2. Общая картина движения газа в циклонной камере. Влияние основных конст­руктивных и режимных характеристик на аэродинамику циклонной камеры

Циклонная камера (Рисунок 2.1) представляет собой цилиндр, тангенциально к внутренней поверхно­сти которого вводится газ или жидкость.

Рис.2.1. Схематический чертеж циклонной камеры и основные обозначения: 1 – ядро потока; 2 – периферийная (пристенная) зона; 3 – приторцевая зона.

Вывод газов из рабочего объема циклонной камеры, как правило, осуществляется через соосное с ним выходное отверстие в одном из торцов. Для обычных циклонных камер характерна диафрагмированность выхода и сравнительно небольшая относительная длина (_{= 0,52,5}).

Поле скоростей потока в циклонных камерах отличается сложностью и пространствен­ностью. В любой точке поля вектор скорости можно разделить на три составляющие (компоненты):тангенциальную _ (вращательную), осевую _x (продольную) и радиаль­ную _r. В общем случае соотношение между этими компонентами может быть различ­ными по величине в зависимости от местоположения рассматриваемой точки поля ско­ростей и геометрии циклонной камеры. По характеру изменения компонент скорости потока весь рабочий объем циклонной камеры можно разделить на три основные об­ласти: осесимметричное ядро потока, приторцевые зоны течения и периферийную при­стенную зону.

Ядро потока занимает основную часть рабочего объема камеры. Внешней границей ядра потока является цилиндрическая поверхность, радиус которой r_я может быть найден из условия максимума момента количества движения. С торцевых поверхностей ядро потока ограничено зоной интенсивных радиальных течений, где наблюдается падение вращательной составляющей скорости и значительное повышение радиальной компо­ненты. В пределах ядра потока тангенциальная составляющая имеет наибольшую из всех трех компонент величину. В соответствии с характером ее распределения по радиусу можно выделить две зоны: зону возрастания скорости при уменьшении радиуса (квази­потенциальную зону) и зону ее падения по мере приближения к центру камеры (зону квазитвердого вращения). Зоны разделены сравнительно небольшим по радиальной про­тяженности переходным участком. Размеры зон возрастания и падения тангенциальной составляющей, так же как протяженность переходного участка и общий уровень вращательной скорости, определяются геометрией циклонной камеры.

Из курса физики известно, что при равномерном движении по окружности радиуса r равнодействующая сил dF, действующих на элемент жидкости, должна быть равна по модулю (в уравнении- линейная (тангенциальная, вращательная) скорость движения элемента;m – масса элемента) и направлена к центру окружности.

Если исключить из рассмотрения вследствие их относительной малости силы трения, обусловленные вязкостью, и условие равновесия рассматривать применительно к еди­нице объема среды, то можно считать, что равнодействующей силой в ядре циклонного потока будет являться радиальный градиент давления. Соответственно условие существования кругового течения, или условие радиального равновесия потока, в рассматриваемом случае будет определяться уравнением:

Статистическое и полное давления максимальны на внешней границе ядра по­тока и падают по направлению от стенки к оси камеры. В приосевой области при опре­деленных условиях статистическое и полное давления потока могут быть ниже атмо­сферного. (рисунок 2.2)

В периферийной зоне, так же как и в ядре, вращательная составляющая является наибольшей из всех компонент. Профиль _ в этой области не осесимметричен и непре­рывно перестраивается по мере продвижения потока у вогнутой поверхности рабочего объема. Начальное же распределение _ - распределение на выходе их входного шлица/сопла/ - зависит от характера течения потока/профиля скорости/ внутри и вне его. Сложность течения определяется тем, что выходящая струя в рабочем объеме взаимо­действует сразу и со спутным, вращающимся относительно оси камеры потоком, и с вогнутой цилиндрической стенкой камеры.

Рис. 2.2. Распределения вращательной составляющей скорости, статистического и полного давлений в циклонной камере

Взаимодействие струи со стенкой приводит к закручиванию потока. Частицы среды вблизи стенки начинают двигаться по спиральным траекториям, причем направление вектора их скорости в пристенном слое струи определяется совокупным влиянием, на­пример, положения рассматриваемого канала относительно других каналов и торцевых поверхностей рабочего объема, интенсивностью торцевых перетечек, которые в свою очередь зависят практически от всех геометрических характеристик камеры.

Особенности течения потока в приторцевых областях циклонных камер связаны с подтормаживающим действием торцевых поверхностей. Вблизи торцевых поверхностей вращательная составляющая скорости уменьшается, и появляется интенсивное радиальное течение, направленное к центру камеры со скоростью, которая обуславливает появление сил трения, компенсирующих возникшее нарушение динамического равновесия в рассматриваемой области.

Условия стока, неравномерность распределения вращательных скоростей потока по длине рабочего объема, обусловленная геометрией камеры и трением потока о стенки, а также имеющееся в некоторых случаях разрежение в приосевой зоне определяют довольно сложное поле осевых скоростей в циклонных устройствах. На рис.3 приведены условные распределения осевой компоненты скорости по радиусу в рабочем объеме и соответствующие им схемы осевых потоков.

1

2

3

4

5

Рис.2.З. Распределение ω_хи схемы осевых движений потока

в циклонной камере: 1 - периферийннй прямой вихрь;

2 - кольцевой обратный вихрь; 3 - выходной вихрь;

4 - периферийный обратный вихрь; 5 - осевой обратный вихрь

В центральной области рабочего существует обратное течение газов. Оно появляется в результате имеющегося здесь разрежения и подсоса газов и зарождается вне рабочего объема камеры. Проникнув внутрь камеры на определенную глубину, массы газа, подсасываемые извне, присоединяются к выходному течению. Вращательное движение центрального обратного потока, в отличие от всех других вышерассмотренных, является индуцированным.

С точки зрения общих аэродинамических характеристик циклонных камер, основным видом движения газа, как уже отмечалось, следует считать вращательное. Главной характеристикой вращательного движения в циклонной камере является максимальная вращательная скорость потока (Рисунок 2.2). Она удачно характеризует общий уровень вращательного движения газа в рабочем объеме. При струйном представлении циклонного потокаявляется скоростью потока на внешней границе струйного пограничного слоя, обращенного к оси камеры.

Общее сопротивление циклонной камеры оценивается по суммарному коэффициенту сопротивлению . Введение суммарного коэффициента  оправдано удобством в выполнении аэродинамических расчетов циклонных устройств. С точки зрения же анализа влияния геометрических и режимных характеристик на сопротивление циклонной камеры он является менее удачной характеристикой, так как не позволяет проследить изменение его составляющих и не связан непосредственно со скоростными характеристиками потока. В этом смысле более удачным является суммарный коэффициент сопротивления вида . С помощью этого коэффициента можно определить затраты энергии на создание определенного уровня вращательных скоростей в устройстве. Фактически он определяет аэродинамическую эффективность циклонной камеры.

Из отмеченных выше геометрических характеристик особенно сильное влияние на аэродинамику циклонной камеры оказывает диаметр выходного отверстия. Уменьшение приводит к росту величины, значения статистического давления на боковой поверхности камеры Рс.ст., уменьшению характерного радиусаи других характеристик радиусов ядра потока. При этом наблюдается существенная перестройка профилей.

Увеличение относительной суммарной площади входа циклонной камеры приводит к повышению уровня вращательных и осевых скоростей, статистического давления и смещению характерных радиусов в ядре потока в приосевую область, а границы ядра потока – в периферийную область рабочего объема.

Повышение шероховатости поверхности рабочего объема циклонной камеры приводит к снижению уровня вращательных скоростей, уменьшению сопротивления камеры. Повышение приводит к некоторой перестройке поля осевых скоростей, особенно в центре рабочего объема камеры. С ростомможет быть ликвидирован осевой обратный ток, увеличивается радиальная протяженность и уровень максимальной осевой скорости выходного вихря. Трение потока о стенки оказывает влияние на уровень вращательных скоростей в рабочем объеме, следовательно, на величину затрат на достижение определенного уровня крутки и величины входной и выходной составляющих суммарного коэффициента сопротивления. Коэффициент кинематической вязкости потока при входных условияхприводит к снижению коэффициента трения и, следовательно, к снижению тормозящего действия внутренней поверхности рабочего объема. Сопротивление формы не зависит от числа Рейнольдса, то и сопротивление циклонной камеры в этом случае не зависит от. Течение потока становится автомодельным.

В общем изменение суммарного коэффициента сопротивления камеры с увеличением числа можно представить следующим образом :

При ламинарном режиме течения, если он возможен, , вероятно, будет увеличиваться и достигнет максимума при критическом значении числа Рейнольдса, в переходном режиме  убывает, при турбулентном промежуточном режиме, в отличие от двух предыдущих, характер изменения  начинает существенно меняться от относительной шероховатости поверхности рабочего объема, и, в зависимости от величины , может иметь место и падение, и увеличение  ; в режиме развитой шероховатости суммарный коэффициент сопротивления не меняется.