Коваленко А.А., Гусенцова Е.С.

Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля

Гусенцова Я.А.

Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

Моделирование аэродинамических характеристик

входного патрубка вентилятора

Разработка рациональных конструкций воздушного тракта вентиляционных систем связана с решением сложных задач уменьшения аэродинамического сопротивления, размеров и массы элементов систем, улучшения компоновки. Это требует проведения специальных исследований с учетом влияния на аэродинамические характеристики основных параметров элементов конструкции и режимов работы, зависящих от скорости воздушного потока [1].

Проведенный анализ литературных источников по оптимизации вентиляционных систем, а также систем охлаждения [1], показал, что в основном рассматривалось влияние типа и характеристик вентилятора на работу вентиляционной системы. При этом оценка влияния проточной части воздушного тракта вентиляционной системы ограничивалась, в основном, общими рекомендациями.

Рациональная конструкция входного патрубка вентилятора должна соответствовать основному экономическому требованию: расходы на изготовление и эксплуатацию системы должны быть минимальными. Это приводит к необходимости проведения технико-экономического анализа влияния различных факторов конструктивного, энергетического, технологического и эксплуатационного характера на затраты, связанные с изготовлением и эксплуатацией вентиляционных систем, с целью определения путей их уменьшения.

Поэтому наиболее эффективным методом исследования в этом случае, позволяющим определить аэродинамические и энергетические характеристики еще на этапе проектирования, является метод математического моделирования.

В работе оценено влияние на основе математического моделирования геометрических параметров входного участка вентилятора ВДН-32 на сопротивление патрубка и, как следствие, на эффективность оборудования вентиляционной системы в целом [1].

Расчётная схема представляет собой характерное сечение существующей проточной части входного патрубка (рис. 1).

На приведенной расчетной схеме: , – области выхода воздуха из патрубка перед вентилятором; – обтекатель; , , – непроницаемый стенки патрубка; – область всасывания.

Рис 1. Характерное сечение существующей проточной части входного патрубка вентилятора ВДН-32

Движение воздуха в во входном патрубке вентилятора описывается системой уравнений Рейнольдса [3, 4]:

где:

– осредненные проекции скорости;

– осредненное давление;

– пульсационные проекции скорости;

– осредненные значения произведения двух пульсационных скоростей;

эффективная динамическая вязкость

Уравнения движения дополняются уравнением неразрывности

Здесь - кинематическая вязкость, - коэффициент турбулентной (вихревой) вязкости.

Считая движущуюся среду несжимаемой, т.е.

а также, принимая коэффициент турбулентной вязкости постоянной величиной, систему уравнений Рейнольда приводим к виду

Здесь индекс усредненного значения пульсационной величины опущен.

Для задач, связанных с интегрированием дифференциальных уравнений, необходимо корректная постановка граничных условий. Для рассматриваемого случая такими условиями являются условие неподвижности воздуха на стенках патрубка и поверхности обтекателя, значение давления на входе в тракт, соответствующее атмосферному давлению и разрежение на выходе из патрубка, создаваемое при работе вентилятора.

Таким образом, уравнения с указанными выше граничными условиями представляют собой математическую модель аэродинамики потока в проточной части входного патрубка вентилятора ВДН-32.

Среди численных методов интегрирования уравнений массопереноса [5] метод контрольных объемов универсальным. Он обладает гибкостью, простотой программирования и высокой точностью.

Результаты расчетов аэродинамики входного патрубка вентилятора приведены на рис. 2.

а) б)

Рис 2. Линии тока для существующей и оптимизированной конструкций проточной части входного патрубка вентилятора ВДН-32

Анализ ряда численных экспериментов показал, что существующая конструкция входного патрубка вентилятора не является оптимальной с точки зрения её аэродинамики. Возникновение вихревых зон приводит к увеличению гидравлического сопротивления патрубка, что сказывается на эффективности системы в целом. Показанная на рис. 2б схема проточной части позволяет при том же перепаде давления, что и в исходной конструкции, получать больший расход протекающего воздуха или же обеспечивать такой же расход, что и в существующей схеме, при меньших перепадах давления. Таким образом, при том же расходе воздуха, что и в существующей схеме, можно добиться перепада давления, создаваемого вентилятором, меньшего исходного на 2%, что позволяет снизить мощность вентилятора на 3%.

Литература:

1. Соколов В. И. Аэродинамика газовых потоков сложных вентиляционных систем. – Луганск: ВУГУ. – 1999. – 200 с.

2. Гусенцова Я.А. Математическая модель стационарного режима работы сложных приточно-вытяжных вентиляционных систем / Я.А.Гусенцова, К.Н. Андрийчук // Коммунальное хозяйство городов. Серия: Технические науки и архитектура. – К., 2004. - Вып. 60. – С. 191 – 195.

3. Фабер Т.Е. Гидроаэродинамика/ Т.Е. Фабер. – М.: Постмаркет, 2001. – 560 с.

4. Аэрогидромеханика/ Андрийчук Н.Д., Коваленко А.А., Кондауров Е.Н. и др. Под общ. ред. Коваленко А.А.- Луганск: Изд-во ВНУ им. В. Даля, 2009. – 516 с.

5. Попов Д.Н. Нестационарные гидромеханические процессы/ Попов Д.Н.. -М.: Машиностроение, 1982. -240 с.