Диссертация (1025868), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Изменение общего расхода в системе в теченииэксперимента представлено на Рис. 4.12. Вертикальными линиями на рисункеотмечены моменты перехода из одного режима в другой. Смена режимаприводит к изменению общего перепада давления (разница показанийдатчиков давления Д1 и Д6) и как следствие ступенчатому ограничениюрасхода в заданном диапазоне от 510 до 800 л/мин.1221000900800Расход, л/мин700ΔQ600500400Режим 1300Режим 2Режим 3200100002468101214161820Время, сРис. 4.12. Изменение расхода воздуха через систему для разных режимов повремениНа Рис.
4.13 представлена экспериментальная зависимость общегорасхода через систему от перепада давления для всех трех режимов.Получена достаточно сложная расходная характеристика экспериментальнойустановки с параллельными соединениями рабочих участков [137]. При этоммежду режимами имеется переходная область, связанная с динамическимипроцессами закрытия клапанов.
Скачкообразное изменение давления припереходе из одного режима в другой (переходные области между первым ивторым и вторым и третьим режимами соответственно) связано сперераспределением давления в системе при закрытии клапана рабочегоучастка. Величина изменения давления соответствует гидравлическимпотерям от включившихся новых последовательных сопротивлений.Такимобразом,входеединогоиспытанияполученыэкспериментальные характеристики расхода от перепада давления для трехрежимов работы стенда с тремя, двумя и одним открытыми клапанамисоответственно.1231000900800Расход, л/мин700ΔQ600500400Режим 1300Режим 3Режим 220010000100000200000300000400000500000Перепад давления , ПаРис. 4.13. Зависимость расхода от перепада давления4.5. Проведение расчетных исследований пневматической системыэкспериментального стенда4.5.1.Разработкарасчетнойсхемыпневматическойсистемыэкспериментального стендаДля проведения численного исследования и проверки адекватностисозданной методики и алгоритма расчета, создана расчетная схемаэкспериментального стенда, представленная на Рис.
4.14. Расчетная схемасостоит из 16 узлов и 18 связей. Рабочие участки представлены связями 3, 8 и13, а вентили В2-В5 связями 1, 6, 11 и 16 соответственно. Работа установки содним и двумя закрытыми рабочими участками (режим 2 и режим 3) врасчетной модели имитировалась перекрытием расхода через связи 2-5 и 710 соответственно путем увеличения местного коэффициента сопротивленияна этих участках и уменьшения площади проходного сечения.124Рис. 4.14.
Расчетная схема пневматической системы экспериментальногостендаПримоделированииэкспериментальногоразработанногометодадлякорреляционнаязависимостьрабочих(4.6).стендаучастковИсходныеспомощьюиспользовалисьданныедлярасчетаэкспериментального стенда с помощью разработанного метода представленыв Таблице 4.4.ОпределениехарактеристиквентилейВ3÷В5происходиловсоответствии с перепадом давления на клапанах и их расходнымихарактеристикамивсоответствиисконцепцией«математическогорасходомера» [139]. При этом подходе расход через вентили раздающеймагистрали определялся вычитанием расходных характеристик рабочихучастков из расходной характеристики всего стенда.
Зависимости местных125сопротивлений для поворотов и тройниковых соединений получены изсправочных материалов [26].Таблица 4.4.Исходные данные для расчета№ связи123456789101112131415161718№ нач. узла1234526789610111213101415№ кон. узла234596789131011121315141516Длина, м2,00E-022,50E-011,40E-022,70E-011,25E-011,25E-012,50E-011,40E-022,70E-011,25E-011,25E-012,50E-011,40E-022,70E-011,25E-011,25E-015,34E-014,00E-01Диаметр, м1,27E-021,27E-025,50E-031,27E-021,27E-021,27E-021,27E-025,50E-031,27E-021,27E-021,27E-021,27E-025,50E-031,27E-021,27E-021,27E-021,27E-021,27E-024.5.2 Кросс-верификация метода расчета с помощью CFDДлянезависимойкросс-верификациирезультатоврасчетаразработанной пневмосистемы, полученных с помощью разработанногометода, было проведено CFD моделирование для одного режима работыэкспериментального стенда.CFD расчет соответствует первому режиму работы системы с тремярабочими участками при давлении на входе равному 2·105 Па.126Температуравсехэлементовэкспериментальнойустановкивсоответствии с показаниями датчиков температуры была равна температуреокружающей среды и составляла 18C.
Таким образом, течение среды вустановке можно считать изотермическим.Сравнение распределения расхода по рабочим участкам, полученного спомощью CFD и МКО, представлено в Таблице 4.5. Номер рабочего участкасоответствует номеру открытого клапана (элементы 3, 8 и 13 на Рис. 4.14соответственно), четвертый рабочий участок соответствует магистрали безрабочего участка (элемент 17 на Рис. 4.14).
Как видно из результатовтаблицы, максимальный расход идет через четвертый участок. Через первыйвторой и третий рабочие участки с клапанами течет меньший расход. Приэтом погрешность разработанного метода относительно CFD составляетменее 2 %. Однако время проведения CFD-расчета составило порядка сутокна расчетном сервере, а расчет с помощью разработанного метода занимаетнесколько секунд на персональном компьютере. Таким образом, выигрыш вовремени счета составляет более 1000 раз.Таблица 4.5.Сравнение результатов расчетов№ рабочегоРасход CFD,Расход «CVM-участка (клапана)кг/с·1021D», кг/с·102Погрешность, %1 (К-1)0,6910,6930,2894362 (К-2)0,4830,4781,0351973 (К-3)0,3010,3071,99335541,0291,0230,58309127Сравнение4.5.3.результатовчисленногорасчетаинатурногоэкспериментаПосле кросс-верификации был проведен расчет трех режимов работыэкспериментального стенда с помощью разработанного варианта методаконтрольного объема.
На Рис. 4.15 приведено сравнение результатовэкспериментального и численного исследований. Сплошными линиямипредставлены результаты экспериментального исследования для трехрежимов, а точками − результаты расчета при помощи разработанногометода.1000900800Расход, л/мин700600500Эксперимент режим 1Эксперимент режим 2Эксперимент режим 3МКО режим 1МКО режим 2МКО режим 340030020010000100000200000300000400000500000Перепад давления , ПаРис. 4.15. Сравнение результатов расчета с натурным экспериментом дляразличных режимов работы стендаОтклонение расчетных иэкспериментальныхзначенийрасходасоставляет менее 7 % для всего диапазона рассмотренного перепададавления. Расхождениерезультатов расчетныхиэкспериментальныхисследований связано с наличием локальных эффектов, связанных с128разворотами потока воздуха в стенде и недостаточном учете этихсопротивленийприпомощиразработаннойметодикиспомощьюэмпирических значений [26].При сравнении результатов расчетных исследований и натурногоэксперимента, можно говорить об адекватности моделирования изучаемыхрабочих процессов в многоконтурных и разветвленных пневматическихсистемах.4.6.
Выводы по главе 41. Разработан экспериментальный стенд, оснащенный современнымвысокоточным измерительным оборудованием, предназначенный дляпроведения серии исследований, связанных с изучением влиянияпотокораспределенияивлиянияотдельныхэлементоввмногоконтурной пневматической системе на работу всей установки вцелом.2. Проведены экспериментальные исследования рабочих процессов вмногоконтурной пневмосистеме для трех вариантов конфигурациистенда.3. Полученаэкспериментальнаякорреляциярасходаотперепададавления для рабочего участка стенда, которая была учтена врасчетной модели пневмосистемы.4. Проведена независимая валидация экспериментального исследованияпутем CFD расчета рабочего участка.
Отклонение экспериментальныхи расчетных значений составило менее 7%.5. Выполнена кросс-верификация расчета движения воздуха черезэкспериментальный стенд при помощи разработанного метода расчетаМКО с CFD расчетом, показавшая, что отклонение результатов МКО иCFD не превышает 2%.1296. По результатам сравнения расчетных исследований и натурногоэксперимента разветвленной системы, можно сделать вывод обприменимости разработанного метода расчета для моделированиярабочих процессов в сложных пневматических системах.130ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1.
Разработана математическая модель для определения распределениярасходов,давленийитемпературвсложныхразветвленныхпневматических системах. Модель строится на дифференциальныхуравнениях,представляющихсобойфундаментальныезаконысохранения в стационарной постановке в естественных переменных.2. Создан метод расчета рабочих процессов в пневматических и газовыхсистемах, позволяющий повысить эффективность проектированиясистем с учетом влияния конструктивного исполнения и условийэксплуатации, а также, сократить сроки проектирования за счетвозможности внесения изменений в конструктивную схему систем навсехэтапахпроектирования.Разработанныйметодрасчетаразветвленных пневматических и газовых систем позволяет учитыватьтеплообмен с внешней средой и изменение состояния рабочей средыкак функции давления и температуры.3.
Разработан алгоритм для расчета пневматических и газовых систем,позволяющие повысить эффективность проектирования подобныхсистем, а также сократить сроки их разработки за счет автоматизациипроцессамоделирования.Алгоритмпрограммнореализовансприменением языка программирования Fortran.4. Методрасчетаверифицированнарядеаналитическихиопубликованных в открытой печати данных, показавшее согласованиес погрешностью менее 1% для всех тестовых задач. При этомреализованный метод контрольного объема имеет большую скоростьсходимости, нежели стандартные «увязочные» методы расчета иблизкую к скорости сходимости GGA.5.
Исследовано влияния размерности задачи на стабильность методарасчета для пневматических и газовых систем. Проведено сравнение состандартным программным обеспечением EPANET. Исследование131показало большую стабильность разработанного метода при решениизадач размерностью более 2000 узлов.6. Разработан экспериментальный стенд многоконтурной пневматическойсистемы с параллельно расположенными магнитными клапанами. Порезультатампроведенныхиспытанийполученыгидравлическиехарактеристики расхода от перепада давления как для отдельныхэлементов, так и всего экспериментального стенда. Расчетноеисследованиепоказало,чтоотклонениерасчетныхиэкспериментальных значений расхода от перепада давления составляетне превысило 7 %.7. Разработанный метод расчета успешно применен для моделированияразличныхпневмосистемсистем.Наосновепроведенныхисследований совместно с предприятием ОАО «ВОРМХОЛС» былоразработано, изготовлено и испытано устройство для регулированиярасхода рабочей среды, что подтверждено соответствующим актом овнедрении.132ЛИТЕРАТУРА1.Чернышев А.В.
Расчет и конструирование агрегатов пневматических ипневмогидравлических систем. Пневмосистемы. Источники сжатого газа. М.:МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 52 с.2.Меренков А.П., Хасилев С.Ю. Теория гидравлических цепей. М.: Наука,1985. 279 с.3.Трубопроводные системы энергетики. Математическое моделирование иоптимизация / Н.Н. Новицкий, М.Г. Сухарев, А.Д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
