Описание экспериментального стенда

Исследовательскую часть работы выполняют на экспериментальной установке, принципиальная схема которой представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Принципиальная схема экспериментальной установки.

Основным элементом стенда является модель циклонной камеры 10, выполненная из оргстекла. Размеры рабочего объема камеры: диаметр D_к = 2R_к = 0,310 м, длина L_к = 1,55. Ввод воздуха в камеру производится двумя расположенными тангенциально к внутренней поверхности рабочего объема входными каналами (шлицами) прямоугольной формы площадью и высотой из раздаточного короба-рессивера 9. Отвод газа из камеры осуществляется через плоский торец с круглым осесимметричным выходным отверстием, безразмерный диаметр которого можно варьировать в диапазоне значений от 0,2 до 0,6 ( ).

В качестве дутьевого устройства 2 используется воздуходувка. Измерение расхода воздуха через установку производят методом снятия поля скоростей пневмометрической насадкой 6 в мерном сечении подводящего трубопровода 5. Температуру воздуха, подаваемую в циклонную камеру, измеряют ртутными лабораторными термометрами 4, 7, установленными в гильзах в начале измерительного участка трубопровода и непосредственно перед циклонной камерой.

Отбор статистического давления во входных каналах и на боковой поверхности модели осуществляется через дренажные отверстия диаметром 0,7 мм. В качестве измерительного прибора используется дифференциальный водяной манометр 14, соединяемый с соответствующими точками отбора давления переключателем 15.

В объеме камеры производится снятие распределений скоростей и давлений в одном или нескольких сечениях. В качестве пневмометрической насадки 12 используются трехканальный цилиндрический зонд с диаметром приемной части 2,6 мм или пятиканальный шаровой зонд диаметром 5 мм. Как показывают тарировочные опыты, введение измерительной насадки в рабочий объем модели не вносит существенных возмущений в поток. Перемещение зонда в измерительном сечении и его аэродинамическая ориентировка в потоке (по показаниям микроманометра 14) производятся координатником 11 с ручным приводом конструкции ЛПИ им. М.И. Калинина. Координатник крепится специальными зажимами к каретке 13, которую можно перемещать вдоль горизонтальной оси камеры в пределах расположения измерительных сечений.

Пуск экспериментального стенда производится путем включения воздуходувки с электрощита управления при закрытой заслонке 3 на воздухопроводе. Изменение числа оборотов, следовательно, и производительности, осуществляется вручную реостатами ступенчатой и плавной регулировки. Максимальная нагрузка воздуходувки устанавливается таким образом, чтобы показания амперметра на щите управления не превышали 45 - 50 А. Полный напор, развиваемый воздуходувкой, при этом составит 420 ÷ 480 мм вод.ст. (4,12 ÷ 4,71 кПа).

Прежде чем приступить к производству замеров, необходимо вывести установку на стационарный режим. Для этого обычно требуется 30-40 мин. Убедившись в достижении стационарного режима, приступают к проведению эксперимента.

Методики измерений

1) Измерение скоростей и давлений в объёме циклонной камеры

В настоящей работе для аэродинамических измерений в закрученном циклонном потоке использованы комбинированные пневмометрические насадки - зонды, позволяющие производить замеры полного и статического давлений, полной скорости и ее компонент, а также углов скоса потока (рисунок 6).

Рисунок 6 - Углы скоса потока

Трехканальные цилиндрические зонды применяются для исследования практически плоского потока. Приближенно циклонный поток в пределах его ядра можно рассматривать как плоский.

Схема подключения к измерительным приборам показана на рисунке 7.

Рисунок 7 - Трёхканальный цилиндрический

зонд и схема его подключения к измерительным

приборам

Насадок 3 имеет три отверстия диаметром 0,3÷0,4мм, находящиеся на его боковой поверхности в одной плоскости, перпендикулярной оси зонда, на определенном расстоянии (не менее 2d) расстоянии от торца. Боковые отверстия по отношению к центральному располагаются симметрично, причем угол между их осями должен составлять 90-100°. Боковые отверстия соединяются с измерительными штуцерами импульсными трубками, центральное - через полость державки зонда.

После этого непосредственно приступают к производству замеров. По дифференциальному водяному манометру 1 (рисунок 7) отсчитывают перепад давления А₁, между центральным и одним из боковых отверстий, пропорциональный напору в данной точке потока, а по дифманометру 2 (рисунок 7) - полный напор А₂. Угол скоса поток φ определяют по лимбу координатника с ценой деления 1°. Полученные данные позволяют определить полную скорость потока и ее тангенциальную (вращательную) и осевую составляющие, а также статическое давление.

2) Измерение расхода воздуха

Используемый в работе метод измерения расхода воздуха основан на определении среднеинтегральной по поперечному сечению трубопровода скорости течения. Последнее предполагает знание экспериментального профиля скоростей в измерительном сечении.

Для измерения скоростей потока используют комбинированные пневмометрические насадки - трубку Пито-Прандтля, позволяющую определить в данной точке замера полное Р_п и статическое Р_с давления, а также динамический напор Р_д , пропорциональный по уравнению Бернулли величине скорости.

Напорную трубку устанавливают вдоль оси трубопровода, причем центральное приемное отверстие должно быть расположено против потока. Перемещая насадок по радиусу канала, производят замеры в различных точках поперечного сечения. Отсчет динамического напора производят по дифференциальному жидкостному микроманометру с наклонной шкалой 8 типа ММН-240, избыточного статического давления - по дифманометру 14.

В общем случае средняя скорость потока , м/с, может быть рассчитана следующим образом

где , - соответственно радиус точки замера и значение скорости на данном радиусе;

R - радиус трубопровода.

Наиболее часто применяют способ определения V_ср, который заключается в следующем. Площадь поперечного мерного сечения трубопровода условно разбивают на n равновеликих кольцевых площадок (рисунок 8). В свою очередь каждая из них делится на две равные по площади части. Окружность, разделяющая равные части кольца, на рисунке 8 показана штрихпунктиром. На этих окружностях измеряют скорость потока, которая является средней для каждой из выделенных кольцевых площадок. (Точки замера скорости на рисунке обозначены 1, 2, 3.)

Рисунок 8 - Разбивка площади поперечного сечения

трубопровода на равновеликие кольцевые площадки

Среднеарифметическое значение измеренных в точках 1, 2, 3, ..., n средних скоростей V_i каждого из равновеликих по площади колец будет являться средним значением скорости потока в трубопроводе V_ср (м/с)

где n - число точек замера.

Координаты точек замера скоростей, отсчитываемые от стенок трубопровода, определяют по формуле (выведенной из условия равенства кольцевых площадок)

где z - номера окружностей точек замера;

N - число кольцевых площадок.

Знак минус (-) в формуле (7) берется при расчете , лежащих ниже оси трубопровода, знак плюс (+) - выше оси трубопровода.

Число кольцевых площадок, исходя из обеспечения приемлемой точности измерения расхода, рекомендуется выбирать не менее трех.