Сопло Вентури проектирование дозвуковых моделей

Сопло Вентури проектирование дозвуковых моделей

Сопло Вентури использует быстро движущийся поток жидкости для захвата почти покоящейся всасывающей жидкости (картинка ниже). Здесь движущийся поток ускоряется, проходя через сужающуюся часть, при этом наибольшая скорость достигается в горловине сопла. Высокая скорость рабочей жидкости создаёт область низкого статического давления и, следовательно, перепада давления между рабочей жидкостью в горловине сопла и всасывающей жидкостью. Разность давлений втягивает всасываемый поток в сопло, где всасывающий и рабочий потоки смешиваются. Тепловые эжекторы могут использоваться для достижения того же всасывания и смешивания, но имеют несколько больше внутренних частей и обычно работают в сверхзвуковом режиме.

Где находит применение сопло Вентури?

Эжекторы и сопло Вентури используются в разных отраслях промышленности, будучи энергетически эффективными и не имеющими движущихся частей. Использование таких форсунок позволяет смешивать два потока, применяя только компрессор под перемещение одного из потоков. Тем самым снижаются затраты энергии, необходимые для работы системы.

Смесительные конструкции используются при орошении и внесении удобрений, как для распределения воды, так и для смешивания удобрений и других химикатов с водой с использованием эффекта Вентури.

Также допустимо увеличивать концентрацию растворённого кислорода в воде, применяя сопло Вентури высокого давления. Эжекторы Вентури высокого давления (сверхзвуковые сопла) находят активное применение в системах охлаждения и чиллерах.

Устройства с изменяемой геометрией изучались для применения в системах охлаждения с переменной нагрузкой, когда геометрия сопла изменяется по мере изменения потребности в охлаждении. В исследованиях нагнетания биогаза также показало эффективность сопло Вентури для улучшения перемешивания.

Сопло Вентури проектирование дозвуковых моделей + схема
Сопло Вентури: 1 – движущая сила входа; 2 – всасывающее отверстие; 3 – движущая сила выхода; 4 – диаметр на входе; 5 – диаметр горловины (зева); 6 – диаметр всасывающего отверстия; 7 – длина смешивания

Форсунки Вентури вполне пригодны для создания вакуума в промышленных системах:

  • тормоз с вакуумным усилителем,
  • выброс порошка,
  • роботизированная рука,
  • аэрокосмический инструмент.

По причине широкого использования производительность и работа сверхзвуковых эжекторов и сопел Вентури высокого давления подверглись тщательному изучению. В частности, исследовалась геометрия парового эжектора на основе первых принципов, поскольку отработанный пар промышленных процессов допустимо вновь применить после прохода через сопло Вентури.

Как исследовалось устройство сопло Вентури?

Специалистами выполнялось моделирование поведения сопел Вентури высокого давления и сверхзвуковых тепловых эжекторов. Разработана одномерная теория, основанная на газовой динамике, применимая для проектирования эжекторов. В других основных анализах рассматривалась газодинамика адиабатического смешивания идеального газа с воздухом и уравнение Бернулли для смешивания несжимаемой жидкости под моделирование поведения устройства.

Учёные обратились к анализу Второго закона для определения эффективности эжектора по отношению к реверсивному эжектору. Обнаружилось, являющиеся одной и той же жидкостью движущая и всасывающая среды показывают практически одинаковые значения эффективности обратимого коэффициента увлечения и эксергетической эффективности.

В других исследованиях использовалась вычислительная гидродинамика для определения влияния геометрических характеристик:

  • форма горловины,
  • наличие и угол диффузора,
  • форма и диаметр входного отверстия.

Выяснилось, что длина смешивания, угол диффузора и эффективная площадь горловины являются критическими параметрами для работы форсунки.

Сопло Вентури проектирование дозвуковых моделей + эксперимент 1
Схема экспериментальной установки смешивания воздуха: 1 – регулятор давления; 2 – Кориолисов расходомер; 3 — управление посредством ITC-100VH PID

Помимо всего прочего, изучался эффект добавления вихревых лопаток к диффузору сопла для увеличения турбулентной кинетической энергии. Как выяснилось, кавитация в соплах Вентури высокого давления дополнительно ускоряет поток и подавляет турбулентные колебания скорости. Для сопел Вентури с несжимаемым потоком исследовалось влияние угла впрыска всасываемой жидкости. Получена корреляция для траектории струи со стандартной ошибкой 0,27.

Отношения длины к диаметру смесительной камеры также изучалось, как для сверхзвукового, так и для дозвукового случаев. Отмечается: по мере увеличения отношения длины к диаметру смесительной камеры, скорость всасывающего потока сначала увеличивается, а затем уменьшается.

Лишь в нескольких исследованиях рассматривались дозвуковые эжекторы, и в этих исследованиях обычно рассматривается только случай, когда воздух является как движущей, так и всасывающей жидкостью.

Критерии работы дозвуковых сопел Вентури

Для дозвуковых смесительных сопел Вентури «воздух-воздух» изучалось влияние угла расширяющейся части сопла. Это влияние признано оптимальным в диапазоне 4° — 14°. Угол, под которым всасывающий поток встречается с рабочим потоком, также влияет на производительность устройства. Обнаружено, что больший угол приводит к лучшему проникновению всасывающего потока в рабочий поток.

Кроме того, любой изгиб или отрыв потока в форсунке ухудшит работу форсунки. Прогнозирование скорости всасывания произвольного сопла до сих пор не имеет достаточной количественной оценки. Некоторые геометрические особенности, такие как угол диффузора и конструкция горловины, изучены только для сверхзвуковых сопел.

Поэтому актуальной видится цель проанализировать дозвуковые смесительные сопла Вентури низкого давления, чтобы охарактеризовать производительность и оптимальную геометрию. Соответственно, разработать эмпирические модели производительности сопла Вентури, которые допустимо использовать для определения скорости всасывающего потока и информирования о конструкции дозвуковых сопел Вентури низкого давления.

Если скорость всасывания конкретного устройства известна, доступно проведение множества исследований, демонстрирующих влияние добавления диффузора на эту скорость потока. Существует множество возможных применений дозвуковых сопел Вентури низкого давления, например, очистка сточных вод. В этом применении такие сопла Вентури могут использоваться для ускорения воздуха на рабочей стороне и захвата пара сточных вод на стороне всасывания.

Особенности проектирования дозвуковых сопел Вентури

Процесс отделения чистой воды от загрязнений сточных вод требует тщательного контроля влажности воздуха. В частности, требуется тщательный контроль отношения скорости всасывания к скорости рабочего потока.

Форсунки Вентури высокого давления не подходят для такого применения, потому что функционируют при температурах, слишком низких для очистки воды. Устройства высокого давления дают увеличение скорости конденсации пара, потенциально создавая конденсат до момента отделения воды от загрязняющих веществ.

А вот использование дозвуковой форсунки низкого давления является энергетически эффективным способом контроля влажности воздуха в некоторых системах очистки сточных вод. Многим другим химическим и фармацевтическим процессами также нужны такие сопла, чтобы иметь возможности точно контролировать смеси газовой фазы.

Сопло Вентури проектирование дозвуковых моделей + эксперимент 2
Экспериментальная схема смешения потоков: 1 – контроллер потока; 2 — Кориолисов расходомер; 3 – блок питания; 4 – воздухонагреватель; 5 – нагреватель PID; 6 – сопло; 7 – соединение; 8 – излишки потока; 9 – генератор потока; 10 – подача воды; 11 – излишки воды   

В дозвуковых соплах Вентури скорость всасывающего потока зависит от развиваемого низкого давления. Следовательно, от высокой скорости в горловине сопла. Скорость и давление в горловине определяются геометрией сопла и расходом движущегося потока. Статическое давление на входе всасывания также влияет на скорость всасывания:

Повышенное давление на входе всасывания приводит к большей разнице давлений между входом и горловиной и, таким образом, увеличивает скорость потока на всасывании.

Изучалось влияние четырёх различных геометрических параметров на скорость всасывания:

  • диаметр движущегося элемента (30–50 мм);
  • диаметр зева (8–16 мм);
  • диаметр всасывания (15–27 мм);
  • длина перемешивания (30–80 мм).

Несмотря на относительную простоту сопла Вентури и достаточно хорошо изученный эффект Вентури, рассчитать скорость всасывания этих сопел непросто. Уравнение Бернулли допустимо использовать для определения скорости по известному падению давления. Однако это уравнение неприменимо к форсункам дозвукового давления из-за смешения рабочего и всасывающего потоков.

Решение – использование соотношения газодинамики на основе числа Маха, но уравнение Бернулли или уравнение Дарси-Вейсбаха, которые не учитывают перемешивание, всё равно необходимы для определения расхода всасывания от рассчитанной разницы давлений.

Эмпирическая модель или корреляция на проектирование

Для разработки модели зависимости степени всасывания от геометрии и условий эксплуатации, прежде необходимо определить форму модели. Массовый расход всасывания (ms) принимался как:

  • функция рабочего массового расхода (mm),
  • рабочая площадь входного отверстия (Am),
  • диаметр горловины (Dt),
  • диаметр входного отверстия (Ds),
  • длина перемешивания (L),
  • плотность рабочей жидкости (pm),
  • кинематическая вязкость всасывающей жидкости (vс),
  • вязкость рабочей жидкости (µм),
  • манометрическое статическое давление на входе всасывания (Pstatic).

Следовательно, функциональная форма массового расхода всасывания принимает вид:

ms = ƒ(mm, Am, Dt, Ds, L, pm, vс, µм, Pstatic)

Теорема Букингема «Пи» используется для определения безразмерных групп, которые определяют эту систему как:

Сопло Вентури проектирование дозвуковых моделей + Теорема Buckingham Pi

Используя эти определения, уравнение допустимо записать как:

Сопло Вентури проектирование дозвуковых моделей + конечная формула

Разработано и оценено семь различных эмпирических моделей с целью определить наиболее важные параметры для прогнозирования производительности форсунки. Также здесь допустимо определить, какая эмпирическая модель лучше всего подходит для прогнозирования производительности форсунки.


При помощи информации: McMaster