Tytuł:
Rozwój strugi powietrza w dyfuzorze prostokątnym
Autor:
Przemysław Skotniczny
Statystyka:
- ilość stron: 132,
- ilość rysunków: 94 (w tym 27 kolorowych),
- ilość tabel: 13,
- ilość pozycji w spisie literatury: 130.
Streszczenie:
Przemieszczaniu płynu lepkiego w przewodzie zamkniętym towarzyszy szereg zjawisk przepływowych. Zjawiska te, takie jak: powstawanie i rozwój warstwy przyściennej, występowanie stref recyrkulacji rozwój turbulencji, od wielu lat są w centrum uwagi różnych ośrodków naukowych w kraju i za granicą. Poznanie i opisanie tych zjawisk stanowi klucz do optymalnego projektowania urządzeń przepływowych.
Szczególnym typem przewodu zamkniętego jest dyfuzor. Jest to element przepływowy, który najczęściej stosowany jest jako połączenie dwóch przewodów o różnych polach przekroju. Zasada działania dyfuzora polega na konwersji energii kinetycznej przepływającej strugi na energię potencjalną związaną z ciśnieniem statycznym, czyli na zmniejszeniu w kierunku przepływu prędkości przepływającej strugi. Podstawowym problemem związanym z przepływem płynu lepkiego w dyfuzorze jest możliwość występowania zjawiska separacji warstwy przyściennej tworzącej się wzdłuż jego ścian, a co za tym idzie obniżenie sprawności urządzenia. Najczęściej stosowanymi w rozwiązaniach technicznych, a więc najlepiej opisanymi w aspekcie przepływowym, są dyfuzory stożkowe o przekroju kołowym.
Przedstawiona praca koncentruje się na opisie zjawiska przepływu powietrza w dyfuzorach prostokątnych. Omawiane dyfuzory charakteryzują się specyficzną geometrią — wysokość przekroju poprzecznego jest stała i dużo mniejsza od jego szerokości na całej długości badanych dyfuzorów.
Autor podejmuje próbę opisu zjawisk przepływowych w oparciu o dane uzyskane z termoanemometrycznej metody wyznaczania składowych wektora prędkości strugi powietrza przepływającej przez dyfuzor.
W początkowych rozdziałach, pierwszym i drugim, przedstawiono cel pracy oraz budowę stanowiska pomiarowego. Przed przystąpieniem do zasadniczych badań przepływu powietrza w dyfuzorach prostokątnych poświęcono dużo uwagi zaprojektowaniu i eksperymentalnemu zweryfikowaniu konstrukcji tej części stanowiska pomiarowego, która ma wpływ na parametry przepływowe strugi powietrza wpływającej do dyfuzora.
W tym celu w pracy zbudowano dwa stanowiska pomiarowe. Jedno pomocnicze, na którym wykonano badania wstępne oraz drugie, zaprojektowane na podstawie wytycznych z opracowanych wyników badań wstępnych.
Rozdział trzeci opisuje wykonanie pomiarów przepływu powietrza przez dyfuzor prostokątny. Pomiary wykonano dla pięciu prędkości strugi w przekroju wlotowym U0 = {1, 2, 4, 6, 8} m/s, dla siedmiu całkowitych kątów rozwarcia ścian dyfuzora a = {7, 12, 14, 16, 18, 20, 28}° oraz dla trzech chropowatości powierzchni ścian bocznych o określonych parametrach geometrycznych. Do wyznaczenia składowych wektora prędkości stosowano metodę termoanemometryczną. Dodatkowe informacje, dotyczące zjawisk fizycznych występujących w przepływającej strudze powietrza uzyskano z jej wizualizacji.
Podstawowym problemem było opracowanie ogromnej ilości danych uzyskanych z pomiarów termoanemometrycznych. W wyniku pomiarów zgromadzono około 9 GB danych zawierających zapis chwilowych fluktuacji składowych wektora prędkości. W rozdziale czwartym omówiono specjalnie do tego celu stworzony program komputerowy #R3, który został stworzony przez Autora w celu optymalizacji obróbki danych pomiarowych. Program umożliwiał wyznaczenie intensywności turbulencji, składowych tensora naprężeń turbulentnych (naprężeń Reynoldsa) w kierunkach stycznych i normalnych, potrójnych korelacji składowych fluktuacyjnych, uśrednionych w czasie składowych wektora prędkości, podłużnych profili prędkości oraz wielkości określających warstwę przyścienną — miarę liniowej straty wydatku i pędu.
Rozdział piąty jest poświęcony analizie opracowanych danych pomiarowych. W rozdziale tym opisano warstwę przyścienną tworząca się wzdłuż ścian badanych dyfuzorów prostokątnych, opisano zjawiska związane z utworzoną warstwą przyścienną w zależności od całkowitego kąta rozwarcia ścian dyfuzora i ich chropowatości. Następnie opisano obszar znajdujący się poza warstwą przyścienną — strefę rdzenia potencjalnego. Tu skoncentrowano się na opisie rozwoju i zanikania rdzenia potencjalnego w funkcji odległości od przekroju wlotowego badanych dyfuzorów, jak również w funkcji chropowatości i kąta całkowitego rozwarcia ścian bocznych dyfuzora. Opracowane dane pomiarowe zostały przedstawione w postaci map poszczególnych mierzonych wielkości.
Pracę kończy rozdział szósty, w którym zamieszczono podsumowanie i wnioski sformułowane na podstawie przeprowadzonej w pracy analizy. Najważniejsze z nich to:
- w przebadanych dyfuzorach zaobserwowano trzy rodzaje oderwania warstwy przyściennej: oderwanie przejściowe, oderwanie całkowite jednostronne i oderwanie całkowite dwustronne,
- w przepływającej strudze powietrza przez dyfuzor prostokątny zauważono zmniejszenie w kierunku przepływu wartości jednej ze składowych wektora prędkości,
- zauważono wpływ chropowatości ścian bocznych dyfuzora prostokątnego na parametry przepływowe strugi powietrza oraz oderwanie warstwy przyściennej,
- dla przebadanej geometrii dyfuzorów istnieje optymalna chropowatość ścian, przy której następuje przesunięcie występowania zjawiska oderwania warstwy przyściennej w kierunku wyższych kątów całkowitego rozwarcia ścian dyfuzora.
