9-3. ПРИМЕРЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Для иллюстрации применимости метода моделей к изучению работы промышленных тепловых аппаратов ниже приведены два примера.

1. Одним из первых построенных в СССР воздухоподогревателей был подогреватель П-образного типа. После его изготовления оказалось, что по воздушной стороне гидравлическое сопротивление огромно — в 2,5 раза больше расчетного. Для выяснения причины этого явления на заводе было предпринято специальное исследование. Оно заключалось в определении поля скоростей и поля статических давлений по ходам воздухоподогревателя. Результаты одного из таких опытов приведены на рис. 9-1, где нанесены кривые распределения скоростей в отдельных сечениях нагревателя.

Значение и направление скорости указаны стрелками. Зги опыты дают полное представление о характере движения воздуха в элементе. Из рассмотрения рисунка видно, что воздух движется не полным сечением канала, в местах поворотов имеются застойные места — мертвые мешки, сильно сужающие живое сечение канала. Поэтому и гидравлическое сопротивление агрегата должно быть значительно выше, чем по расчету. При средней скорости оно оказалось равным около Па, в то время как по расчету должно было быть равно Па.

Одновременно было проведено исследование работы воздушного подогревателя на водяной модели. Последняя была изготовлена в 1/5 натуральной величины с боковыми стенками из зеркального стекла. На такой модели были изучены условия движения воздуха в элементе нагревателя и измерено его гидравлическое сопротивление.

Проведенное исследование показало полное совпадение характера движения воды в модели с характером движения воздуха в образце (см. рис. 9-2 и ср. его с рис. 9-1). В поворотах и углах получаются застойные места. Они особенно велики в правом верхнем углу первой половины нагревателя и правом нижнем углу второй половины — за перегородкой. Благодаря поворотам движение жидкости происходит неполным сечением, и вследствие этого получается значительно увеличенное гидравлическое сопротивление канала.

Гидравлическое сопротивление элемента на водяной модели было исследовано при различных значениях числа Re. Результаты опытов в логарифмических координатах нанесены на рис. 9-3, где по оси абсцисс отложены значения числа Re, а по оси ординат — числа Ей. Согласно теории линии 1 и 2 должны совпадать, и практически они совпадают, ибо расхождение между ними меньше 10%, что можно отнести за счет ошибок измерений в опытах с образцом.

Если по данным, полученным из опытов с моделью, подсчитать сопротивление образца, то получаем, что при Па. По расчету при проектировании сопротивление газохода было оценено в Па, а по опытам на образце оно оказалось равным Па.

Дальнейшие опыты с моделью были проведены с целью изыскания условий для уменьшения гидравлического сопротивления. По предложению акад. М. В. Кирпичева в поворотах были установлены направляющие лопатки. При наличии последних условия движения резко меняются. Вместо беспорядочного движения с образованием застойных зон в этом случае жидкость движется параллельными струями (рис. 9-4). Такое упорядочение движения сказалось на сопротивлении подогревателя — оно резко уменьшилось (см. линию 3 на рис. 9-3). В пересчете на образец сопротивление элемента с направляющими лопатками равно лишь .

Рис. 9-1. Спектры скоростей воздуха в П-образном воздухоподогревателе, замеренные на образце при .

Рис. 9-2. Характер движения воздуха в П-образном воздухоподогревателе по опытам на водяной модели.

Рис. 9-3. Сопротивление воздушного подогревателя. 1 — по опытам на водяной модели; 2 — по опытам на образце с воздухом; 3 — по опытам на водяной моделис направляющими лопатками.

Рис. 9-4. Характер движения воздуха при наличии в поворотах направляющих лопаток — по опытам на водяной модели.

Таким образом, установка направляющих лопаток в поворотах позволила почти в 3 раза снизить сопротивление подогревателя и вместе с этим значительно улучшить его работу как теплообменного аппарата.

2. В качестве второго примера приведем результаты опытов по изучению теплопередачи. Так как метод моделей должен характеризовать действительные условия работы агрегата, учитывая все особенности его конструкции, то результаты опытов на модели нужно сопоставлять не с расчетными данными, а с данными эксплуатационных испытаний. Поэтому для доказательства применимости метода моделирования для изучения теплопередачи объектом исследования был выбран хорошо изученный в эксплуатационных условиях вертикальный водотрубный парогенератор системы Гарбе с поверхностью нагрева 1200 м2. Схематический чертеж этого парогенератора представлен на рис. 9-5.

Рис. 9-5. Котел Гарбе; пунктиром выделен газоход, который был изучен на модели.

Рис. 9-6. Зависимость для второго пучка котла Гарбе; сплошная линия — опытные данные исследований на модели, точки — опытные данные промышленных испытаний.

Промышленное испытание парогенератора было произведено Ленинградским теплотехническим институтом. На модели был исследован только второй пучок парогенератора.

Воздушная модель изучаемой части парогенератора была построена в масштабе 1 : 8. Для определения коэффициента теплоотдачи отдельных труб был применен электрокалориметрический метод.

Исследованию была подвергнута каждая трубка в отдельности при различных скоростях воздуха. Обработка результатов опытов была произведена в числах подобия.

Осредненные данные по всему пучку из опытов с моделью были сравнены с результатами промышленного испытания котла, обработанными также в числах подобия. Результаты сопоставления приведены на рис. 9-6; здесь сплошной линией нанесены результаты исследования на модели, а точками — результаты промышленного испытания. Как видно из рисунка, совпадение результатов получилось исключительно хорошим. Это доказывает, что, применяя метод локального теплового моделирования к изучению теплопередачи в парогенераторе на моделях, мы получаем результаты, которые характеризуют тепловую сторону работы котла так же хорошо, как и данные самых подробных промышленных испытаний в эксплуатационных условиях.

Таким образом, на моделях можно изучать как характер движения жидкостей и гидравлическое сопротивление, так и теплопередачу любого теплового аппарата. При проектировании новых аппаратов это дает возможность заранее проверить правильность конструкции и исправить все обнаруженные в них недостатки еще до реализации конструкции. При реконструкции существующих тепловых аппаратов с целью рационализации их работы метод моделей позволяет заранее установить, какие переделки рациональны и какой именно эффект будет от них получен.

Приведенные выше примеры убедительно показывают, что моделирование является весьма эффективным средством научного исследования.

Область практического применения метода моделирования, конечно, не ограничивается гидромеханикой и теплообменом. В настоящее время она значительно расширена. Разработаны условия моделирования процесса движения и гидравлического сопротивления, процессов теплопроводности и конвективного теплообмена, процессов теплообмена при изменении агрегатного состояния, процессов уноса влаги и ее сепарации, процессов материального обмена и сушки, процессов движения запыленных потоков и сепарации пыли, процессов вентиляции помещений, проточной части паровых турбин, паровых машин, топочных устройств, циркуляции расплавленной стекломассы в печах, процессов, протекающих в электрических машинах и системах, процессов физико-химического превращения и т. д.

В настоящее время моделирование является одним из основных методов научного исследования и широко используется во многих областях науки и техники. Моделирование как метод научного исследования, как метод оценки эффективности технического устройства и его реализации в натуре в наибольшей мере соответствует запросам практики. В этом отношении его возможности еще далеко не использованы. Особенно широки перспективы от применения метода моделей в химической технологии и машиностроении.