Разработка метода расчета и создание вихревого струйного устройства для управления потоком газа
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ……………… 6
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………… 11
ГЛАВА 1. Обзор и анализ: работ, посвященных данной теме. Состояния во-
проса по разработке математических моделей и методов расчета вихревых
струйных устройств …………………………………………………………… 21
1.1. Проблематика при создании существующих ЗРУ ……………………… 21
1.2. Принцип работы ВСУ ……………………………………………………… 24
1.3. История создания ВСУ …………………………………………………… 24
1.4. Актуальность создания ВСУ, статистика по литературному обзору …… 25
1.5. Области применения ВСУ ………………………………………………… 28
1.6. Обзор математических моделей течения рабочей среды внутри рабочей
полости ВСУ и методов расчета ВСУ ………………………………………… 34
1.7. Обзор и анализ математических моделей, описывающих взаимодей-
ствие двух потоков: питающего и управляющего в рабочей полости ВСУ … 36
1.8. Обзор ММ, описывающих вихревое течение РС в РП ВСУ в аналитиче-
ской форме ……………………………………………………………………… 39
1.9. ММ вихревого течения в ВК ВСУ в дифференциальной форме ……… 41
1.10. ММ осесимметричного вихревого движения рабочей среды ………… 43
1.11. Особенности вихревого течения, протекающего в РП ВСУ …………… 44
1.12. Описание рабочей характеристики ВСУ ………………………………… 48
1.13. Обзор численных методов решения системы дифференциальных урав-
нений, входящих в состав математической модели течения рабочей среды
внутри рабочей полости ВСУ ………………………………………………… 51
1.14. Обзор методов экспериментального исследования рабочего процесса,
протекающего в РП ВСУ ……………………………………………………… 57
Стр.
1.15. Обзор методов экспериментального исследования рабочих характери-
стик ВСУ ………………………………………………………………………… 59
1.16. Обзор рекомендаций, посвященных конструктивному исполнению
ВСУ ……………………………………………………………………………… 61
Выводы по Главе 1 ……………………………………………………………… 63
Цель и задачи исследования …………………………………………………… 63
ГЛАВА 2. Разработка математической модели рабочих процессов, проте-
кающих в рабочей полости ВСУ ……………………………………………… 65
2.1. Разработка классификации рабочих полостей ВСУ ……………………… 65
2.2. Математическая модель течения рабочей среды внутри рабочей поло-
сти ВСУ ………………………………………………………………………… 65
2.3. Решение математической модели течения рабочей среды внутри рабо-
чей полости ВСУ ………………………………………………………………… 73
2.4. Результаты численного исследования рабочего процесса, протекающего
в РП ВСУ с использованием допущения о изотермичности газа …………… 75
2.5. Численное исследование течения рабочей среды, внутри РП ВСУ с уче-
том изменения температуры РС ……………………………………………… 77
Выводы по Главе 2 ……………………………………………………………… 82
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования рабочих характеристик и па-
раметров рабочих процессов, протекающих в рабочей полости ВСУ. Вери-
фикация ММ. Формулировка метода расчета ВСУ …………………………… 83
3.1. Создание экспериментального образца ВСУ …………………………… 83
3.2. Предварительные экспериментальные исследования рабочего процесса,
протекающего в рабочей полости ВСУ ……………………………………… 84
3.3. Методика определения значения давления потока управления, при ко-
тором происходит запирание потока питания ………………………………… 88
3.4. Проведение экспериментальных исследований с применением цифро-
вых средств измерения ………………………………………………………… 93
Стр.
3.5. Средства измерения параметров рабочей среды, подаваемой на экспе-
риментальный образец ВСУ …………………………………………………… 96
3.6. Разработка программного обеспечения, предназначенного для управле-
ния стендом и регистрации экспериментальных данных при помощи элек-
тронных средств измерения …………………………………………………… 96
3.7. Методика проведения эксперимента ……………………………………… 100
3.8. Результаты экспериментальных исследований …………………………… 101
3.9. Обработка результатов экспериментальных исследований характери-
стик ВСУ ………………………………………………………………………… 106
3.10. Сопоставление результатов численного моделирования с результатами
экспериментального исследования рабочих характеристик ВСУ …………… 108
3.11. Исследование течения рабочей среды в рабочей полости ВСУ при по-
мощи Шлирен-метода оптической визуализации течения РС ……………… 111
3.12. Описание установки для Шлирен-метода оптической визуализации … 112
3.13. Результаты исследования течения РС в РП ВСУ при помощи Шлирен-
метода оптической визуализации. Верификация ММ рабочего процесса,
протекающего внутри РП ВСУ ………………………………………………… 113
3.14. Исследование поля температуры, внутри РП ВСУ при помощи метода
инфракрасной термографии …………………………………………………… 115
3.15. Результаты исследования поля температуры, внутри РП ВСУ при по-
мощи метода инфракрасной термографии. Верификация ММ рабочего про-
цесса, протекающего внутри РП ВСУ ………………………………………… 117
3.16. Разработка метода расчета ВСУ ………………………………………… 121
Выводы по Главе 3 ……………………………………………………………… 123
ГЛАВА 4. Применение метода расчета ВСУ при проведении расчетно-
теоретических и экспериментальных исследований параметров рабочей
среды, протекающей внутри рабочих полостей ВСУ ………………………… 126
4.1. Проведение расчетно-теоретических исследований параметров РС в РП
ВСУ с распределенной по периферии ВК подачей ПП и ПУ ………………… 126
Стр.
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 ………………………………………… 130
4.3. Проведение расчетно-теоретических исследований параметров РС в РП
ВСУ, предназначенной для управления газореактивным приводом ………… 134
4.4. Внедрение результатов работы. Разработка ВСУ для управления актив-
ным гидропневмодемпфером для технических средств реабилитации ……… 137
Выводы по Главе 4 ……………………………………………………………… 142
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………… 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………… 146
ПРИЛОЖЕНИЕ ………………………………………………………………… 157
П.1. Вычисление потерь давления при прохождении РС через каналы пита-
ния, управления и выходного патрубка ВСУ при проведении численного
исследования рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ ………………… 157
П.2. Приведение экспериментальных значений параметров РС к значениям
параметров РС в сечениях сопел объекта исследования ……………………… 159
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность исследования, сформулирована научная проблема, определены объект и пред- мет исследования.
В первой главе приведены общие сведения о состоянии вопроса исследо- вания и разработки ВСУ. Проведен обзор областей применения данных устройств. Рассмотрены типовые схемы ВСУ: с сосредоточенной и распределен- ной по периферии ВК подачей РС, базовые схемы которых представлены на Ри- сунке 1, а также рассмотрен принцип их действия, преимущества и недостатки.
Основной принцип понижения расхода и давления в выходном патрубке ВСУ заключается во взаимодействии двух потоков: ПП с ПУ, образования ВТ РС и создании гидравлического сопротивления при вихревом движении РС от периферии вихревой камеры (ВК) к центру. В результате ВТ и создания поля центробежных сил, действующих на вращающуюся массу РС на периферии ВК создается повышенное давление РС, а в центре вихря – пониженное давление. Когда на периферии ВК давление РС становится равным давлению в канале пи- тания (КП), расход из КП прекращается, такой эффект называется эффектом запирания ПП.
7
абв
Рисунок 1. Схемы ВСУ с сосредоточенной подачей ПП и УП РС (а), ВСУ с рас- пределенной по периферии ВК подачей ПП и сосредоточенной подачей УП 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 – радиаль- ное и вихревое течение; 7 – УП; 9 и 13 – наличие и отсутствие вихревого тече- ния; 10 и 11 – канал сброса и выхода; 12 – расфокусировка выходного потока; 14 – вихревой клапан; 15 – элемент сравнения; 16 – вихревой регулятор давления РС
Проведена статистка по публикационной активности НТЛ, подтвержда- ющая современный интерес к разработке подобного рода устройств, выявлены ключевые отрасли, где наиболее широко используются ВСУ.
Проведен обзор и анализ методов расчета ВСУ и ММ рабочих процессов, протекающих в рабочей полости ВСУ в приближении сосредоточенных и рас- пределенных параметров РС как для несжимаемых, так и сжимаемых РС и представлены определяющие их расчетные зависимости. Проведен обзор и вы- бор математического описания турбулентности потока РС. Проведен обзор и выбор метода решения ММ. Приведен обзор конструктивных исполнений ВСУ. Приведен обзор экспериментальных стендов и методов экспериментального ис- следования рабочих характеристик и рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ, к которым можно отнести методы визуализации рабочего процесса, про- текающего в РП ВСУ.
В результате анализа сформулированы цель и задачи исследования.
Вторая глава посвящена разработке метода расчета ВСУ и математиче- ской модели рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ. С целью обоснован- ного выбора вариантов конструкции и новых схем разработана классификация существующих технических решений по конструктивным и функциональным признакам, которая позволяет проводить синтез расчетной схемы ВСУ, генери- ровать новые технические решения путем комбинации существующих элемен- тов ВСУ. При помощи разработанной классификации для отработки ММ рабо- чих процессов, протекающих в РП ВСУ предложена схема РП ВСУ, состоящая из вихревой камеры и патрубков питания, управления и выхода (Рисунок 2). Проведен оценочный гидравлический расчет, с использованием уравнения рас- хода, в частности зависимости Сен-Венана и Ванцеля, в результате которого
определены суммарные проходные сечения питающего и управляющего кана- лов 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.
Математическая модель рабочих процессов в РП ВСУ разработана со следующими допущениями:
течение газа трехмерное;
рабочее тело – идеальный газ;
процесс установившийся;
отсутствуют потенциальные поля (не учитывается влияние силы тяже-
сти, действующие на вращающуюся массу РС);
ньютоновская вязкая жидкость;
не учитывается теплообмен между РС и корпусом ВСУ.
Рисунок 2. Объект исследования – рабочая полость ВСУ (расчетная область)
Основные расчетные зависимости: Уравнение движения:
( )+ ( − )=− − g ,
где – плотность; – вектор скорости движения; – время; – тензор каса- тельных напряжений; – статическое давление; g – вектор ускорения свобод- ного падения.
9
Уравнение неразрывности:
+ ( )=0.
Уравнение энергии:
( h)+ ( h−( + ) h)= + + + ,
где h – энтальпия; и – динамическая и турбулентная вязкость соответ- ственно; – число Прандтля; – турбулентное число Прандтля.
Тензор касательных напряжений:
=( + )( + )−2(( + ) + ) , 3
где – кинетическая энергия турбулентности; – символ Кронекера = {1, = ,
0, ≠ .
Составленная система дифференциальных уравнений дополняется моде- лью турбулентности, в частности в данной работе выбрана SST–kω модель тур- булентности:
u PD A,
tjx xx jjj
A21F 1k, 1 2 xj xj
Условия однозначности:
Начальные условия: = 0 | = атм; ⃗ = 0.
Граничные условия:
на входе в расчетную область: ( ) = п; ( , , , ) ∈ 12,
⃗⃗ ⃗⃗⃗
на выходе из расчетной области: ( ) = вых; ( , , , ) ∈ 3, ⃗ ( ) ⊥ 3, на внешних границах: ( ) = ( ) = ( ) = 0.
Конечным условием расчета является: критерий среднеквадратической невязки ≤ 10−5.
Разработанная ММ реализована при помощи лицензионного программно- го пакета ANSYS CFX. Расчет проводился для трех точек, расчетные парамет- ры которых представлены в Таблице 1.
Параметры рабочей среды для трех расчетных точек
Таблица 1. в сечение
No расчетной точ- в сечение
в сечение
1 вых
пит
2 упр
ки
1 16529 2 150 180 13 3 21011
[кПа]
[кПа]
[кПа]
10
В результате численного расчета получено распределения скорости, дав- ления, температуры и плотности РС во всем объеме расчетной области ВСУ, представленные на Рисунке 3.
Количественные значения массовых расходов и плотности РС, протека- ющей через патрубки питания, управления, выхода представлены в Таблице 2. Зная массовый расход и плотность РС вычислен объемный расход.
Рисунок 3. Результаты численного расчета: распределение давления, скорости и температуры РС во всем объеме расчетной области ВСУ
Расчетные значения массовых расходов и плотности
Таблица 2
No расчетной точки
1 2 3
Мвых Мупр Мпит вых упр пит
[кг/с] [кг/с] [кг/с] [кг/ м3] [кг/ м3] [кг/ м3] 0,012106 0,0033291 0,0076221 1,5223 3,1171 2,9389 0,0080646 0,0039705 0,0045072 1,3328 3,2934 2,9403 0,0043126 0,0034284 0,0004635 1,311 3,6465 2,941
Вычислены значения давлений на срезе подводящих патрубков и вычис- лены расчетные значения потерь давления при прохождении РС через патрубки питания, управления и выхода ВСУ.
В третьей главе описано создание методом аддитивных технологий экс- периментального образца ВСУ, разработка программно-аппаратного комплек- са, предложена методика и результаты экспериментальных исследований ха- рактеристик и рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ.
С целью проведения экспериментального исследования рабочих характе- ристик и рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ, а также для проведения испытаний различных конфигураций ВСУ, на кафедре «Вакуумная и компрес- сорная техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана создан программно-аппаратный ком-
плекс для исследования ВСУ, схема и внешний вид которого представлены на Рисунках 4 и 5 соответственно.
Программно-аппаратный комплекс включает в себя модуль исследования ВСУ и программное обеспечение (ПО), разработанное в пакете LabVIEW, предназначенное для интерактивного управления модулем и регистрации пока- заний с цифровых средств измерения.
Рисунок 4. Схема стенда
Рисунок 5. Внешний вид программно-аппаратного комплекса
Принципиально модуль исследования ВСУ состоит из: I – блок ЗРА и метрологических средств измерения, предназначенный для подачи РС с опре- деленными параметрами (давлением и расходом) на объект исследования II; II – ВСУ (объект исследования); 2.1 – канал питания; 2.2 – канал управления; 2.3 – вихревая камера; 2.4 – выходной патрубок; III – линия ЗРА для ручного управ- ления подачей РС на ВСУ; IV – линия ЗРА для автоматического управления
12
подачей РС на ВСУ; V – метрологические средства измерения; VI – модуль для исследования рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ при помощи Шли- рен-метода; ВК – винтовой компрессор; 1..5, 7..10, 11,12 – запорные шаровые краны на пневмоотводах; 6 – отсечной кран модуля исследования ВСУ; 13 – шаровой кран для сброса РС в атмосферу и опорожнения пневмосети; 14 – от- сечной кран после ресивера винтового компрессора; 15, 16 – поворотные за- слонки для отсечения части пневмосети; 3.1 и 3.2 – запорные шаровые краны для отсекания РС в каналах питания и управления; РД – мембранный регулятор давления для поддержания постоянного давления РС в канале питания; 3.3 – регулирующий вентиль для управления расходом и давлением РС в канале управления; ЭПКпит, ЭПКупр – запорные электропневмоклапаны для интерак- тивного отсекания РС в канале питания и управления; ШКпит, ШКупр – шаровые краны с электроприводом для интерактивного управлением расходом и давле- нием РС в каналах питания и управления; Мпит, Мупр – манометры для измере- ния давления РС в каналах питания и управления; 5.1, 5.2, 5.3 – датчики давле- ния (PSE530-M5-L (SMC)); 5.4, 5.5 – расходомеры (PFMB7202-F06-E и PFMB7102-F04-C соответственно).
Преобразование аналогового сигнала с датчиков давления (ДД) и расхода (ДР) в цифровой и передача сигнала на персональный компьютер (ПК) реали- зуются при помощи аналогово-цифрового преобразователь напряжения ELCARD E14-140-M.
С целью определения значения давления РС ПУ, при котором происходит запирание ПП, в данной работе разработана методика определения эксперимен- тального значения давления РС ПУ, при котором происходит запирание ПП, а также методика проведения экспериментальных исследований рабочих харак- теристик ВСУ.
Представление о характеристике ВСУ дает связь его входных и выходных параметров вх, вых и вх, вых с параметрами ПУ упр и упр при поддержании постоянного давления в канале питания пит = . Обеспечение данных па- раметров достигается следующим образом. Давление газа в канале питания поддерживается постоянным при помощи мембранного регулятора РД. Давле- ние управления Мупр изменяется при помощи плавного открытия/закрытия вен- тиля 3.3. Расходы на выходе и в канале управления ВСУ контролируется расхо- домерами 5.4, 5.4. Массовый расход питания вычислен как пит =
вых – упр, при этом массовые расходы питания, управления и выхода пере- считаны через объемные расходы, давление и температуру РС.
В результате проведения экспериментальных исследований построены характеристики ВСУ, построены номограммы, при помощи которых определе- ны значения параметров ПУ, при которых происходит запирание ПП. Запира- ние потока питания при давлении пит = 0,2 МПа происходит при давлении управления упр = 0,425 МПа.
Построены характеристики ВСУ, отражающие зависимости параметров питания, управления и на выходе ВСУ в режиме реального времени по которым подтверждено обеспечение запирания ПП.
С целью сопоставления результатов численного исследования с результа- тами экспериментального все параметры РС приведены к значениям в сечении сопел питания, управления и выходного патрубков ВСУ. Для этого при помощи дополнительного численного исследования вычислены потери давления при прохождении РС через патрубки экспериментального стенда с учетом реальной геометрии патрубков. С учетом вычисленных потерь давления произведен пе- ресчет результатов численного и экспериментального исследования для трех значений давления управления расчетных и соответствующих им эксперимен- тальных точек, исходные значения которых представлены в Таблицах 1 и 2, по- сле чего проведено сопоставление результатов численного с результатами экс- периментального исследования, которое представлено на Рисунке 6.
Рисунок 6. Сравнение экспериментальных значений с расчетными данными
В результате сопоставления значений экспериментальных данных, со значениями, полученными в результате численного моделирования подтвер- ждено, что максимальное отклонение по расходу РС не превышает 14%, по давлению питания и на выходе не превышает 7%, по давлению управления не превышает 13%, что подтверждает адекватность составленной ММ и право- мочность ее дальнейшего использования при расчете подобных конфигураций ВСУ. Верификация ММ проведена для среднеинтегральных параметров РС, значения которых вычислены на границах расчетной области объекта исследо- вания.
14
Для верификации параметров РС, внутри РП ВСУ проведено эксперимен- тальное исследование рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ при помо- щи: Шлирен-метода оптической визуализации (Рисунок 7, а) и метода инфра- красной термографии (Рисунок 7, в).
абв
Рисунок 7. Результаты визуализации рабочего процесса внутри РП ВСУ: а – рас-
пределение плотности, полученное при помощи Шлирен-метода, б – результат численного моделирования распределения поля температур на торцевой стенке РП ВСУ, в – результат экспериментального исследования распределения поля температур на торцевой стенке рабочей полости ВСУ
Качественное сопоставление области разрежения в центре вихревого те- чения, полученной при численном моделировании рабочего процесса, протека- ющего в РП ВСУ с областью разрежения, полученной в при эксперименталь- ном исследовании рабочего процесса в РП ВСУ представлено на Рисунке 7, а, что позволило сделать заключение об адекватности ММ.
Для верификации результатов численного моделирования течения рабо- чего процесса, протекающего внутри РП ВСУ выбрана расчетная точка со следующими параметрами РС: пит = 0,15 МПа, упр = 0,21 МПа, вых = 0,011 МПа.
На Рисунке 8 представлен результат исследования распределения темпе- ратуры на торцевой стенке РП вдоль радиуса ВК.
Максимальный перепад температур, образующийся в ВК не превышает 9°С. Среднее отклонение ε расчетных от экспериментальных значений темпе- ратуры вдоль радиусов составляет 5%, максимальное отклонение не превышает 16%. Это может быть объяснено наличием теплообмена между РС и стенками РП ВСУ.
На основе проведенных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований параметров рабочих процессов и разработки конструкций ВСУ предложен метод расчета ВСУ, позволяющий проектировать ВСУ на заданные газодинамические параметры РС, исследовать рабочие процессы, протекающие в различных конфигурациях РП ВСУ, позволяющий выявлять зависимость входных и выходных параметров РС от параметров управления и геометриче- ских параметров РП ВСУ. Метод расчета ВСУ формализован в виде блок- схемы.
15
28
26
24
22
20
5 10 15 20 Координата вдоль радиуса, [мм]
Экспериментальное значение температуры Расчетное значение температуры Экспериментальное значение температуры Расчетное значение температуры
8 7 6 5 4 3 2
5 10 15 20 Координата вдоль радиуса, [мм]
ε вдоль радиуса 0°
ε вдоль радиуса 0°
б
Рисунок 8. Результат исследования распределения температуры вдоль радиуса ВК: a – сопоставление расчетного с экспериментальным значением температу-
ры вдоль радиуса ВК 0°; б – отклонение ε [%] распределения значения темпера- туры расчетного от экспериментального вдоль радиуса ВК 0°
Четвертая глава посвящена проведению расчетно-теоретических исследо- ваний параметров РС, протекающей внутри рабочих полостей ВСУ с использо- ванием разработанного метода расчета ВСУ.
Проведено обоснование и создана новая геометрии РП и эксперименталь- ный образец ВСУ, который позволяет снизить значение давления РС потока управления, обеспечивающего запирание ПП. Проведена серия эксперимен- тальных исследований, подтвердивших работоспособность конструкции.
При помощи разработанного метода расчета ВСУ проведены расчетно- теоретические исследования параметров рабочей среды, протекающей в рабо- чих полостях:
– с торообразной ВК и распределенной по периферии ВК подачей ПП и ПУ РС;
– с распределенной по периферии ВК подачей ПП и ПУ РС, а также с ре- гулировкой закруткой ПП и ПУ РС, которая позволяет дискретно переключать ПП либо в тангенциальном, либо в осевом направлении, таким образом, созда- вая или устраняя закрутку потока в ВК, что позволяет получить определенный расход и давление на выходе из ВСУ;
– ВСУ, предназначенного для управления газореактивным приводом.
а
Температура, [°C]
Отклонение ε, [%]
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработана классификации по конструктивным и функциональным признакам, позволяющая проводить синтез новых РП ВСУ.
2. Разработан метод расчета ВСУ и ММ течения рабочей среды в рабочей полости ВСУ.
3. Разработан и изготовлен экспериментальный образец ВСУ, программ- но-аппаратный комплекс, методика проведения эксперимента, проведена вери- фикация ММ рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ как по среднеинте- гральным параметрам РС на границах расчетной области, так и по параметрам РС внутри РП ВСУ. Максимальное отклонение расчетных от эксперименталь- ных данных по расходу РС не превысило 14%, по давлению питания и на выхо- де не превысило 7%, по давлению управления не превысило 13%, по темпера- туре не превысило 16%. Запирание потока питания при поддержании постоян- ного давления питания пит = 0,2 МПа происходит при давлении управления упр = 0,425 МПа.
4. Проведены расчетно-теоретические исследования параметров РС, про- текающей внутри рабочих полостей 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 при-
вода.
5. 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».
6.Разработанный стенд внедрен в практику учебного процесса в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
7. Результаты диссертационной работы использованы в практической де- ятельности ООО НПФ «МКТ-АСДМ» (г. Курган) при разработке ЗРУ в виде: технических предложений по выполнению конструктивных схем, методик рас- чета и моделирования рабочих процессов гидропневмомеханических устройств и систем управления потоками; при разработке ЗРУ в системах регулирования пластового давления для нужд пожаротушения.
Актуальность темы:
В настоящее время во многих областях практической деятельности человека
широко используются запорно-регулирующие устройства (ЗРУ), предназначен-
ные 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 техни-
ка, авиационная техника, беспилотные летательные аппараты, гусеничные и ко-
лесные транспортные средства), системы автоматического регулирования и мно-
гие другие.
В современной практике в основном используются ЗРУ, которые содержат в
своей конструкции механически подвижные части, в связи с чем ЗРУ в большин-
стве 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 про-
мышленности, где РС может находиться при высокой температуре и быть загряз-
нена 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 дав-
ления РС, принцип действия которых основан на использовании вихревого тече-
ния газа. Подобные устройства относятся к весьма перспективной ветви техники
автоматического регулирования – устройствам, не имеющим механически дви-
жущихся частей.
Данная работа посвящена разработке метода расчета и созданию новых
вихревых регулирующих устройств, предназначенных для управления парамет-
рами (расходом) потока газа, не имеющих в своей конструкции механически по-
движных частей.
Степень разработанности темы:
Анализ работ, посвященных вопросу разработки методов расчета вихревых
струйных устройств (ВСУ) и математических моделей (ММ), описывающих тече-
ние РС в рабочей полости (РП) ВСУ, показал актуальность выбранного направле-
ния 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 пото-
ка управления (ПУ) с потоком питания (ПП). Кроме того, рассмотренные ММ ос-
новывались 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 харак-
тер и его возможно математически описать при помощи ММ в трехмерной поста-
новке 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 экспери-
ментальных исследований параметров РС в проточной полости ВСУ подтвер-
ждают 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 отлажен-
ных методов расчета рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ. Методы расче-
та, описанные в научно-технических источниках, не позволяют определить необ-
ходимые для проектирования нового оборудования параметры рабочих процессов
и геометрии рабочей полости ВСУ. В связи с отсутствием вычислительных ресур-
сов 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, предна-
значенные 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 экспе-
риментальных данных. Экспериментальные методы исследования рабочих харак-
теристик и рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ, к которым можно отне-
сти 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 по-
тока 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 ПП, 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 ос-
нован на взаимодействии струй двух потоков РС: питания и управления, и обра-
зовании вихревого течения РС).
4. Разработать экспериментальный стенд, создать экспериментальный обра-
зец ВСУ, методику проведения эксперимента и провести экспериментальные ис-
следования для верификации ММ.
5. С использованием разработанного метода расчета ВСУ и математической
модели провести расчетно-теоретические и экспериментальные исследования па-
раметров 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 зависи-
мости от значения расхода потока питания и расхода потока управления, значения
параметров РС потока управления при которых происходит запирание потока пи-
тания), 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 моде-
лирование, 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 за-
данные газодинамические параметры РС; определять зависимость входных и вы-
ходных 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 использо-
ванием 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 экс-
периментальный стенд, программное обеспечение, а также методику проведения
экспериментального исследования, проведены экспериментальные исследования
рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ, подтвердившие адекватность разра-
ботанной ММ рабочих процессов в РП ВСУ.
3. Получены экспериментальные данные (номограммы зависимости расхода
на выходе ВСУ от расхода управления при различных значениях давления пита-
ния 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 иссле-
дования параметров и рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ, а также ре-
зультаты 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 рабо-
ты при разработке активного гидропневмодемпфера протеза коленного модуля в
ПАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука».
7. Результаты диссертационной работы использованы в практической дея-
тельности ООО НПФ «МКТ-АСДМ» при разработке ЗРУ в виде: технических
предложений по выполнению конструктивных схем, методик расчета и моделиро-
вания рабочих процессов гидропневмомеханических устройств и систем управле-
ния потоками; при разработке ЗРУ в системах регулирования пластового давле-
ния для нужд пожаротушения.
Положения, выносимые на защиту:
Метод расчета и ММ рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ. Резуль-
таты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований характеристик
и рабочих процессов, протекающих в РП ВСУ.
Степень достоверности и апробация работы:
Достоверность полученных результатов исследования обеспечивается при-
менением сертифицированных средств измерения при проведении эксперимен-
тальных исследований. Достоверность результатов расчетно-теоретических ис-
следований рабочего процесса, протекающего в РП ВСУ подтверждена результа-
тами собственных экспериментальных исследований. Адекватность разработан-
ной ММ подтверждена путем сравнения графиков зависимости расходов питания,
управления и на выходе ВСУ от давления управления, графиков зависимости дав-
ления питания и на выходе ВСУ от давления управления, качественного сравне-
ния распределения плотности внутри ВК ВСУ, графиков распределения темпера-
туры вдоль радиуса ВК ВСУ, полученных в результате вычислительных и натур-
ных экспериментов. Максимальное отклонение по расходу РС не превысило 14%,
по давлению питания и на выходе ВСУ не превысило 7%, по давлению управле-
ния не превысило 13%, по температуре не превысило 16%.
Апробация результатов работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсужда-
лись на 26 научных конференциях и конкурсах. Из особо значимых можно выде-
лить: Всероссийская научная конференция молодых ученых, аспирантов и сту-
дентов «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.); Всероссий-
ская конференция молодых ученых и специалистов (с международным участием)
«Будущее машиностроения России» (Москва 2015–2021 гг.); «Всероссийский ин-
новационный 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 2018–
2021 гг.); Всероссийская молодежная научно-практическая конференция и Все-
российский 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.); Акаде-
мические чтения по космонавтике, МГТУ им. Н.Э. Баумана, (Москва 2021 г.);
Международная научно-техническая конференция «Техники и технология нефте-
химического 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 мо-
лодежная научно-инженерная выставка «Политехника» 2013, 2015–2017 гг.
Личный вклад автора:
Личный вклад автора заключается в разработке метода расчета и ММ рабо-
чих 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 рас-
пределенной 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
Публикации автора в научных журналах
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.6 (30 отзывов)
5 (174 отзыва)
5 (145 отзывов)
4.6 (71 отзыв)
0 (13 отзывов)
4.9 (522 отзыва)
4.6 (92 отзыва)
4.2 (13 отзывов)
4.3 (248 отзывов)
