометрические размеры экспериментального участка
Параметр d
мм
h
мм
β
град
b1
мм
b2
мм
L
мм
l1
мм
l2
мм
x1
мм
x2
мм
x3
мм
x4
мм
Значение
параметра 20 5 60 59 25,5 260 126,5 108 32 81 175 242
Локальные и осредненные параметры
закрученного потока
Расходные характеристики завихрите-
лей. Перед началом основных экспериментов
определялись расходные характеристики за-
вихрителей. Расход воздуха через второй за-
вихритель определялся миниатюрным дат-
чиком скоростного напора, установленным в
щели завихрителя и калиброванным с помо-
щью расходомера SMC PF2A703H (Япония)
при полностью закрытой щели завихрителя
№1. В результате калибровки датчика находил-
ся коэффициент k* в уравнении
, где Р и ΔР – абсолютное статичес-
кое давление и скоростной напор (Р* – Р) в
щели завихрителя № 2, Т – абсолютная темпера-
тура воздуха (измерялась хромель-алюмелевой
термопарой). Это соотношение является
производным от общепринятого уравнения
, в настоящих экспериментах оно
использовалось для упрощения обработки
опытных данных поскольку в него подставля-
ются непосредственно измеряемые параметры.
Расход воздуха через первый завихритель опре-
делялся как разность расходов воздуха на входе
в экспериментальный участок и завихритель №
2 в соответствии с уравнением
Gзавихр 1 = Gвх – Gзавихр 2. *
P PG k
T
⋅∆
=
G k P= ∆ ⋅ρ
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №2 9
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Эксперименты показали, что при закрытом вы-
ходе из канала №2 соотношение расходов че-
рез первый и второй завихрители сохраняется
примерно постоянным в широком диапазоне
изменения расхода воздуха Gв и отношения
Gд /Gвх. Расход через первый завихритель сос-
тавляет в среднем 70 % от суммарного расхода,
а расход через второй завихритель – 30 %.
Угол закрутки потока. На рис. 3 пред-
ставлен осредненный по длине поверхностный
угол закрутки потока в зависимости от отно-
шения Gд /Gвх. На участке между тангенциаль-
ными завихрителями (рис. 3,а) при измене-
нии относительного дополнительного расхода
Gд /Gвх от 0 до 0,03 интенсивность закрутки
незначительно возрастает, но затем быстро
уменьшается. Среднее значение тангенса
угла закрутки потока tgφ wср в этой области сос-
тавляет 1,35, что на 19,5 % больше, чем в ка-
нале с одним завихрителем на входе [1].
Рост интенсивности закрутки потока про-
исходит за счет дросселирующего (об-
ратного) влияния второго завихрителя на
структуру потока на участке между двумя за-
вихрителями, что приводит к перераспределе-
нию осевой и окружной составляющих векто-
ра абсолютной скорости закрученного потока.
а б
Рис. 3. Средний по длине канала поверхностный угол закрутки потока:
а – участок канала между завихрителями; б – участок канала между
вторым завихрителем и поворотом на выходе.
Рис. 4. Осредненный по всей длине канала поверхностный угол закрутки потока.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №210
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
При дальнейшем увеличении расхода до-
полнительного воздуха (Gд /Gвх > 0,03) отноше-
ние абсолютных скоростей дополнительного и
основного потоков в завихрителе и отношение
полных импульсов приближается к единице. В
этом случае энергообмен между основным и до-
полнительным потоками приводит к снижению
интенсивности закрутки потока. При увеличе-
нии Gд /Gвх до 0,06…0,07 на участке между вто-
рым завихрителем и выходным поворотом
(рис. 3,б) закрутка потока незначительно воз-
растает, а при Gд /Gвх > 0,08 быстро уменьша-
ется.
Осредненный по всей длине канала угол
закрутки потока на стенке канала пред-
ставлен на рис. 4. Максимальное значение
угла закрутки потока (φwср) достигается при
Gд /Gвх = 0,03…0,05 и составляет 1,25…1,28,
что на 35…40 % выше, чем в канале с одним
тангенциальным завихрителем и поворотом по-
тока на выходе.
а б
Рис. 5. Радиальное изменение угла закрутки потока (а) и произведения tgφw (б)
после второго завихрителя в сечении x2 / d=1,20.
r ⋅
На рис. 5,а представлено изменение угла
закрутки потока по радиусу канала в сечении
x2 /d =1,2 между вторым завихрителем и выход-
ным поворотом. Из него следует, что азимуталь-
ная несимметричность закрученного потока в
канале весьма значительна. Средний локальный
угол закрутки потока около стенки канала в этом
сечении (430 ) близок к среднему по длине за вто-
рым завихрителем (470 ). Как следует из рис. 5,а,
в области Gд /Gвх= 0…0,10 подача дополнитель-
ного воздуха не оказывает существенного влия-
ния на угол закрутки потока на стенке канала
и приводит к некоторому его снижению у оси
канала.
Вблизи поверхности канала величина
комплекса не соответствует условию
= const (рис. 5,б) характерному для пол-
ностью развитого закрученного потока в тру-
бе [3]. Это объясняется тем, что на расстоянии
x2 /d =1,20 от второго завихрителя закручен-
ный поток не успевает полностью стабилизиро-
ваться и взаимодействие потоков продолжается
на участке до поворота на выходе из канала. В
соответствии с данными работ [3] азимуталь-
ная неравномерность потока сохраняется на
длине до 8…10 диаметров канала.
Полное давление. Радиальное изменение
избыточного полного давления, измеренное в
сечении x2 /d = 1,20 (x2 – расстояние от «среза»
тангенциальной щели второго завихрителя),
r ⋅ ϕtg
r ⋅ ϕtg
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №2 11
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
представлено на рис. 6. Качественно зависи-
мость имеет такой же характер, как и в канале
с одним завихрителем [2], но характеризуется
более высокими абсолютными значениями из-
быточного полного давления, особенно в при-
стеночной области канала. Радиус отрицатель-
ного значения Р*изб и величина разрежения на
оси канала несколько меньше, чем в канале с
одним завихрителем, что также обусловлено
влиянием выходных условий, а также значи-
тельной остаточной закруткой потока перед
вторым завихрителем. Так же как и в канале с
одним завихрителем при увеличении расхода
дополнительного воздуха профиль полного
давления становится более симметричным от-
носительно оси канала.
Рис. 6. Радиальное изменение избыточного
полного давления в сечении x2 / d=1,20.
Продольное изменение осредненного по
сечению избыточного полного давления в по-
токе представлено на рис. 7. В области канала
между первым и вторым завихрителем дав-
ление имеет специфический характер изме-
нения, что обусловлено обратным влиянием
второго завихрителя на структуру потока. При
Gд /Gвх < 0,074 полное давление возрастает по
длине канала, при Gд /Gвх= 0,10 оно сохраняет-
ся примерно постоянным, а при Gд /Gвх =0,15
уменьшается. За вторым завихрителем избы-
точное полное давление в канале интенсивно
уменьшается. В этой области с ростом допол-
нительного расхода воздуха полное давление в
канале при Gд /Gвх= 0…0,10 сохраняется при-
мерно одинаковым для всех значений отноше-
ния Gд /Gвх , а при Gд /Gвх > 0,10 оно интенсив-
но возрастает по длине канала.
Параметр закрутки потока
Первый завихритель, Gд = 0. Теоретическое
значение геометрического параметра закрутки
потока для первого завихрителя при наклонно-
тангенциальной закрутке потока, определенное
по методике [3], имеет следующий вид ( ):
, (1)
где R, h – радиус канала и высота тангенциаль-
ного завихрителя; β1 – геометрический угол
0
1 0β ≠
3 3
г
1 1 2 2
( )Ф 0,66 ctg
[ ( ) ]*
R R h
R R R h
− −
= ⋅ β
⋅ − −
Рис. 7. Продольное изменение
осредненного по сечению избыточного
полного давления (здесь использовано
уравнение Р* ≈ Рw [3] ).
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №212
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
входа потока в тангенциальный завихритель
(рис. 1).
Средний по поверхности экспериментально
измеренный угол закрутки потока β1 при Gд = 0
равен 540 (рис. 3,а), следовательно, средний
угол входа потока β1 составляет 360. Это озна-
чает, что в данном случае имеется существен-
ное различие между конструктивным (β1 = 600)
и действительным углами входа потока в за-
вихритель. Тогда в соответствии с уравнением
(1) теоретическое значение параметра закрутки
1 первого завихрителя составляет 1,06.
В монографии [3] на основе обобщения
опытных данных для различных закручива-
ющих устройств, установленных на входе в
канал, в том числе для классического танген-
циального завихрителя ( β1 = 00 ), получено сле-
дующее уравнение:
, (2)
где С = 0,86 – эмпирическая константа; φw –
угол
закрутки потока на стенке канала на расстоянии
x /d = 1,0…1,5 от «среза» щели завихрителя. Как
следует из данных рис. 3,а, при Gд = 0 уравне-
ние (2) не соответствует результатам измере-
ний в условиях наклонно-тангенциальной за-
крутки потока. Удовлетворительное согласова-
ние с экспериментальными результатами имеет
место только при С = 1,32.
Второй завихритель, Gд = 0. Для второго
завихрителя теоретическое значение геоме-
трического параметра закрутки определяется
из следующего уравнения, которое получено
с учетом взаимодействия потоков от первого и
второго завихрителей по методике, изложенной
в [3]:
, (3)
здесь 1 – теоретическое значение геометри-
( )0,61г
*1tg w Сϕ = ⋅ Φ
2
щ1
1 щг г
*2 *1 2
щ2 2
1 щ 1
1
Ф (Ф )[ ]
tg1
tg
2
2
1
2
FG
G F
FG
G F
+
=
β
+ β
г
*Ф
ческого параметра закрутки первого завихрите-
ля; G1 и G2 – расходы воздуха через первый и
второй завихрители; β2 – геометрический угол
входа потока во второй завихритель; Fщ1 и Fщ2
– площадь тангенциальной щели первого и вто-
рого завихрителей.
Из рис. 3,б следует, что при Gд = 0 среднее
значение угла закрутки потока за вторым за-
вихрителем φw2 составляет 470, следователь-
но, угол входа потока во второй завихритель
φw2 равен 430. Отметим, что при тарировке из-
меренный угол входа потока во второй завих-
ритель составлял 220; это означает, что вслед-
ствие взаимодействия двух потоков в пределах
тангенциального завихрителя происходит раз-
ворот потока на 210.
При G2 /G1 = 3/7 = 0,429 (получено в тари-
ровочных экспериментах), β1 = 360, β2 = 430,
Fщ1 /Fщ2 = 2,31 теоретическое значение параме-
тра закрутки на выходе из второго завихрителя
2 составляет 0,98. Используя уравнение (2)
при С = 1,32, имеем tgφw2 ≈ 1,3 (среднее экс-
периментальное значение: tgφw2 = 1,09). Таким
образом, уравнение (3) дает завышенные на
19 % результаты.
Отношение вращательных и осевых скоро-
стей на выходе из первого и второго завихрите-
лей определяется уравнениями:
, (4)
. (5)
Как следует при G1 /G2 = 7:3 и Fщ2 /Fщ1 =
0,432 отношение осевых скоростей на выходе
из первого и второго завихрителей составляет
0,79, а отношение вращательных скоростей –
близко к единице.
Первый завихритель, GД ≠ 0. В этом
г
*Ф
щ1
2 щ
/ 2
1 2
1
FGw w
G Fϕ ϕ = ⋅
щ1 1
2 щ 2
tg/
tg
2
x1 x2
1
FG w w
G F
β
= ⋅ ⋅
β
г
*Ф
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №2 13
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
случае теоретическое значение параметра закрутки потока определяется с учетом взаимодействия
закрученных потоков, выходящих из первого завихрителя и дополнительного канала [3]:
, (6)
2 2 щ1 д
1 вх д вх д
г гд вх
*1 *1 0
2 2 щ1
1 вх д вх д 1
д
( / ) ( / ) sin
(Ф )
( / ) ( / ) cos ctg
F r
G G G G
F r
F
G G G G
F
+ ϕ
Φ =
+ ϕ β
где G1, Gвх – расход воздуха через первый
завихритель и суммарный расход через оба за-
вихрителя; Gд – расход воздуха через дополни-
тельный канал; ( 1 ) – теоретическое значение
параметра закрутки первого завихрителя при
Gд = 0, определяемое уравнением (1); Fд – пло-
щадь поперечного сечения круглого канала для
подвода дополнительного потока; rд – радиус,
на котором расположено отверстие для по-
дачи дополнительного воздуха; rвх = R – 0,5h
– средний радиус входа закрученного потока;
φд – угол закрутки дополнительного потока.
При φд = 450, G1 /Gвх= 0,7 , rд = 5 мм,
rвх= 7,5 мм уравнение (6) принимает следую-
щий вид:
. (7)
Угол β1 в уравнении (7) является перемен-
ным и зависит от отношения Gд/Gвх . Так как
его значение определяется уравнением
β1 = 900 – φw1 , то ctg β1 = tg φw1. Из уравнения (2)
при С = 1,32 следует:
. (8)
Совместное решение уравнений (7) и (8)
при ctg β1 = tg φw1 определяет однозначную
связь между параметрами tg φw1 и Gд/Gвх.
Выполненные расчеты показывают, что
уравнение (7) дает существенно завышенные
г
*Ф
2
г д вх.
*1 2
д вх. 1
0, 49 7,14( / )
Ф 1,06
0,49 10,72( / ) ctg
G G
G G
+
=
+ β
г 1,64
*1 w1Ф 0,63 tg = ⋅ ϕ
результаты, что обусловлено недостаточно пол-
ным учетом особенностей смешения прямоу-
гольной и круглой закрученных струй. Срав-
нение результатов расчета по уравнению (7) с
экспериментальными данными, представлен-
ными на рис. 3,а, показывает, что хорошее со-
гласование результатов достигается только при
введении в правую часть уравнения (6) коррек-
тирующего множителя
. (9)
Абсолютное значение этого множителя из-
меняется от 1,0 до 0,6 при изменении отноше-
ния Gд/Gвх от 0 до 0,16.
Аналогичным образом определяется теоре-
тическое значение параметра закрутки для вто-
рого завихрителя при Gд ≠ 0.
Гидравлическое сопротивление
Тангенциальные завихрители. Коэффици-
ент сопротивления первого завихрителя опре-
деляется уравнением:
, (10)
где ΔР1* – разность полных давлений перед
завихрителем и в сечении канала сразу за ним;
wщ1, ρщ1 – среднемассовая скорость и плотность
потока в щели первого завихрителя. В пред-
ставленной форме коэффициент сопротивле-
ния завихрителя учитывает потери в самом за-
вихрителе (сужение и расширение потока плюс
потери трения) и потери, обусловленные сме-
шением основного и дополнительного потоков.
2,2
д вх1 22,2( / )G Gε = −
1
завихр1 2
щ1 щ1
2 *P
w
∆
ζ =
ρ
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №214
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Коэффициент сопротивления второго за-
вихрителя определяется аналогичным уравне-
нием:
, (11)
где ΔР2* – разность полных давлений перед
вторым завихрителем и в сечении канала сразу
за ним; wщ2, ρщ2 – среднемассовая скорость и
2
завихр2 2
щ щ
2 *
2 2
P
w
∆
ζ =
ρ
плотность потока в тангенциальной щели вто-
рого завихрителя. В представленной форме ко-
эффициент сопротивления учитывает потери в
тангенциальном подводе и потери, обусловлен-
ные смешением основного (Gд + Gзавихр 1) и до-
полнительного (Gзавихр 2 ) потоков.
На рис. 8 представлены экспериментальные
зависимости коэффициента потерь полного
давления в первом и втором завихрителе в за-
висимости от относительного расхода допол-
нительного воздуха.
а б
Рис. 8. Коэффициент потерь полного давления первого (а) и второго (б) завихрителя.
Штриховые линии ограничивают область изменения коэффициента
сопротивления поворота в канале с одним завихрителем [2].
Если для канала с одним завихрителем [2]
и поворотом на выходе в области Gвх = 13,1…
24,1 г/с коэффициент сопротивления завихри-
теля сохраняется примерно постоянным
(2,9…3,2) при изменении отношения Gд /Gвх от
0 до 0,16, то в канале с двумя завихрителями
коэффициент сопротивления первого завих-
рителя возрастает в области Gд /Gвх=0…0,06,
затем уменьшается при Gд /Gвх = 0,06...0,10 и
далее резко возрастает в области Gд /Gвх > 0,10...
0,12. В области Gд /Gвх < 0,04 сопротивление
первого завихрителя в канале с двумя завихри-
телями меньше, чем в канале с одним завихри-
телем, а в области Gд /Gвх > 0,10…0,12 – боль-
ше.
Отметим, что область Gд /Gвх= 0,05…0,06
приблизительно соответствует равенству
полных импульсов и абсолютных скоростей
дополнительного потока и воздушного по-
тока через первый завихритель. В области
рост сопротивления обу-
словлен увеличением потерь смешения. Кроме
того анализ расходной характеристики показы-
вает, что из-за роста потерь в первом завихри-
теле происходит незначительное снижение рас-
хода через него и соответствующее увеличение
расхода через второй завихритель.
д вх 0,10...0,12G G >
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №2 15
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 9. Относительные потери полного давления на длине канала,
соответствующей второму завихрителю.
Коэффициент потерь полного давления
второго завихрителя представлен на рис. 8, б.
Из рисунка видно, что потери во втором за-
вихрителе больше, чем в первом в широком
диапазоне изменения отношения Gд /Gвх. Это
связано с тем, что на струю, выходящую из
щели завихрителя, действуют силы противо-
давления со стороны закрученного потока. В
области Gд /Gвх = 0,05...0,06 (максимальные
значения tgφw1 = 1,25…1,35) происходит резкое
снижение потерь, и коэффициент потерь полного
давления второго завихрителя достигает своего
минимального значения. По-видимому, в этой об-
ласти создаются наиболее благоприятные усло-
вия для смешения двух закрученных потоков.
Потери полного давления на участке кана-
ла, соответствующем второму завихрителю (на
длине b2 = 25,5 мм), отнесенные к среднему
скоростному напору в сечении канала за завих-
рителем представлены на рис. 9. Общий харак-
тер поведения относительного коэффициента
сопротивления в зависимости от отношения
Gд /Gвх соответствует поведению кривых
на рис. 8,б с минимумом в области Gд /Gвх=
0,5…0,6.
Поворот на выходе. Коэффициент местно-
го сопротивления поворота определяется по со-
отношению:
, (12)
где ΔР*поворота – разность осредненных полных
давлений в потоке перед поворотом и на выхо-
де из него; wср, ρср – среднемассовая скорость
и плотность потока в сечении канала на входе
в поворот. Полное давление после поворота
измерялось интегрирующей гребёнкой полно-
го давления в канале прямоугольного сечения
сразу после поворота.
В отличие от канала с одним завихрителем,
где коэффициент сопротивления поворота воз-
растает с увеличением отношения Gд /Gвх [2], в
канале с двумя завихрителями этот коэффициент
*
поворота
поворота
ср cр / 22
P
w
∆
ζ =
ρ
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №216
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
изменяется по кривой с минимумом в области
Gд /Gвх = 0,10…0,12 (рис. 10). Минимум коэффи-
циента сопротивления соответствует среднему
углу закрутки потока на стенке канала за вторым
завихрителем от 400 до 440 (рис. 3,б) и для дан-
ного случая, по-видимому, является оптималь-
ным для «безударного» входа закрученного по-
тока в поворот. Различный характер поведения
коэффициента сопротивления в зависимости от
отношения Gд /Gвх свидетельствует о том, что
значительное влияние на величину коэффици-
ента сопротивления может оказывать характер
радиального распределения угла закрутки пе-
ред поворотом, которое является различным в
каналах с одним и двумя завихрителями.
Сравнение с данными работы [2] показыва-
ет, что при отсутствии дополнительной подачи
воздуха (Gд /Gвх = 0) потери в выходном пово-
роте в канале с двумя завихрителями на 50…
60 % больше, чем в повороте, установленном
в канале с одним завихрителем. В области
Gд /Gвх < 0,04…0,06 коэффициент сопротивле-
ния поворота в канале с двумя завихрителями
выше данных, полученных для канала с одним
завихрителем, а при Gд /Gвх > 0,06 – ниже их.
Рис 10. Коэффициент сопротивления 900 поворота на выходе из канала.
Штриховые линии ограничивают область изменения коэффициента
сопротивления поворота в канале с одним завихрителем [2].
Потери давления в канале с двумя завихри-
телями. Средний коэффициент сопротивления
канала определяется в соответствии с уравнени-
ем:
, (13)
*
*
2
2
( / )ср
ср
P
l d wϕ
∆
λ =
⋅ρ
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №2 17
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Здесь ΔР* – перепад средних значений полного
давления на длине канала l (рис. 7); wср – сред-
нерасходная скорость потока перед поворо-
том; l, d – длина и диаметр канала. В представ-
ленной форме коэффициент сопротивле-
ния учитывает, в том числе, потери смешения
на участке канала, соответствующем второму
завихрителю. Зависимость коэффициента со-
противления в канале с двумя завихрителями от
относительного расхода дополнительного воз-
духа представлена на рис. 11. Из представлен-
ных данных следует, что в широком диапазоне
изменения расхода дополнительного воздуха
относительные потери в канале с двумя завих-
рителями ниже, чем в канале с одним завихри-
телем. При Gд /Gвх = 0 эти потери на 12…28%
ниже, чем в канале с одним завихрителем.
В области Gд /Gвх =0,04...0,06 наблюдается
минимум относительного коэффициента сопро-
тивления, который соответствует минимуму по-
терь полного давления во втором завихрителе
(рис. 8, б, 9), где происходит смешение закру-
ченных потоков при наиболее благоприятных
условиях. В этом же диапазоне достигается мак-
симальная средняя закрутка потока на участке
между вторым завихрителем и выходным пово-
ротом (рис. 3, б). Таким образом, оптимальный
с точки зрения гидравлических потерь диапазон
расхода дополнительного воздуха по сравне-
нию с каналом с одним завихрителем [2] смеща-
ется в сторону меньших значений и составляет
Gд /Gвх =0,04...0,06 , или Gд /Gзавихр1 =0,05...0,08 .
Рис. 11. Относительные средние потери полного давления в канале
в зависимости от относительного расхода воздуха через
дополнительный канал. Штриховые линии ограничивают область
изменения среднего коэффициента сопротивления в канале
с одним завихрителем [2].
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №218
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Выполненные измерения показали суще-
ственно различный характер распределения
локальных и интегральных параметров закру-
ченного потока в канале с двумя завихрителями
по сравнению с каналом с одним завихрителем.
Это обусловлено как абсолютными значениями
среднего угла закрутки потока в канале, так и
характером изменения этого угла в зависимо-
сти от отношения Gд /Gвх. Если в канале с одним
завихителем средний угол закрутки потока при
Gд /Gвх = 0…0,11 находится в диапазоне 380…
420, то в канале с двумя завихрителями он су-
щественно выше и изменяется от 430 до 510.
При этом в канале с двумя завихрителями в
области между первым и вторым завихрите-
лями угол закрутки изменяется от 530 до 460.
Выводы
1. Распределение локальных и интегральных
параметров в канале с двумя тангенциальными
завихрителями существенно отличается от рас-
пределения в канале с одним тангенциальным
завихрителем.
2. Действительный угол входа потока в пер-
вый тангенциальный завихритель существен-
но отличается от геометрического и зависит от
соотношения расходов Gд /Gвх. В пределах вто-
рого завихрителя происходит поворот потока
на 210.
3. Гидравлические потери в канале с двумя
завихрителями уменьшаются, а сопротивление
выходного поворота в области малых расходов
дополнительного воздуха (Gд /Gвх < 0,4 ) увели-
чивается по сравнению с каналом с одним за-
вихрителем.
4. Оптимальный с точки зрения минимума
гидравлических потерь диапазон расхода до-
полнительного воздуха в канале с двумя тан-
генциальными завихрителями составляет
Gд /Gвх = 0,04...0,06.
ЛИТЕРАТУРА
1. Халатов А.А., Борисов И.И., Дашевский
Ю.Я., Северин С.Д. Гидродинамика закручен-
ного потока в трубе с наклонно-тангенциальной
закруткой потока и подводом воздуха в торце-
вую область канала // Промышленная теплотех-
ника. –2009. –№3. – С.13-20.
2. Халатов А.А., Борисов И.И., Дашевский
Ю.Я., Северин С.Д. Гидродинамика закручен-
ного потока в трубе с наклонно-тангенциальной
закруткой и 900 поворотом на выходе // Про-
мышленная теплотехника. –2009. –№6. –
С. 6 – 13.
3. Халатов А.А. Теория и практика закру-
ченных потоков. – К.: Наукова Думка, 1989.–
192 с.
Получено 28.07.2009 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-60513 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:42:15Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Халатов, А.А. Борисов, И.И. Дашевский, Ю.Я. Северин, С.Д. 2014-04-15T20:34:57Z 2014-04-15T20:34:57Z 2010 Гидродинамика закрученного потока в трубе с двумя завихрителями и 90°-поворотом на выходе / А.А. Халатов, И.И. Борисов, Ю.Я. Дашевский, С.Д. Северин // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 2. — С. 5-18. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60513 532.516:536.24.01 Представлены результаты экспериментального исследования гидродинамики закрученного потока в цилиндрическом канале с двумя распределенными по длине тангенциальными завихрителями, подачей дополнительного воздуха в торцевую область канала и 90° поворотом потока на выходе. Определены локальные и интегральные параметры закрученного потока, а также гидравлические потери в канале, в тангенциальных завихрителях и в повороте на выходе из канала. Наведено результати експериментального дослідження гідродинаміки закрученого потоку в циліндричному каналі з двома розподіленими по довжині тангенціальними завихрювачами, подачoю додаткового повітря в торцеву область каналу та 90° поворотом потоку на виході. Визначено локальні та інтегральні параметри закрученого потоку, а також гідравлічні втрати в каналі, в тангенціальних завихрювачах і в повороті на виході з каналу. The results of experimental studies of swirling flow hydrodynamics in a cylindrical channel with two tangential swirl flow generators distributed along the channel length, additional air admission in the end-wall area and 90 degree outlet bend are presented. The local and total swirl flow parameters, as well as hydraulic losses, in the channel, tangential swirl generators and outlet bend are determined. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные процессы Гидродинамика закрученного потока в трубе с двумя завихрителями и 90°-поворотом на выходе Hydrodynamics of swirling flow in the tube with two tangential swirl flow generators and 90 degree outlet bend Article published earlier |
| spellingShingle | Гидродинамика закрученного потока в трубе с двумя завихрителями и 90°-поворотом на выходе Халатов, А.А. Борисов, И.И. Дашевский, Ю.Я. Северин, С.Д. Тепло- и массообменные процессы |
| title | Гидродинамика закрученного потока в трубе с двумя завихрителями и 90°-поворотом на выходе |
| title_alt | Hydrodynamics of swirling flow in the tube with two tangential swirl flow generators and 90 degree outlet bend |
| title_full | Гидродинамика закрученного потока в трубе с двумя завихрителями и 90°-поворотом на выходе |
| title_fullStr | Гидродинамика закрученного потока в трубе с двумя завихрителями и 90°-поворотом на выходе |
| title_full_unstemmed | Гидродинамика закрученного потока в трубе с двумя завихрителями и 90°-поворотом на выходе |
| title_short | Гидродинамика закрученного потока в трубе с двумя завихрителями и 90°-поворотом на выходе |
| title_sort | гидродинамика закрученного потока в трубе с двумя завихрителями и 90°-поворотом на выходе |
| topic | Тепло- и массообменные процессы |
| topic_facet | Тепло- и массообменные процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60513 |
| work_keys_str_mv | AT halatovaa gidrodinamikazakručennogopotokavtrubesdvumâzavihritelâmii90povorotomnavyhode AT borisovii gidrodinamikazakručennogopotokavtrubesdvumâzavihritelâmii90povorotomnavyhode AT daševskiiûâ gidrodinamikazakručennogopotokavtrubesdvumâzavihritelâmii90povorotomnavyhode AT severinsd gidrodinamikazakručennogopotokavtrubesdvumâzavihritelâmii90povorotomnavyhode AT halatovaa hydrodynamicsofswirlingflowinthetubewithtwotangentialswirlflowgeneratorsand90degreeoutletbend AT borisovii hydrodynamicsofswirlingflowinthetubewithtwotangentialswirlflowgeneratorsand90degreeoutletbend AT daševskiiûâ hydrodynamicsofswirlingflowinthetubewithtwotangentialswirlflowgeneratorsand90degreeoutletbend AT severinsd hydrodynamicsofswirlingflowinthetubewithtwotangentialswirlflowgeneratorsand90degreeoutletbend |