Расчётные исследования эффективности воздушных

ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 1
Аэрогидромеханика
81
УДК 62.733; 532.582.7
В. В. Вышинский1 , А. Г. Наливайко2
Московский физико-технический институт (государственный университет)
Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского
1
2
Расчётные исследования эффективности воздушных
фильтров судовых газотурбинных двигателей
Объектом исследования является инерционный сепаратор для очистки воздуха
на входе судового газотурбинного двигателя от капель морской воды, соли и песка.
Проведены расчетные исследования инерционных сепараторов различных конструктивных схем. Выполнен анализ их эффективности и гидравлического сопротивления.
Предложена оптимальная конструктивная схема инерционного сепаратора, имеющая
простую конструкцию и минимальное гидравлическое сопротивление при надлежащей
эффективности сепарации.
Ключевые слова: устройство очистки воздуха, инерционный сепаратор, гидравлическое сопротивление, многоступенчатая очистка воздуха, математическое моделирование, уравнения Навье–Стокса, осреднённые по Рейнольдсу.
1.
Введение
В отличие от традиционных дизельных двигателей, газотурбинные установки работают
на повышенных расходах воздуха и предъявляют повышенные требования к количеству
и качеству воздуха на входе в двигатель. Применение газотурбинных двигателей в судостроении потребовало создания компактных высокоэффективных систем очистки воздуха
от взвешенных капель морской воды и песка с малым гидравлическим сопротивлением.
Такие системы существуют (см., например, [1, 2]). Главным их элементом является инерционный сепаратор, который собирает основную массу воды, находящуюся в воздухе в
виде капель. Система может состоять из 1–3 ступеней в зависимости от требуемой степени
очистки воздуха.
В настоящей работе на основе имеющегося у авторов опыта численного моделирования
отрывных, вихревых внутренних и гетерогенных [3–6] течений проведен анализ возможных
схем инерционного сепаратора для системы очистки воздуха от взвешенных капель воды.
Предложена оптимальная схема его реализации и рекомендации по выбору основных параметров. Результаты нуждаются в валидации на данных эксперимента.
2.
Принцип действия сепаратора
Инерционный сепаратор представляет собой панель из набора вертикально ориентированных изогнутых пластин, образующих множество одинаковых каналов с влагоулавливающими элементами. Капли воды, находящиеся в воздухе, проходя через такой канал,
собираются во влагоулавливающих элементах, а затем под действием силы тяжести стекают в водосборник. Так как все сечения панели в горизонтальной плоскости одинаковы,
течение можно рассматривать как плоское. При этом достаточно рассмотреть течение в
одном или двух смежных каналах.
Разделение потоков воздуха и частиц осуществляется за счет искривления линий тока. Более тяжёлые капли и частицы не вписываются в траектории движения газа. Чем
больше разность скоростей воздуха и микрочастиц, тем лучше сепарация. Для отделения
очень мелких частиц необходимо увеличение скорости и кривизны линий тока. При этом
возникает гидравлическое сопротивление в виде потери давления:
Δ𝑝 = 𝜁
𝜌𝑈02
,
2
82
Аэрогидромеханика
ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 1
где 𝜁 – коэффициент гидравлического сопротивления канала, который зависит от его геометрии, 𝜌 – плотность воздуха, U 0 – скорость на входе в канал. Так как скорости капель
воды и воздуха примерно равны, а расход воздуха через канал сохраняется, то увеличение
сепарации приводит к увеличению потерь давления пропорционально квадрату скорости.
Для создания эффективного инерционного сепаратора необходимо уменьшать ширину входа в канал и радиусы поворота потока в канале, увеличивать скорость течения и
минимизировать коэффициент гидравлического сопротивления канала.
Выбор конфигурации каналов инерционного сепаратора является важным моментом в
поиске его оптимальной геометрии. На рис. 1 представлены два вида каналов: периодический и симметричный.
Рис. 1. Конфигурации каналов: а) периодический, б) и в) симметричный
Периодический канал образуется из периодически расположенных одинаковых пластин
(рис. 1а), симметричный – из симметричной формы пластин (рис. 1б) или тел (рис. 1в).
Периодический канал прост в реализации конструкции, но поток воздуха при выходе из
канала может иметь скос, что приводит к дополнительным потерям. Симметричный канал
скоса потока на выходе не имеет. Периодический канал может быть реализован набором
пластин (лопатками) и будет образован не только жесткими, но и жидкими границами.
3.
Параметры сепаратора
Основные параметры инерционного сепаратора определяются параметрами морского
воздуха на входе воздухоочистителя: температура 30 °С; относительная влажность 80 %;
скорость потока 5–10 м/с; избыточное полное давление – до 10 кПа. Дисперсный состав
капель морской воды и частиц соли в виде распределения относительной доли массы 𝑑𝑀
капель и частиц соли показан на рис. 2.
Рис. 2. Дисперсный состав капель морской воды и частиц соли
ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 1
В. В. Вышинский, А. Г. Наливайко
83
Наиболее сложным для сепарации является случай малого содержания соли в морской
воде, так как эффективность сепарации существенно зависит от диаметра капель. Более
того, капли с большим содержанием соли имеют большую среднюю плотность, что также увеличивает эффективность сепарации. При большом содержании соли в морской воде
возникает проблема при отводе ее из сепаратора. Инерционный сепаратор должен улавливать все капли воды диаметром до 10 мкм, обладать гидравлическим сопротивлением
менее 400 Па и иметь толщину меньше 100 мм.
4.
Постановка задачи
Анализ схем инерционного сепаратора для системы очистки воздуха от взвешенных
капель воды проводился с использованием программного комплекса FLUENT. Решалась
краевая задача для осреднённого по Рейнольдсу уравнения Навье–Стокса с 𝑘 -𝜀 моделью
замыкания. Более подробно постановка задачи изложена в [7].
Рассматривалось плоское течение в канале. В полученное поле течения в виде пассивной примеси добавлялись сферические капли воды заданного диаметра. Предполагалось,
что капли не взаимодействуют друг с другом и не оказывают влияние на течение в канале.
Считалось, что при столкновении капли со стенкой канала происходит ее захват. Сепарация
капель определялась из соотношения количества запущенных в канал и вышедших из канала капель. Расчеты проводились при скорости на входе в канал 6 м/с для капель воды
диаметром от 2 до 20 мкм.
5.
Результаты математического моделирования
В качестве примера рассматривается инерционный сепаратор компании «Premaberg
Manufacturing Limited» [1]. На рис. 3 показана принципиальная схема аналогичного сепаратора. Поток течет слева направо.
Рис. 3. Схема инерционного сепаратора
Инерционный сепаратор представляет зигзагообразный канал высотой H с периодом
зигзага L, в котором на гребнях зигзагообразной поверхности расположены три влагоулавливающих элемента высотой h.
На рис. 4–6 приведены поля скоростей и избыточного давления, эффективность сепарации капель воды и траектории движения капель при скорости воздуха и капель 6 м/с
на входе в сепаратор, имеющего параметры H = 30 мм, L = 60 мм, h = 8 мм. Толщина
сепаратора составила 110 мм.
Поток разгоняется в зигзагообразном канале и разворачивается при каждом повороте
канала более чем на 90°. В такой организации течения непосредственно участвуют влагоулавливающие элементы, передние кромки которых заставляют поток дополнительно
разворачиваться и ускоряться. Максимальная скорость в канале достигает 25.5 м/с. Как
видно, при повороте потока образуются отрывные зоны, в которых поток замедляется и
84
Аэрогидромеханика
ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 1
создается вихревое движение. Особенно большая отрывная зона расположена на выходе из канала. Ее размер обусловлен высотой последнего влагоулавливающего элемента и
наклоном зигзага канала. Наличие отрывных зон приводит к дополнительному гидравлическому сопротивлению. Из рис. 4 видно, что для того, чтобы поток мог протекать через
канал со скоростью 6 м/с, на его входе требуется дополнительное избыточное давление.
Это давление компенсирует гидравлическое сопротивление канала и равно максимальному
избыточному давлению на его входе, 611 Па. Распределение давления позволяет оценить
максимальные силовые нагрузки на стенки канала. В среднем они составляют до 400 Па.
Наиболее нагруженным элементом конструкции является влагоулавливающий элемент на
выходе сепаратора. На нем нагрузка достигает 600 Па.
Рис. 4. Поля а) скоростей и б) избыточного давления в инерционном сепараторе
Рис. 5. Эффективность сепарации капель воды в инерционном сепараторе с 3 и 5 влагоулавливающими элементами
На рис. 5 показана эффективность сепарации капель воды. При диаметре более 10 мкм
эффективность достигает 100 %, а капли диаметром менее 6 мкм практически не улавливаются (рис. 6).
Капли диаметром более 15 мкм улавливаются, в основном, в первом влагоулавливающем элементе, 100 % сепарацию обеспечивают уже первые два элемента. Радиусы разворота
потока и скорости на втором и третьем элементах почти одинаковые, и если капля прошла
мимо второго элемента, то она не задержится и на третьем. Увеличение числа элементов (при соответствующем увеличении длины канала) позволяет повысить эффективность
сепаратора лишь для капель, сепарация которых чуть меньше 100 %.
Проведенные параметрические исследования позволили сделать вывод, что инерционный сепаратор компании «Premaberg Manufacturing Limited» может в приемлемом для судовых газотурбинных двигателей диапазоне гидравлических потерь давления обеспечить
сепарацию капель воды диаметром более 8 мкм (при потерях 400 Па) или более 12 мкм
(при потерях 200 Па).
ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 1
В. В. Вышинский, А. Г. Наливайко
85
Рис. 6. Траектории сферических капель воды диаметром 2, 4, 8, 10, 12, 15 мкм в инерционном
сепараторе
6.
Другие схемы сепаратора
На рис. 7 показано поле скоростей в инерционном сепараторе [2], периодический канал в котором образован лопатками с влагоулавливающими элементами. Первая и третья
лопатки образуют жесткие стенки периодического канала, между которыми располагается жидкая граница канала. Вторая лопатка симметрично перевернута по отношению к
остальным и делит канал на две части. Верхняя часть канала оснащена влагоулавливающими элементами всех трех лопаток, а нижняя часть канала работает как байпасная линия
– в ней нет влагоулавливающих элементов. Тем не менее искривление этого канала заставляет крупные капли воды пересекать жидкие границы каналов и попадать в часть канала,
оснащенную влагоулавливающими элементами.
На рис. 8 представлено сравнение эффективностей сепараторов компании «Premaberg
Manufacturing Limited» и [2], имеющих одинаковый уровень гидравлических потерь 230 Па
и одинаковую высоту входа в канал 30 мм.
Пример сепаратора с симметричным каналом показан на рис. 9. Приведены поля скоростей. Канал имеет ширину 30 мм (расстояние между плоскостями симметрии пластин
60 мм), толщина сепаратора 50 мм. Эффективность сепарации (рис. 10) достигает 100 %
для капель от 6 мкм, однако гидравлическое сопротивление этого сепаратора велико —
2157 Па. Большие потери связаны с двумя разворотами потока при больших скоростях на
180∘ .
Проведенный сравнительный анализ большого числа инерционных сепараторов показал, что основным параметром оптимизации их эффективности является гидравлическое
сопротивление канала сепаратора. Так как любую эффективность сепарации можно достичь при различных гидравлических сопротивлениях канала сепаратора, задача состоит
в минимизации его сопротивления.
86
Аэрогидромеханика
ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 1
Рис. 7. Поле скоростей в инерционном сепараторе
Рис. 8. Сравнение эффективности сепарации капель воды в инерционных сепараторах
Рис. 9. Поле скоростей в инерционном сепараторе
ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 1
В. В. Вышинский, А. Г. Наливайко
87
Рис. 10. Эффективность сепарации капель воды
7.
Оптимальный сепаратор
В результате проведенных исследований выявлены следующие пути снижения гидравлического сопротивления.
1. Уменьшение высоты входа в канал сепаратора. При этом увеличивается количество
каналов на единицу площади сепаратора, что усложняет его конструкцию. Кроме того, существует ограничение на минимальную высоту канала сепаратора, связанное с размером
влагоулавливающих элементов. Размеры этих элементов должны позволять им эффективно собирать и отводить воду из сепаратора.
2. Уменьшение возможных углов разворотов потока воздуха в канале при больших
скоростях течения.
3. Уменьшение количества разворотов потока в канале и соответственно влагоулавливающих элементов до минимально необходимого числа.
4. Сокращение числа и размеров отрывных зон в канале сепаратора.
5. Уменьшение или исключение скоса потока воздуха на выходе из канала.
Выполнение представленных условий позволит получить оптимальную конструктивную
схему инерционного сепаратора. Однако даже и в этом случае с ростом эффективности сепарации (уменьшении минимального диаметра отсепарированных частиц) гидравлическое
сопротивление канала будет увеличиваться. Поэтому ограничение на максимально допустимое гидравлическое сопротивление канала создаст ограничение на достижимую эффективность сепарации.
В качестве прототипа при оптимизации взят сепаратор [1]. В этой схеме используется
зигзагообразный канал, гидравлическое сопротивление которого уменьшается при увеличении периода зигзага, что приводит к уменьшению искривления линий тока воздуха в
канале. Наличие влагоулавливающих элементов также дополнительно искривляет линии
тока. Чтобы уменьшить гидравлическое сопротивление канала, зигзагообразный канал заменён прямым, а искривление потока организовано наличием влагоулавливающих элементов (рис. 11).
Рис. 11. Схема канала сепаратора с четырьмя влагоулавливающими элементами
Результаты сравнительных расчётов показывают, что число влагоулавливающих элементов может быть сокращено до двух с существенным снижением гидравлического сопротивления без заметного снижения эффективности. Сепаратор по схеме рис. 11 можно
реализовать как для периодического (рис. 12а), так и для симметричного канала. Для
уменьшения гидравлического сопротивления в последнем случае из конструкции исключены жесткие стенки (рис. 12б).
Эффективность рассмотренных сепараторов с различной высотой входа в канал в виде
зависимостей эффективности сепарации Eff от диаметра капель d, гидравлического сопротивления DP и минимального диаметра 100 % отсепарированных капель d 𝑚 от высоты
входа в канал H показана на рис. 13.
88
Аэрогидромеханика
ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 1
Рис. 12. Схема сепаратора а) с периодическим и б) симметричным каналом
Видно, что геометрически подобные (но имеющие одинаковую толщину пластины s ) сепараторы с разной высотой канала имеют близкое по величине гидравлическое сопротивление, возрастающее из-за увеличения скоса потока. Увеличение размеров канала приводит
к увеличению радиусов разворота потока внутри канала и к увеличению минимального
диаметра 100 % отсепарированных капель. Чтобы получить сепарацию капель диаметром больше 10 мкм, необходимо иметь сепаратор с высотой входа в канал менее 15 мм.
Оптимальным по гидравлическому сопротивлению является сепаратор с высотой канала
10 мм. Его толщина составляет 30 мм.
Рис. 13. Эффективность сепарации для разной высоты канала
Проведенные параметрические исследования позволяют найти оптимум по другим параметрам (см. рис. 14, 15). Видно, что сепаратор улавливает капли диаметром 8 мкм и
выше с эффективностью 100 % в рабочем диапазоне скоростей потока от 5 до 10 м/с. При
этом гидравлическое сопротивление канала изменяется от 200 до 700 Па.
На рис. 16 показаны траектории движения капель различного диаметра. Градацией
серого цвета показана скорость их движения по траектории. Капли диаметром 12 мкм,
попадающие во влагоулавливающий элемент, закручиваются парой противоположно вращающихся вихрей. Скорость движения капель в вихрях близка к нулю, что позволяет им
накапливаться в вихрях и увеличивает их концентрацию. Капли диаметром 20 мкм, влетевшие в первый влагоулавливающий элемент на небольшой скорости, также закручиваются
вихрями, а влетевшие во второй на большей скорости проходят первый вихрь и частично закручиваются на втором вихре. Крупные капли проходят сквозь вихри и ударяются
ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 1
В. В. Вышинский, А. Г. Наливайко
89
о заднюю стенку влагоулавливающего элемента. При этом течение внутри элементов может существенно измениться. Для верификации решения столь сложной задачи требуется
проведение эксперимента.
Рис. 14. Эффективность сепарации при изменении параметров первого и второго влагоулавливающих элементов
Основными задачами эксперимента является выявление картины течения внутри элементов и доработка их конструкции для устранения недостатков и улучшения характеристик сепаратора.
90
Аэрогидромеханика
ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 1
Рис. 15. Эффективность сепарации при изменении скорости на входе в сепаратор
Рис. 16. Траектории капель воды диаметром а) 12 мкм, б) 20 мкм и в) 50 мкм. Градацией серого
цвета показана скорость капель на траектории
8.
Выводы
Создана методика сравнительной оценки инерционных сепараторов. Найдены пути их
оптимизации по гидравлическому сопротивлению. Предложена оптимальная конструкция
сепаратора.
Данная методика требует валидации – необходим модельный эксперимент.
Полученная оптимальная конструкция требует реализации и опытной эксплуатации.
ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Том 6, № 1
В. В. Вышинский, А. Г. Наливайко
91
Литература
1. Premaberg Manufacturing Ltd. Пат. GB 2136313 A, МКИ6 B01D45/08. – Опуб. 19.09.1984.
2. Юхнин В.Е., Спиридопуло В.И., Любимов Ю.А., Шрамко И.М. Пат. RU 2272668 C1,
МКИ6 B01D45/08. – Опуб. 20.09.2004.
3. Bychkov I.M., Vyshinsky V.V., Nosachev L.V. Investigation of the Flow Pattern in a
Gas_Jet Hartmann Resonator // Technical Physics. – 2009. – V. 54, N 8. – P. 1110–1115.
4. Вышинский В.В., Миллер А.Б. Моделирование динамики масла и воздушных пузырь-
ков в роторе центробежного фильтра-водоотделителя // Научный вестник МГТУ ГА.
– 2009. – № 138(1). – С. 25–30.
5. Stasenko A.L., Vyshinsky V.V. Physical model and numerical simulation of an aircraft
aerosol jet-vortex wake // Proceedings of International Conference «New Challenges In
Aeronautics» ASTEC’07. – 2007.
6. Вышинский В.В., Наливайко А.Г., Носачёв Л.В. Исследования пульсирующей смыка-
ющейся кольцевой струи // Научный вестник МГТУ ГА. – 2010. – № 154(4). – С. 12–19.
7. Вышинский В.В., Судаков Г.Г. Применение численных методов в задачах аэродинами-
ческого проектирования. – М. : ЦАГИ, 2007.
Поступила в редакцию 21.10.2013.