CIEPLNE MASZYNY PRZEPŁYWOWE NUMER 117 TURBOMACHINERY 2000

Transkrypt

1 CIEPLNE MASZYNY PRZEPŁYWOWE NUMER 117 TURBOMACHINERY 2000 Bolesław DOBROWOLSKI, Zdzisław KABZA Krzysztof KRĘCISZ, Grzegorz NOWOSIELSKI Politechnika Opolska NUMERYCZNE BADANIA PROTOTYPOWEGO STABILIZATORA STRUGI PRZY ZŁOŻONEJ DEFORMACJI POLA PRĘDKOŚCI*) Przedmiotem analizy jest przepływ płynu przez prototypowe rozwiązanie konstrukcyjne stabilizatora strugi. Jego cechą charakterystyczną jest brak wewnętrznej zabudowy, co ogranicza trwałą stratę ciśnienia. Przeprowadzono obliczenia numeryczne dla przypadku gdy przed stabilizatorem znajduje się kolano oraz układ dwóch kolan w różnych płaszczyznach. Wykazano, że układ dwóch kolan generuje złożone zawirowanie strugi. NUMERICAL INVESTIGATIONS ON THE PROTOTYPE STREAM STABILIZER UNDER COMPLEX DEFORMATION OF THE VELOCITY FIELD In the paper fluid flow through the prototype stream stabilizer is analysed. A lack of internal building is its specific quality and it limits the permanent loss of pressure. Numerical calculations were done for the case when there is an elbow before the stabilizer and a system of two elbows in different planes. It has been shown that the system of two elbows generates the complex swirl of the stream. 1. WSTĘP Istotnym problemem z punktu widzenia dokładności pomiaru jest dobór miejsca zainstalowania przepływomierza. Przeszkody miejscowe powodują zaburzenie pola prędkości, a dla hydrodynamicznej stabilizacji strugi konieczne są odpowiednio długie prostoliniowe odcinki przewodu [1,2,3]. Jeśli zachodzi konieczność pomiaru strumienia masy płynu tuż za przeszkodą, należy stosować tzw. stabilizator strugi [2,4]. Rodzaj *) Pracę wykonano w ramach Projektu Badawczego 8T-10C

2 B. DOBROWOLSKI, Z.KABZA, K. KRĘCISZ, G. NOWOSIELSKI stabilizatora zależy od stopnia deformacji pola prędkości oraz wymaganej dokładności pomiaru. Przedmiotem niniejszej pracy jest analiza zjawiska przepływu przez prototypowy stabilizator strugi [5], którego cechą charakterystyczną jest brak zabudowy wewnętrznej (pęki rur, perforowane tarcze). Taka konstrukcja zapewnia niewielką trwałą stratę ciśnienia w odniesieniu do innych znanych rozwiązań stabilizatorów. W niniejszej pracy, analizie poddano wpływ obecności kolana oraz układu dwóch kolan na pole prędkości i rozkład ciśnienia wzdłuż układu przepływowego ze stabilizatorem. 2. SFORMUŁOWANIE PROBLEMU Rozpatruje się ustalony przepływ płynu lepkiego, nieściśliwego przez układ przepływowy ze stabilizatorem. Budowę układu przedstawiono na rys. 1. Stabilizator składa się z odcinka przewodu o promieniu RS, dyszy o konstrukcji zbliżonej do dyszy ISA [2,5], oraz odcinka przewodu prostoliniowego, o średnicy równej średnicy rurociągu RR i długości LPD. (rys. 1. Przepływająca struga ulega niewielkiej ekspansji, a następnie kontrakcji. Za stabilizatorem umieszczona jest dysza wchodząca w skład układu pomiarowego o długości LD, służąca do pomiaru strumienia masy płynu. Ruch płynu opisano układem równań, składającym się z równania ciągłości strugi oraz równań ruchu U 0 (1) ρu U p μ ef ( U U T ) 2 3 ρ k (2) gdzie U jest wektorem prędkości, gęstością płynu, k energią kinetyczną turbulencji a ef lepkością efektywną. Lepkość efektywna jest obliczana na podstawie k- modelu Laundaera i Spaldinga [6]. μef ε ρ εu ε c1μef G-c2 ρε (3) σ k ε μef ρ ku k μef G ρε (4) σ k gdzie c 1 =1,44; c 2 =1,92; =1,0, -1,30 oraz c =0.09. Układ równań rozwiązano metodą elementów skończonych przy zastosowaniu programu FIDAP [7]. Dyskretyzację obszaru obliczeniowego przeprowadzono przy użyciu programu GAMBIT, natomiast obliczenia wykonano na komputerze IBM PC z procesorem 2 PENTIUM 500MHz.

3 NUMERYCZNE BADANIA PROTOTYPOWEGO STABILIZATORA... Rys. 1. Układy przepływowe ze stabilizatorem strugi; z pojedynczym kolanem, z dwoma kolanami w różnych płaszczyznach, konstrukcja stabilizatora Fig. 1. Flow systems with the stream stabilizer with a single elbow, with two elbows in various planes, stabilizer strukture 3. WYNIKI BADAŃ NUMERYCZNYCH Zrealizowano serię obliczeń numerycznych dla przewodu o średnicy D=0,05m. W obliczeniach przyjęto: LIN=3D; RS=0,06455m; RR=D/2; LS=1D; LPD=1,5D; LD= m, RD=0,02m, LOUT=2D (rys. 1. Celem obliczeń była analiza wpływu początkowej deformacji pola prędkości związanej z przepływem płynu przez kolano oraz układ dwóch kolan na strukturę przepływu w analizowanym układzie. Przedstawione dalej wyniki obliczeń odpowiadają wartości liczby Reynoldsa Re=15000 odniesionej do średnicy przewodu. Na rys. 2 przedstawiono wyniki obliczeń dla przypadku gdy w przekroju poprzecznym przewodu przed stabilizatorem ma miejsce w pełni rozwinięty przepływ turbulentny. Obliczenia przeprowadzono dla modelu przestrzennego przy wykorzystaniu elementów. Rys. 3 przedstawia wyniki obliczeń dla układu z pojedynczym kolanem o promieniu krzywizny 1D (rys 1. Przy dyskretyzacji wykorzystano elementów.

4 B. DOBROWOLSKI, Z.KABZA, K. KRĘCISZ, G. NOWOSIELSKI Rys. 2. Wyniki obliczeń numerycznych dla w pełni rozwiniętego przepływu turbulentnego izobary, izotachy, wektory prędkości Fig. 2. Results of numerical calculations in case of fully developed turbulent flow isobares, lines of equal velocity, velocity vectors Rys. 3. Wyniki obliczeń numerycznych dla układu z pojedynczym kolanem izobary, izotachy, wektory prędkości Fig. 3. Results of numerical calculations for the system with a single elbow isobares, lines of equal velocity, velocity vectors Wyniki obliczeń dla układu przepływowego z dwoma kolanami w różnych płaszczyznach (rys. 1 przedstawiono na rys. 4. W obu rozważanych przypadkach

5 NUMERYCZNE BADANIA PROTOTYPOWEGO STABILIZATORA... przyjęto, że w przekroju wlotowym układu występuje w pełni rozwinięty przepływ turbulentny. Obliczenia wykonano przy użyciu elementów. Rys. 4. Wyniki obliczeń numerycznych dla układu z dwoma kolanami izobary, izotachy, wektory prędkości Fig. 4. Results of numerical calculations for the system with two elbows isobares, lines of equal velocity, velocity vectors Na rys. 5 przedstawiono izotachy i wektory prędkości w przekroju poprzecznym dyszy o promieniu RD (rys. 1. Z obliczeń wynika że układ dwóch kolan generuje asymetryczne zawirowanie strugi. Rozważana konstrukcja stabilizatora strugi nie zapewnia więc skutecznej redukcji cyrkulacji w przekroju poprzecznym i zawirowania strugi. 4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Analizie numerycznej poddano złożony przypadek przepływu 3D w układzie z prototypowym stabilizatorem strugi. W obliczeniach uwzględniono deformacje pola prędkości związane z przepływem płynu przez kolano oraz układ dwóch kolan w różnych płaszczyznach. Wykazano, że układ dwóch kolan zainstalowanych w różnych płaszczyznach generuje asymetryczne zawirowanie strugi. Stwierdzono poprawne działanie stabilizatora w odniesieniu do składowej osiowej wektora prędkości. Omówiona konstrukcja nie zapewnia jednak redukcji cyrkulacji poprzecznej i zawirowania strugi. Celowa wydaje się kontynuacja badań numerycznych prowadzących do optymalizacji konstrukcji i oceny zakresu stosowalności stabilizatora.

6 B. DOBROWOLSKI, Z.KABZA, K. KRĘCISZ, G. NOWOSIELSKI Rys. 5. Izotachy i wektory prędkości w przekroju porzecznym dyszy układ bez kolan, układ z pojedynczym kolanem, układ z dwoma kolanami Fig. 5. Lines of equal velocity in the cross section of the nozzle for the system with a rectilinear segment, with a single elbow, with two elbows LITERATURA [1] Dobrowolski B. Kabza Z., Teoretyczna analiza wpływu osiowosymetrycznej deformacji pola prędkości i zawirowania strugi na właściwości metrologiczne zwężek pomiarowych. Studia i monografie z.59, ZN WSI w Opolu, Opole 1992 [2] Pomiar strumienia masy i strumienia objętości płynów za pomocą zwężek pomiarowych. PN-93/M-53950/01 [3] Spearman E.P., Sattary J.A., Reader-Harris M.J, Rhodes F.S., The effect of upstream installations on orifice meter discharge coefficients. NEL Report FL/445, July [4] Brennan J.A., Sindt C.F., Lewis M.A., Scott J.L., Choosing flow conditioners and their location for orifice meters. Flow Meas. Instrum., vol 2, April [5] Kabza Z. Urządzenie do wyrównywania rozkładu prędkości płynu przed zwężką. Patent 65340, [6] Ferziger J.H., Perić M., Computational Methods for Fluid Dynamics. Springer- Verlag, Berlin Heidelberg [7] Fidap 8.5, Fluid Dynamics Analysis Package. Fluid Dynamics International, Inc