Жангужинов Е.М., Жайлаубаев Ж.Ж., Кудиярбеков А.

Таразский государственный университет им. М.Х. Дулати, Казахстан

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ПОТОКОВ В ПОЛОСТИ ГИДРОЦИКЛОНА

При раздельном методе расчета гидравлических параметров внешнего и внутреннего потоков в гидроциклоне, необходимо знание в каждой точке камеры всех составляющих вектора скорости.

В зависимости от конструктивных особенностей в циклоне возникает сложное винтовое движение жидкости. Абсолютную скорость движения жидкости в этом аппарате можно выразить тремя компонентами; Тангенциальной V_ε, осевой V_ƶ и радиальной V_ґ составляющими.

Исследование составляющих полной скорости в гидроциклоне проводилось в разные годы отечественными и зарубежными авторами. Так, Поваров А.И. [1] проводил замеры тангенциальной скорости специально сконструированной вертушкой, Келсалл Д [2] тангенциальную скорость исследовал на прозрачном гидроциклоне путем ввода тонких алюминиевых стружек в водную среду. Наблюдения проводились оптическим методом (с помощью стробоскопа). Скирдов И.В. и Понамарев В.Г. [3] изучали гидродинамику потоков на прозрачном гидроциклоне. Для измерения тангенциальных и вертикальных скоростей использовалась специальная трубка Пито, протарированная и имеющая указатель направления измеряемого вектора скорости.

Продолжая обзор работ по исследованию поля скоростей в гидроциклоне, можно отметить, что наиболее полно экспериментально и теоретически исследованными, при общности основных выводов, являются характеры изменения V_ε и V_ƶ. Экспериментальные исследования отличаются большим разнообразием способов измерения.

Характер изменения радиальной составляющей наименее изучен, а ее экспериментальное изучение известными способами исследования V_ε и V_ƶ затруднено из –за малых значений и сложности определения величины и направления результирующей скорости пространственного потока. Для исследования V_ґ наиболее приемлемы цилиндрические напорные трубки. Однако следует отметить, что при диаметрах трубки, сопоставимых с исследуемыми зонами гидроциклона, возможно внесение собственных возмущений в результаты измерений.

Нами, для исследования поля скоростей в гидроциклоне, проведана серия экспериментов на напорном гидроциклоне Д_ц =180мм, угол конусности 2α=30º, диаметр сливного отверстия d_сл=50мм, диаметр пескового отверстия d_пес=20мм. Длина погруженной части сливного патрубка t_cл.=100мм.

Гидроциклон был установлен горизонтально. [4]

Замеры значения и направления вектора скорости производились пятиствольным насадком, отличающимся от известных конструкций шаровых насадков минимальными размерами оголовка, позволяющим снизить влияние прибора на структуру потока в полости аппарата.

Отсчет показаний производился по батарейному ртутному манометру (рис.1)

рис. 1 Схема присоединение насадки к батарейному манометру.

Направление вектора скорости определялось по формуле:

1)

где: α_п – угол потока;

α_у – угол установки координатника;

α_а – угол тарировки насадка;

α_л – угол отсчета по лимбу.

Величина абсолютной скорости определялась по формуле:

(м/с) 2)

где: К₂,К1- тарировочные коэффициенты.

Осевая составляющая вектора скорости:

, (м/с). 3)

Окружная (тангенциальная) состовляющая вектора скорости:

, (м/с) 4)

Радиальная составляющая вектора скорости:

, (м/с) 5)

где: - угол между направлением вектора скорости и горизонтальной плоскостью (рис. 2)

рис.2. Схема разложения вектора полной скорости на составляющие

По результатам проведенных опытов построены эпюры составляющих вектора полной скорости: тангенциальной V_ε , осевой V_ƶ и радиальной V_ґ (рис.3).

Эпюры скоростей построены по опытным данным, соответствующим различным значениям входных давлений и позволяют оценить общую картину движения потоков в гидроциклоне.

Как видно из рисунков, эпюры составляющих вектора полной скорости V_ε , V_ƶ ,V_ґ , имеют различную форму по высоте аппарата в исследованном створе и не изменяют своей формы при повышении входного давления, но при этом увеличиваются их абсолютные значения.

Характер изменения V_ε незначительно отличается по высоте аппарата. Если в верхней части, в зоне внешнего потока, на некотором удалении от стенки, наблюдается некоторое снижение ее величины, то в конической части, в зоне нисходящего и восходящего потоков, тангенциальная составляющая увеличивается с уменьшением радиуса.

Математическая обработка экспериментальных данных по тангенциальной скорости показывает, что гидроциклонный поток можно условно разделить на две зоны:

Зону квазитвердого вращения

V_ε=ω ґ , 6)

где; ω- угловая скорость вращения зоны;

ґ- текущий радиус;

и зону квазипотенциального движения жидкости

V_ε ∙ґⁿ =cont , 7)

Наши опытные данные позволяют в первом приближении принимать значение ח ≡ 0,5.

Рис.3. Эпюры составляющих вектора полной скорости при Р_вх=124,46 кПа

а) – тангенциальной V_ε ;б) – осевой V_ƶ ;в) – радиальной V_ґ

Эпюры осевой составляющей внешнего и внутреннего потоков несимметричны относительно оси, поэтому не представляется возможным аппроксимировать их точной зависимостью.

Теперь рассмотрим характер изменения рациальной составляющей полной скорости V_ґ. Как показали опыты, закономерности изменения V_ґ очень сложны по радиусу и по высоте гидроциклона.

Обработка опытных данных по зависимости ( ), в которой V_ґ отнесена к постоянной величине скорости в сливном патрубке V_сл., текущий радиус ґ – к радиусу аппарата на данном сечении ґ_ц (скорость движения жидкости в сливном патрубке V_сл. рассчитана по расходу слива и площади сливного патрубка), показала что у основания конуса (сечение II-О) существует обратная пропорциональность V_ґ по радиусу( ). Между сечениями II-О…У-О наблюдается постепенный переход от обратной пропорциональной зависимости к прямо пропорциональной зависимости – на сечении У-О явно выражена прямая пропорциональность радиальной составляющей от радиуса (V_ґ ~ґ).

Примечательно, что в зоне квазипотенциального вращения существует поперечное сечение, в котором V_ґ не меняется по радиусу [V_ґ(ґ)=cont]. Средняя по сечению радиальная составляющая имеет минимум между сечениями II-О и III-О. далее к вершине конуса она растет.

Увеличение входного давления от 52,92 кПа до 124,46 кПа не вносит какого – либо изменения в характер распределения V_ґ по радиусу и по высоте аппарата.

Закономерности изменения угла атаки (угла скоса потока) ψ=ʄ(ґ) близки к закономерностям изменения V_ґ и характеризуются постепенным переходом от обратно пропорциональной зависимости угла ψ о радиуса () (сечение II-О), характеризующейся значительным увеличением угла ψ (от ψ = 5º24 на радиусе ґ = 82 мм до ψ = 15º36 на радиусе ґ=17 мм) до прямо пропорциональной зависимости угла ψ от радиуса (ψ~ґ), когда наблюдается значительное уменьшение угла ψ при уменьшении радиуса(от ψ =14º24 на радиусе ґ = 32 мм до ψ =6º24 на радиусе ґ=12 мм) (сечение У-О).

Относительные погрешности отдельных измерений при исследовании поля скоростей не превышали +7%.

Выводы:

1. Установлено, что гидроциклонный поток по тангенциональной скорости условно можно разделить на две зоны;

- квазитвердого вращения

V_ε=ω ґ ,

где; ω- угловая скорость вращения зоны;

ґ- текущий радиус;

и зону квазипотенциального движения жидкости

V_ε ∙ґⁿ =cont ,

Опытные данные позволяют в первом приближений принимать значения n=0,5.

2. Подтверждено, что осевая составляющая полной скорости V_ƶ изменяется вдоль радиуса гидроциклона.

Осевая скорость внутреннего потока от нуля на расстоянии ґ_w до V_ƶ = const = С на свободной поверхности.

3. Уточнены закономерности изменения радиальной составляющей полной скорости вдоль радиуса и по высоте аппарата.

Литература

1. Поваров А.И. Гидроциклоны. М., Госгортехиздат, 1961, с.246.

2. Kelsall D.F. a study of the Motion of Solid Particles in a Hydraiulic Cyclone. “Recent Developmente in Mineral Dressing” J.M.M. London №6, 1953.p.207-227.

3. Скирдов И.В., Пономарев В.Г. Гидроциклоны для выделения окалины из сточных вод прокатных производств.- Водоснабжение и Санитарная техника, №5, 1966. С.5-8.

4. Жангужинов Е.М., Жайлаубаев Ж.Ж. Исследование закономерностей перераспределения расхода между разгрузочными отверстиями гидроциклона. Материалы за X международна научна практична конференция БЪДЩИТЕ ИЗСЛЕДВАНИЯ, 2014, ТОМ 46 София «БялГРАД-БГ» ООД 2014