1. Общая картина движения газа в циклонной камере

Циклонная камера (рис. 1) представляет собой цилиндр, тангенциально к внутренней поверхности которого вводится газ или жидкость. Число а и местоположение Х_вх вводов (шлицев или сопел) может быть различным и определяется технологическим назначением

Рис.1.Схематический чертеж циклонной камеры и основные обозначения; I - ядро потока; 2 - периферийная (пристенная) зона; 3 - приторцевал зона

циклонного аппарата. Основными относительными характерис­тиками (их обозначения приведены на рис. I) циклонной камеры, кроме отмеченных, являются: суммарная площадь входа , -диаметр выходного отверстия , длина рабочего объема , высота шлицев (сопел) , местоположение входных шлицев , (координата отсчитывается от глухого торца рабочего объема камеры), шероховатость поверхности рабочего объема. 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 (= 0,5 ÷ 2,5).

Поле скоростей потока в циклонных камерах отличается сложностью и пространственностью. В любой точке поля сектор скорости можно разделить на три составляющие (компоненты): тангенциальную ω_φ(вращательную), ω_х

осевую (продольную) и радиальную ω_z (рис.I). В общем случае соотношение между этими компонентами может быть различным 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 (см.рис. I) 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 (вращательная) составляющая име­ет наибольшую из всех трех компо­нент величину. В соответствии с характером ее распределения по радиусу (рис. 2) 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

Рис.2 Распределение вращательной составляющей

скорости, статического и полного давлений в

циклонной камере.

вращательной скорости, определя­ются геометрией циклонной камеры. При двухстороннем и более вводе газа течение в ядре практически осесимметрично. Аэроди­намическая ось потока совпадает с осью камеры. Вращательная составляющая скорости в ядре потока значительно превышает другие компоненты скорости, поэтому основным видом движения считают вращательное.С этой точки зрения, в первом приближении, движение газа в ядре можно считать плоским и отнести к категории равномерных осесимметричных относительно оси вращения или круговых [13]. Из курса физики известно, что при равномерном движении по окружности радиуса r равнодействующая сил dF, действующих на элемент жидкости, должна быть равна по модулю

(1)

и направлена к центруокружности.

В уравнении (1) - линейная (тангенциальная, вращательная) скорость движения элемента; m - масса элемента.

Только когда равнодействующая сила сообщает элементу необходимое центростремительное ускорение j=/r, он движется равномерно по окружности. Эту равнодействующую называют центростремительной силой. 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 (центростремительной) силой в ядре циклонного потока будет являться радиальный градиент давления [13]. Соответственно условие существования кругового течения, или условие радиального равновесия потока, в рассматриваемом случае будет определятся уравнением

. (2)

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 (см.рис. 2).

В периферийной (пристенной) 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 из 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. 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.

Кривая распределения статического давления по радиусу в периферийной зоне течения по характеру является продолжением соответствующего распределения в ядре потока.

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. Сложность картины дополняется взаимодействием возникшего течения с ядром потока. Статическое давление поперек этой области практически не изменяется на всех радиусах.

Условия стока, неравномерность распределения вращательных скоростей потока по длине рабочего объема(и первую очередь в периферийной и приторцевых областях течения), 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. З.Распределение ω_х и 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

(За положительное направление осевой скорости здесь и далее принимается направление к выходу из камеры, за отрицательное - направление к глухому торцу.) На рис. 3 видно, что входящий в камеру поток разделяется на два, один из которых направляется к выходному торцу, а другой - к глухому. Основнаячасть массы газа потоков интенсивными радиальными перетечками переносится к центральным областям рабочего объема. Вблизи приосевой зоны от глухого торца поток газа направляется к выходному отверстию, к нему в приторцевой области у выходного отверстия присоединяется часть газа, переносимая радиальным течением у выходного торца. Этот радиальный поток, взаимодействуя с выходным, частично ответвляется, образуя небольшое кольцевое обратное течение. 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.

Размеры, радиальная протяженность и мощность рассмотренных закрученных осевых потоков могут быть различными и зависят от геометрических характеристик циклонной камеры.

Безусловно, приведенная схема осевых течений потока является приближенной, хотя и допускает существование циркуляционных зон как внутри рабочего объема, так и в пристенном слое между входными каналами, в углах рабочего объема между торцевыми и боковой поверхностями. Пристенные потоки называют периферийными прямым и обратным вихрями, выходной поток - выходным вихрем, кольцевое обратное течение - кольцевым обратный вихрем, центральный обратный поток - центральным обратным вихрем [19].

Важная роль в аэродинамике циклонных камер принадлежит весьма интенсивному турбулентному обмену [6, 18].

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 (см.рис. 2). Она удачно характеризует общий (эффективный) уровень вращательного движения газа в рабочем объеме. При струйном представлении циклонного потока является скоростью потока на внешней границе струйного пограничного слоя, обращенного к оси камеры. Обычно в аэродинамических расчетах чаще используют не абсолютное значение , а относительное ( - средняя скорость потока в шлицах или соплах).

Второй скоростной характеристикой ядра потока в циклонной камере является вращательная скорость на его внешней границе . Эта скорость является интегральной характеристикой аэродинамических процессов, связанных с истечением газа из шлицев, распространением его струй у боковой поверхности камеры, взаимодействием пристенной зоны течения с ядром и приторцевыми потоками.

Обе скоростные характеристики связаны между собой коэффициентом крутки в ядре потока:

. (3)

Радиальные размеры характерных зон циклонного потока определяются безразмерными радиуса, ? . Особо важное значение в аэродинамических расчетах циклонных камер имеют безразмерные радиусы, характеризующие положение максимума вращательной скорости потока , внешней границы осесимметричного ядра , нулевого значения статического давления (см.рис. 2). Общее сопротивление циклонной камеры оценивается по суммарному коэффициенту сопротивления где - перепад полного давления в камере, разность величин полных давлений в шлицах и за выходным отверстием рабочего объема; - плотность потока на входе в камеру. Введение суммарного коэффициента ξ 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 , где - плотность потока на радиусе . С помощью коэффициента можно определить затраты энергии на создание определенного уровня вращательных скоростей в устройстве. Фактически он определяет аэродинамическую эффективность циклонной камеры.