автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Методика моделирования течения жидкости в каналах фильтроэлемента с объемным принципом фильтрации

005012547

ГАРИПОВ Артур Альбертович

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В КАНАЛАХ ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТА С ОБЪЕМНЫМ ПРИНЦИПОМ ФИЛЬТРАЦИИ

Специальность 05.04.13 - «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 идр ті

Уфа-2012 г.

005012547

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете на кафедре «Прикладная гидромеханика»

доктор технических наук, профессор Целищев Владимир Александрович

доктор технических наук, профессор Гишваров Анас Саидович, кафедра авиационных двигателей Уфимского государственного авиационного технического цниверситета.

кандидат физико-математических наук Казакова Татьяна Георгиевна НПО «Нефтегазтехнология».

Ведущая организация: «ОАО «УАП Гидравлика», г. Уфа.

Защита диссертации состоится 15 марта 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, Уфа, ул. К. Маркса, д. 12.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан «_/£» сревраДЦ 2012 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор >

Ф.Г. Бакиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы работы

Одной из важнейших систем жизнеобеспечения летательного аппарата является система фильтрации гидравлических систем самолета (топливных и масленых систем). Эксплуатация самолётов на больших высотах и с высокими скоростями полётов приводит к периодическому охлаждению и нагреву топлив, что интенсифицирует процессы загрязнения топлив. Увеличение ресурсов авиационных двигателей, использование авиационных топлив с применением различных поверхностно-активных присадок увеличивает склонность топлив к образованию загрязнений и ухудшает эффективность их очистки. Проблема очистки в топливной системе современных летательных аппаратов приобрела особую актуальность в связи с ужесточением требований безопасности. Порядка 80% поломок в различного рода механизмах, где имеется пневмо- или шдро- оборудование, связаны с чистотой рабочего тела.

Несмотря на широкое использование фильтров в авиационной технике, в настоящее время отсутствует комплексное исследование проблем проектирования, разработки и доводки фильтров в целом и перспективных фильтров объемной очистки, в частности. Это связано прежде всего со сложным характером физических процессов, протекающих в современных высоконапорных фильтрах тонкой очистки. Все разработки фильтроэлементов с объемным принципом фильтрации основаны лишь на экспериментальной отработке и не имеют теоретического описания. Решение вопросов улучшения качества проектных работ, сокращения сроков разработки новых типов и конструкций фильтров с характеристиками, удовлетворяющими растущим требованиям со стороны электрогадравлической системы управления JIA, сдерживается, так как теория, методы проектирования и расчета современных гидромеханических устройств очистки и подготовки рабочей жидкости не приобрели еще законченного научного и инженерного уровня.

Работа выполняется в соответствии с планом исследования по НИР УГАТУ с ОАО «УАП «Гидравлика» № АД-ПГ0710ХГ от 01 сентября 2010 г. на тему «Разработка компонентов новой методологии создания систем объемной фильтрации и фильтров летательных аппаратов». Основаниями для выполнения работы является Государственный контракт № 8411.1003800.18.384 от 03 декабря 2008 года на выполнение НИР: «Исследования по обеспечению надёжности и безотказности работы бортового оборудования и агрегатов отечественных пассажирских и транспортных летательных аппаратов, находящихся в эксплуатации, и направлений развития и совершенствования бортовых систем для их использования в перспективных проектах», выполняемый в рамках федеральной целевой программы: «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года» и НИР по теме:

«Разработка фильтров тонкой очистки с фильтроэлементами из материалов объёмной и поверхностной фильтрации» с ФГУП «НИИСУ».

Цель диссертации - создание методики моделирования течений жидкости в фильтроэлементе с объемным принципом фильтрации.

Задачи работы. Для достижения цели решаются следующие основные задачи:

- провести анализ загрязнений в гидравлических системах летательных аппаратов, выявить их состав и обосновать необходимость исследования фильтроэлементов с объемной фильтрацией жидкости;

- разработать методику компьютерного моделирования течения жидкости с введением характерных фильтровальных объемных структур;

- выполнить анализ результатов расчета течения жидкости и верификацию моделей фильтроэлементов и систем фильтрации с учетом экспериментальных исследований систем;

- разработать методику проектирования фильтроэлементов с объемной фильтрацией.

Объектом исследования является фильтроэлемент объемной фильтрации.

Предметом исследования является гидродинамика процесса течения жидкости в фильтроэлементе объемной фильтрации.

Методы исследований. Теоретические исследования основываются на использовании классических методов изучения гидродинамических течений. Экспериментальные исследования базируются на положениях теории измерений и планирования эксперимента. Наряду с натурным экспериментом используются численные методы исследования, что позволяет с достаточной для каждой конкретной задачи точностью выявить необходимые закономерности и сформировать инженерную методику расчета и проектирования фильтров объёмной фильтрации.

Научной новизной диссертационной работы является:

1. Численная трехмерная модель течения жидкости в фильтроэлементе с объемным принципом фильтрации, позволяющая исследовать пространственные особенности потоков с различными структурами фильтрующего материала и создавать с минимальными временными и материальными затратами фильтропакеты, соответствующие заданным требованиям.

2. Разработанная и экспериментально проверенная методика проведения физического и численного моделирования процесса течения жидкости в фильтроэлементах с верификацией результатов.

Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается корректным применением математических методов, основных законов гидродинамики для решения поставленной задачи, а так же согласованностью результатов экспериментов, полученных при натурных испытаниях фильтроэлементов объёмной фильтрации в О Ар «УАП «Гидравлика», с результатами расчетов, публикацией и апробацией

основных положений работы на международных и всероссийских научно-технических конференциях.

Практическую значимость работы обусловлена следующим:

1. Общие принципы и рекомендации по численному моделированию различных фильтрующих материалов с использованием современных пакетов вычислительной.

2. Методика определения рациональных значений параметров при проектировании фильтроэлементов с объемной фильтрацией.

3. Использования результатов работы в виде методических указаний к лабораторному практикуму «Фильтрация рабочей жидкости» по курсу «Гидроавтоматика» для студентов направления подготовки 150800 «Гидравлическая, вакуумная и компрессорная техника».

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на международных и российских конференциях: Международная научно-практическая конференция «Инженерные системы 2009» (Москва, РУДН, 2009г), XIII Международная научная конференция, посвященная 50-летию Сиб. гос. аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева, Третья всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Вакуумная и компрессорная техника и пневмоагрегаты», (Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана,2009-2010 г.), Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2009» (Москва: МГУ 2009 г), IX международная НТК «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях, машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» ИнЭрт-2010 (Ростов-на-дону, ДГТУ, 2010 г.), Международная научно-техническая конференция «Гидравлические машины, гидропневмоприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития» (Санкт-Петербург 2010 г.), Научно - технические семинары учебного научного инновационного центра «Гидропневмоавтоматика» (2007-2011 г.г.), Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения», (Уфа, УГАТУ 2008-2010гг.), Всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых (Уфа 2009-2010гт.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 20 публикациях, в том числе в 2-х статьи в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложения, изложена на 140 страницах машинописного текста, в том числе 12 таблиц, 34 рисунка, библиографический список из 79 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы научная проблема, цель, задачи исследования, научная новизна, практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту, структура и краткое содержание работ по главам.

В первой главе дается анализ состава, источников и негативных последствий загрязнений топливной и гидравлической системы летательного аппарата; классификация способов и средств очистки рабочих жидкостей гидравлических систем.

Рабочая жидкость является одним из основных элементов гидравлической системы, она в значительной степени определяет возможные рабочие параметры, ресурс и надежность работы всей гидравлической системы. Так, от 60 до 90 % отказов в гидроприводе прямо или косвенно связаны с загрязнением рабочей жидкости.

Типичный состав загрязнений гидропривода (насос, гидромотор, аппаратура управления после изготовления, испытаний и работы в помещении) с разбивкой частиц по материалам и размерным диапазонам представлена на рис. 1. Из приведенных данных следует, что около 1/3 частиц во всех диапазонах от 10 до 200 мкм составляют абразивные частицы, включающие карбиды и окислы металлов.

Исследователи фирмы "Викерс" приводят данные, что распределение мелких частиц загрязнений по массе находится примерно в следующих пропорциях: 1-5 мкм - 39 %; 5-10 мкм - 18 %; 10-20 мкм -16 %; 20-40 мкм - 18 %; 40-80 мкм - 9 %. Здесь предполагается, что средний размер частиц в любой группе составляет приблизительно 2/3 разницы между самым малым и самым большим диапазоном. Если допустить, что все частицы имеют одинаковую форму, то отношение их весов равно кубу отношений их размеров. Следовательно, наибольшее число частиц (94%) составляют частицы размерами 1-5 мкм.

Рисунок 1. Диаграмма количества загрязнений ГП в зависимости от типа загрязнения и

диаметра частиц.

Фильтры по способу удержания загрязняющих примесей делятся на поверхностные и объемные.

Поверхностные фильтры удерживают твердые частицы на поверхности фильтрующих элементов, для изготовления которых используются всевозможные сетки, а также такие материалы как ткани и бумага. Поверхностные фильтры удерживают только те частицы, линейные размеры которых превосходят размеры поровых каналов фильтрующего материала или ячеек сетки.

Объемные фильтры, имеют фильтрующие элементы значительной толщины, удерживают посторонние частицы не только на поверхности, но также и в толще фильтрующего материала. Фильтрующими материалами объемных фильтров являются картон, металлокерамика, керамика, войлок, минеральная вата и другие материалы. Аналогичными являются фильтрующие пакеты, собранные из нескольких слоев поверхностных фильтрующих материалов (например, из нескольких слоев ленточных сеток). Сравнительный анализ фильтров объёмной и поверхностной фильтрации представлен на рис. 2.

Стнимот. I м* Листа Ркпк до МЯЯ1Ы Ьттюги на

/Л» /»/ ** м />//у /// У

Рисунок 2. Сравнительный анализ фильтров объёмной и поверхностной фильтрации

В результате анализа было выявлено следующее:

- фильтрующая поверхность фильтроэлемента с объемным принципом фильтрации на 25 % больше, чем у фильтроэлемента с поверхностным принципом фильтрации, за счет более гофрированной структуры фильтроэлемента;

- грязеемкость объемного фильтроэлемента больше в 2,8 раза из-за того, что частицы загрязнения в данном случае задерживаются в глубине фильтроэлемента, а не только на поверхности как у сетчатых фильтроэлементов.

- масса объемного фильтроэлемента меньше на 25 % за счет того, что основной фильтрующий материал сделан из стекловолокна и целлюлозы, в отличии от сетчатого фильтроэлемента в котором используется металлическая проволока;

ресурс объемного фильтроэлемента больше, чем у поверхностного, в 3-6 раз за счет того, что фильтрующая поверхность и грезеемкость у него больше;

стоимость 1 м" фильтрующего материала у фильтроэлемента с объемным принципом фильтрации меньше за из-за более простой технологии изготовлении и более дешевых материалов.

Во второй главе представлена математическая модель течения жидкости в каналах объемного фильтроэлемента.

Результаты теоретических исследований различных авторов сводятся при описании скорости ламинарной фильтрации в фиктивном грунте к формулам одного и того же вида

к Р ш = —, ц И

Умножив обе части (1) на выражение -4к , получим

И

ш-р4к _ рк2Р

щ>4к

П =

И

2

..къР

(1)

(2)

IX ц-А

Это соотношение можно представить в виде

Я = С1, (3)

если ввести обозначения

(4)

ц1 А

где: р - плотность рабочей жидкости; <в- скорость фильтрации, к -проницаемость фильтрующего элемента, к- толщина фильтрующего элемента, (I - кинематическая вязкость,

В общем случае фильтрации в трёх измерениях скорость К будет определяться векторным уравнением

Р-Лс

-У—у = вягай?, (б)

ц

где

чачачи-

Составляющие и, V, со скорости фильтрации по прямоугольным осям х, у, г определяются из соотношений

рт¡кй

М

р -Лей

дх

) —

ду &

&

К процессу фильтрации жидкости в пористой среде следует применять основные уравнения движения вязкой жидкости Навье-Стокса, т.к. при течении жидкости в очень тесных каналах между частицами пористой среды силы вязкости играют очень важную и, несомненно, преобладающую роль. Уравнения описания течения несжимаемой жидкости: - уравнение Навье - Стокса

ди ди ди _ 1 др (д1 и д2и д2и

и — + и— + й>— = ---—+ у —+ —+ —5-

дх ду дг р дх (^сЬг ду дг'

ди ди до „ 1 др (Э2и д2и д2и

и-+ 1)--+ (О-= ^---±- + 1' -г + —Г + ТТ

дх ду дг р ду ду' дг~

да да да „ 1 др (д2 со д2а> д2а

и — + о— + ®— = Р.---~ + у —- + —- + ——

дх ду дг р & ^ дх~ ду дг~

(10)

• уравнение неразрывности с учетом и, V, аз из равенства

дхЦк"' дх)+ ду{^к®' ду)+дг{^к^

= 0

Обычно величины и и к считаются постоянными и уравнение (11) принимает вид

Эу^ ду) дг

= 0.

(П)

(12)

В третей главе выполнено численное моделирование

фильтрационного материла с объемным принципом фильтрации. Сложность проведения численного эксперимента заключается в необходимости описания твердотельной модели, в связи с чем рассматривается малая область фильтроэлемента. При построении твердотельной модели были принято допущение, что ячейка имеет форму шестигранника. При построении трехмерной структуры фильтрующий материал имеет сотовый вид, представленный на рисунке 3. Сам

Рисунок 3. 30 модель объемного гЬильтпозлемента

фильтрующий материал представляет собой 10 сотовых слоев, каждый из которых смещен друг относительно друга.

Расчет по предложенной во второй главе математической модели производился в программном комплексе COSMOS Flo Works. Дискретизация по пространству осуществлена построением в расчетной области сетки, состоящей из 3,6 млн. ячеек. Сетка имеет плотное расположение ячеек в наиболее интересных для изучения участках фильтрующего пакета.

5 22 . л.Ба

. 1 .-116

Ь?; о 5б

Скорость, .и/с

Рисунок 4. Распределение скоростей при прохождении жидкости фильтрующего __материала

Hi 19.7 1001? Давление, Па

Рисунок 5. Распределение давления при прохождении жидкости фильтрующего

материала

Из распределения скоростей (рис.4) следует, что скорость течения жидкости увеличивается на 0,3% при прохождении каждого из слоев фильтрующего материала. В объеме сетки поток жидкости развивает высокую скорость течения в сквозных каналах. Скорость за волокнами практически равна нулю.

На рисунке 5 распределение давления показывает, что при прохождении жидкостью каждого из слоев фильтрующего материала давление понижается. Основная часть потерь давления происходит на первых слоя фильтрующего элемента, что свидетельствует о том, что первые слои воспринимают большую часть нагрузки и подвержены большей деформации по сравнению с последующими слоями.

Проводилось моделирование фильтрационных пакетов номинальной тонкости фильтрации 5 мкм, 10 мкм и 12 мкм. Данные фильтрационные пакеты представленные на рисунке б имеют схожий состав: 2 защитные сетки, 2 фильтрующих подложки и основной фильтрующий материал. Отличие представленных пакетов непосредственно в самом фильтрующем материале.

а б в

Рисунок 7. Распределение давления при прохождении жидкости фильтрующих пакетов: а) номинальной тонкостью фильтрации 12 мкм; б) номинальной тонкостью фильтрации 10 мкм1. в) номинальной тонкостью фильтрации 5 мкм.

В результате численного моделирования пакетов фильтрующего материала тонкостью фильтрации 12 мкм, 10 мкм, 5 мкм с объемным принципом фильтрации получены следующие результаты:

- показано течение рабочей жидкости по площади фильтрующего пакета;

- построены поля давлений и скоростей при прохождению слоев фильтрующего материала.

Результаты численного моделирования позволили визуализировать течение потоков рабочей жидкости по всему объему фильтрующих пакетов с номинальной тонкостью 12 мкм., 10 мкм., 5 мкм. (рисунок 7) и построить картину распределения давления при прохождении жидкостью

Рисунок 6. Структура пакета фильтрующего материала

Скорее, а*

Рисунок 8 Распределение скорости при прохождении жидкости фильтрующих пакетов: а) номинальной тонкостью фильтрации 12 мкм; б) номинальной тонкостью фильтрации 10 мкм; в) номинальной тонкостью фильтрации 5 мкм

По результатам расчета фильтрационного пакета, состоящего из 2-х защитных сеток, 2-х фильтрующих подложек и основного фильтрующего материала, можно сделать следующие выводы: при течении поток рабочей жидкости встречает на пути местные сопротивления, и соответственно пять раз происходит падение давления за каждой из фильтровальных сеток. Перед защитной сеткой наблюдается незначительное увеличение давления, которое падает сразу за сеткой, но тут же начинает возрастать, т.к. поток жидкости подходит к фильтрационной подложке, где проходное сечение меньше. Аналогичная картина наблюдается и на основном фильтрующем материале. Основная часть потерь давления происходит на основном фильтрующем материале, т.к. он имеет наименьшее проходное сечение. Чем больше значение расхода рабочей жидкости, тем больше значение перепада давления.

Из распределения скоростей видно, что максимальная скорость достигается в сквозных каналах основного фильтрующего материала, уменьшается площадь проходного сечения и, как следствие, увеличивается скорость движения жидкости в этих участках (эффект дросселирования жидкости). Скорость за волокнами практически равна нулю. Наибольшее падение скорости наблюдается перед и за защитной сетке по причине отрыва потока рабочей жидкости с поверхности проволоки.

Четвертая глава посвящена экспериментальному подтверждению математической модели и анализу результатов расчета. Все представленные экспериментальные исследования фильтрационных пакетов проводились на базе ОАО «УАЛ «Гидравлика». Результаты исследований фильтроэлементов с различной тонкостью фильтрации и температуры рабочей жидкости приведены на рисунках 9-11.

и

—2и4-.": -

і в;:

да

3 -- 4д

Ж

Рисунок 9. Гидравлическая характеристика объемного фильтрующего пакета номинальной тонкостью фильтрации 5 мкм.

фф: і і

ІДІ

У-

і

;ц 1.x

,1-4

4Ф,

4-і.;

* ■

г:

■ і--'

!* і і ■те- -1

Рисунок 10. Гидравлическая характеристика объемного фильтрующего пакета номинальной_тонкостью фильтрации 10 мкм.__

."Те-.;-

- г /т~:

Ш

ті™

Рисунок 11 - Гидравлическая характеристика объемного фильтрующего пакета номинальной тонкостью фильтрации 12 мкм.

При сопоставлении экспериментальных данных фильтроэлементов с различной тонкостью фильтрации с результатами численного моделирования отмечено незначительное расхождение гидравлических характеристик фильтрующих пакетов (рисунки 12-14).

О,

Рисунок 12 - Сравнение результатов расчета (численного эксперимента) с результатами эксперимента Фильтрационного пакета номинальной тонкостью 5 мкм

0.07

о,ое О.О 5 0.04 О.ОЭ 0,02 0,01

Т!.....

Рисунок 13 - Сравнение результатов расчета (численного эксперимента) с результатами эксперимента фильтрадионного пакета номинальной тонкостью 10 мкм

Рисунок 14 - Сравнение результатов расчета (численного эксперимента) с результатами эксперимента фильтрационного пакета номинальной тонкостью 12 мкм

Для проверки адекватности расчетной модели на графики экспериментальных данных нанесены расчетные точки. Значения относительных погрешностей е, (т.е. отклонения расчетных данных от экспериментальных) составляют не более 10%. Данное значение погрешностей обуславливаются тем, что рассматривалась упрощенная модель конструкции фильтроэлемента.

Предложенная методика моделирования течения жидкости в фильтроэлементах с объемным принципом фильтрации представлена в виде блок-схемы на рисунке 16.

На первом этапе моделирования проводится разработка структурной и конструктивной схем, твердотельной модели для последующего численного моделирования. Подбираются начальные, граничные условия, физические параметры рабочей среды по аналитическим уравнениям.

На втором этапе проводится физическое моделирование на экспериментальном образце по методике проведения экспериментальных исследований с последующей верификацией результатов с математической моделью.

Методика содержит математическую модель течения рабочей жидкости, методику проведения численного моделирования, методику проведения физического моделирования, методику верификации результатов численного моделирования на основе результатов экспериментального исследования.

Исходные данные

Подбор фильтрующего элемента |

Подбор защитной сетки и фильтрующей полложки

Создание трехмерной модели

I

• начальные условия

• граничные условия

• физические параметры среды

^--1--

"Л

Создание сетки

Моделирование в пакете СОБМОБ РЫ/Уог!«

Л-

Разработка методики

испытания экспериментального образца

Испытания экспериментального образца

Идентификация математической модели

Верификация математической модели

Образец (КД)

Рисунок 16. Методика моделирования течения жидкости в фильтроэлементах с объемным принципом фильтрации

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1.Проведен анализ критериев и характеристик фильтроэлементов с объемным и поверхностным принципами фильтрации. Выявлено, что ресурс фильтроэлемента с объемным принципом фильтрации в 3 раза больше, грязеемкость больше в 2,8 раз и площадь фильтрующей поверхности больше на 25%, чем у фильтроэлементов с поверхностным принципом фильтрации. Произведен анализ причин отказов и уменьшения КПД агрегатов ЛА в связи с загрязненностью рабочей жидкости.

2. Проведено численное моделирование (пакет прикладных программ СОЯМОЗПо 1¥огЬ) течения однофазной жидкости в упорядоченной структуре объемного фильтроэлемента. Рассмотрены фильтрационные

фильтрующие материалы с объемным принципом фильтрации, фильтрационные пакеты с номинальной тонкостью фильтрации в 5 мкм, 10 мкм и 12мкм.

3. Проведена верификация расчета численного моделирования с учетом экспериментальных характеристик идентификационного моделирования, погрешность не превышает 10 %.

4. Разработана методика моделирования фильтроэлемента с объемным принципом фильтрации, которая рекомендуется для проектных и проверочных расчетов при проектировании.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Гарипов A.A. Исследование течения жидкости в фильтроэлементах с объемным принципом фильтрации./ Тук Д.Е., Целищев В.А.// Вестник УГАТУ: Научный журнал Уфимского авиационного технического университета / УГАТУ - Уфа: РИК УГАТУ, 2011 Т.15,№ 4 (44).С. 159-163.

2. Гарипов A.A. Особенности течения жидкости в фильтроэлементах с различными принципами фильтрации / Тук Д.Е. // Вестник УГАТУ: Научный журнал Уфимского авиационного технического университета / УГАТУ -Уфа: РИК УГАТУ, 2011 Т.16, № 4 Том 2 (46).С. 132-136

В других изданиях

2.Гарипов A.A. Течение рабочей жидкости в фильтроэлементах. Численное моделирование. /Ахметов Ю.М., Вуколов A.B., Сергеева И.А., Тук Д.Е // Инженерные системы 2009: сб. трудов Международной НПК ' Москва: РУДН, 2009. С. 79-81.

3.Гарипов A.A. Компьютерное моделирование течения рабочей жидкости в "сеточных" каналах фильтроэлементов. /Тук Д.Е.// Динамика машин и рабочих процессов: сб. трудов Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедры «Гидравлика и гидропневмосистемы» - Челябинск: ЮУрГУ, 2009. С 87-90.

4.Гарипов A.A. Сравнение гидравлических характеристик фильтроэлементов современных летательных аппаратов./Ахметов Ю.М., Сергеева И.А., Тук Д.Е.// Инновации, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства: сб. трудов Девятой международной научно-технической конференции: Ростов-на-Дону, 2010.С 645-647.

5.Гарипов A.A. Сравнение современных фильтрующих материалов современных летательных аппаратов /Тук Д.Е.// Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития: сб. трудов Международной научно-технической конференции Санкт-Петербург, 2010. С. 181-187

6.Гарипов A.A. Особенности современных фильтров. Актуальные проблемы науки и техники - 2009: Сборник научных трудов четвертой

всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых. Том 2 - Уфа: УГАТУ, 2009. С 97-101

7. Гарипов A.A. Законы фильтрадии./Тук Д.Е.// Мавлютовские чтения: сб. трудов всероссийской молодежной научной конференции. - Уфа: УГАТУ, 2009 С 45-47.

8. Гарипов A.A. Математическая модель фильтрации при ламинарном течения топлива./Тук Д.Е.// Мавлютовские чтения: Сб. трудов всероссийской молодежной научной конференции. - Уфа: УГАТУ, 2009.С 47-49.

9.Гарипов A.A. Математическая модель фильтрации при турбулентном режиме течения жидкости /Сергеева И.А., Тук Д.Е.// Авиация и космонавтика - 2009: Сб. трудов В-ой Междунаровной конференции -Москва: МАИ, 2009. С.54-56

10.Гарипов A.A. Математическая модель фильтрации. /Сергеева И.А., Тук Д.Е.//. XIII Решетневские чтения :Сб. трудов Научной конференции -Сибирский Государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева, 2009 С.249-250.

11.Гарипов А.А.Компьютерное моделирование течения рабочей жидкости в фильтроэлементах. Актуальные проблемы науки и техники: Сб.трудов 5-я всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых. Том 2 - Уфа: УГАТУ, 2010. С. 67-69

12.Гарипов A.A. Методы решения плоской задачи теории установившейся фильтрации./ Ахметов Ю.М., Зайнуллина JI.M, Тук Д.Е// Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция: сб. тр. в 5 т. Том 1/ Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа: УГАТУ, 2010.С 51-54.

13. Гарипов A.A. Исследование гидродинамических процессов течения жидкости в фильтроэлементах. /Гук Д.Е.// Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматикахб. трудов Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, Московский энергетический институт (технический университет) совместно с МГТУ им. Н.Э.Баумана - Москва: МГТУ, 2009.С 79-82.

М.Гарипов A.A. Анализ проблем сопоставимости отечественных и зарубежных стандартов, методов тестирования и контроля качества фильтрующих матерналов./Ахметов Ю.М., Вуколов A.B., Сергеева И.А., Тук Д.Е., Харисова Г.Р.// Наука-Производству: научно-технической сб. трудов выпуск 5 -Уфа: АНРБ, Гилем, 2010. С. 9-17

15.Гарипов A.A. Моделирование фильтроэлемента с объемным принципом фильтрации./ Тук Д.Е.// Наука-Производству: научно-технической сб. трудов выпуск 6 - Уфа: АН РБ, Гилем, 2011. С. 142-149.

16.Гарипов A.A. Исследование течения рабочей жидкости в «сеточных» каналах фильтроэлемента./ Тук Д.Е.//Гидропневмоавтоматика и Гидропривод - 2010:сб. научных трудов научно-технической конференции, посвященной 35-летию со дня образования кафедры гидропневмоавтоматики и гидропривода - Ковров: Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева 2010. С 205-209.

17.Гарипов A.A. Современные способы фильтрации./Тук Д.Е.// Информация, Инновации, Инвестиции: материалы межрегиональной научно-технической конференции - Уфа: БашТехИнформ 2010. С.43-44

18.Гарипов A.A. Новые методы создания перспективных систем фильтрации жидкости для систем летательных аппаратов и авиадвигателей. / Ахмадуллин Т.М., Ахметов Ю.М., Вотинцева И.А., Вуколов A.B., Тук Д.Ё., Харисова Г.Р.//Авиация и космонавтика - 2010: материалы международной конференции - Москва: МАИ, 2010. С50-52

19.Гарилов А.А.Исследование течения жидкости в фильтроэлементах с объемным принципом фильтрации./ Тук Д.Е., Целищев В.А.// «Мавлютовские чтения»: сб. трудов Российской научно-технической конференции. - Уфа: УГАТУ, 2011. С57-62.

Диссертант

Гарипов А. А.

ГАРИПОВ Артур Альбертович

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В КАНАЛАХ ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТА С ОБЪЕМНЫМ ПРИНЦИПОМ ФИЛЬТРАЦИИ

Специальность 05.04.13 - «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 15.02.2012 г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 576

ФГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12

61 12-5/3835

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования ^Уфимский государственный авиационный технический

университет^

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В КАНАЛАХ ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТА С ОБЪЕМНЫМ ПРИНЦИПОМ ФИЛЬТРАЦИИ

Специальность 05.04Л 3 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

Научный руководитель: профессор, д.т.н. Целищев В.А.

На правах рукописи

ГАРИПОВ Артур Альбертович

Уфа-2012

Оглавление

ГОИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.........................................................4

Введение ................................................................................5

1 Глава. Качественный анализ состава, источников и негативных последствий загрязнений гидравлической системы...............................................................................10

1.1. Загрязнение рабочих жидкостей гидравлических приводов.........................................................................10

1.2. Влияние загрязненности жидкости на надежность и срок службы агрегатов гидравлических систем.................................................... —....................24

1.3. Классификация способов и средств очистки рабочих жидкостей гидравлических систем...........................................................................38

1.4. Постановка задачи.................................................49

2 Глава. Математическая модель фильтрации жидкости в объемном фильтроэлементе..................................................................55

2.1. Математическое моделирование течения жидкости в каналах фильтроэлемента................................................55

2.2. Компоненты скорости.............................................59

2.3. Математическое моделирование влияния загрязняющих примесей в фильтроэлементе..........................................66

3 Компьютерное моделирование течения рабочей жидкости в фильтрующих элементах....................................................... 74

3.1. Обоснование выбора пакета .................................... 74

3.2. Компьютерное моделирование течения рабочей жидкости в фильтрующих элементах с объемным принципом фильтрации................................................................. ...79

3.3. Компьютерное моделирование течения рабочей жидкости в фильтрующих пакетах с объемным принципом фильтрации......................................................................92

4 Экспериментальное исследование фильтрующих пакетов...........................................................................104

4.1. Экспериментальное исследование фильтрующего пакета номинальной тонкостью фильтрации 5 мкм...................................105

4.2. Экспериментальное исследование фильтрующего пакета номинальной тонкостью фильтрации 10 мкм....................112

4.3. Экспериментальное исследование фильтрующего пакета номинальной тонкостью фильтрации 12 мкм....................116

4.4. Верификация экспериментальных данных....................120

4.5. Методика проектирования фильтроэлемента с объемным принципом фильтрации ................................................ 122

Результаты и выводы................................................................ 142

Список использованной литературы............................................143

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АД - авиационный двигатель;

ГТД - газотурбинный двигатель,

ДД - датчики давления;

ДЛА - двигатель летательного аппарата;

ДР - датчики расхода;

ДУ - двигательная установка;

ИГ - масла индустриальные гидравлические;

КД - регулируемый дроссель;

КП - переливной клапан;

КПД - клапан постоянного давления;

ЛА - летательный аппарат;

МГ - масло гидравлическое;

НИР - научно-исследовательская работа;

ПК - преднагрузочный клапан;

ПО - программное обеспечение.

ППП - пакет прикладных программ;

Р - распределители;

РК - распределительный клапан;

РО - рабочий орган;

Введение

Актуальность темы работы

Одной из важнейших систем жизнеобеспечения летательного аппарата является система фильтрации гидравлических систем самолета (топливных и масленых систем). Эксплуатация самолётов на больших высотах и с высокими скоростями полётов приводит к периодическому охлаждению и нагреву топлив, что интенсифицирует процессы загрязнения топлив. Увеличение ресурсов авиационных двигателей, использование авиационных топлив с применением различных поверхностно-активных присадок увеличивает склонность топлив к образованию загрязнений и ухудшает эффективность их очистки. Проблема очистки в топливной системе современных летательных аппаратов приобрела особую актуальность в связи с ужесточением требований безопасности. Порядка 80% поломок в различного рода механизмах, где имеется пневмо- или гидрооборудование, связаны с чистотой рабочего тела.

Несмотря на широкое использование фильтров в авиационной технике, в настоящее время отсутствует комплексное исследование проблем проектирования, разработки и доводки фильтров в целом и перспективных фильтров объемной очистки, в частности. Это связано, прежде всего, со сложным характером физических процессов, протекающих в современных высоконапорных фильтрах тонкой очистки. Все разработки фильтроэлементов с объемным принципом фильтрации основаны лишь на экспериментальной отработке и не имеют теоретического описания. Решение вопросов улучшения качества проектных работ, сокращения сроков разработки новых типов и конструкций фильтров с характеристиками, удовлетворяющими растущим требованиям со стороны электрогидравлической системы управления ЛА, сдерживается, так как теория, методы проектирования и расчета современных гидромеханических

устройств очистки и подготовки рабочей жидкости не приобрели еще законченного научного и инженерного уровня.

Работа выполнена в соответствии с планом исследования по НИР УГАТУ с ОАО «УАП «Гидравлика» № АД-ПГ0710ХГ от 01 сентября 2010 г. на тему «Разработка компонентов новой методологии создания систем объемной фильтрации и фильтров летательных аппаратов». Основаниями для выполнения работы является Государственный контракт № 8411.1003800.18.384 от 03 декабря 2008 года на выполнение НИР: «Исследования по обеспечению надёжности и безотказности работы бортового оборудования и агрегатов отечественных пассажирских и транспортных летательных аппаратов, находящихся в эксплуатации, и направлений. развития и совершенствования бортовых систем для их использования в перспективных проектах», выполняемый в рамках Федеральной целевой программы: «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года» и НИР по теме: «Разработка фильтров тонкой очистки с фильтроэлементами из материалов объёмной и поверхностной фильтрации» с ФГУП «НИИСУ».

Цель диссертации создание методики моделирования течений жидкости в фильтроэлементе с объемным принципом фильтрации.

Задачи работы. Для достижения цели решаются следующие основные задачи:

- провести анализ загрязнений в гидравлических системах летательных аппаратов, выявить их состав и обосновать необходимость исследования фильтроэлементов с объемной фильтрацией жидкости;

- разработать методику компьютерного моделирования течения жидкости с введением характерных фильтровальных объемных структур;

- выполнить анализ результатов расчета течения жидкости и верификацию моделей фильтроэлементов и систем фильтрации с учетом экспериментальных исследований систем;

разработать методику проектирования фильтроэлементов с объемной фильтрацией.

Объектом исследования является фильтроэлемент объемной фильтрации.

Предметом исследования является гидродинамика процесса течения жидкости в фильтроэлементе объемной фильтрации.

Методы исследований. Теоретические исследования основываются на использовании классических методов изучения гидродинамических течений. Экспериментальные исследования базируются на положениях теории измерений и планирования эксперимента. Наряду с натурным экспериментом используются численные методы исследования, что позволяет с достаточной для каждой конкретной задачи точностью выявить необходимые закономерности и сформировать инженерную методику расчета и проектирования фильтров объёмной фильтрации.

Научной новизной диссертационной работы является:

1. Численная трехмерная модель течения жидкости в фильтроэлементе с объемным принципом фильтрации, позволяющая исследовать пространственные особенности потоков с различными структурами фильтрующего материала и создавать с минимальными временными и материальными затратами фильтропакеты, соответствующие заданным требованиям.

2. Разработанная и экспериментально проверенная методика проведения физического и численного моделирования процесса течения жидкости в фильтроэлементах с верификацией результатов.

Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается корректным применением математических методов, основных законов гидродинамики для решения поставленной задачи, а также согласованностью результатов экспериментов, полученных при натурных испытаниях фильтроэлементов объёмной фильтрации в ОАО «УАП

7

«Гидравлика», с результатами расчетов, публикаций и апробаций основных положений работы на международных и всероссийских научно-технических конференциях.

Практическая значимость работы включает:

1. Общие принципы и рекомендации по численному моделированию различных фильтрующих материалов с использованием современных пакетов вычислительной техники.

2. Методику определения рациональных значений параметров при проектировании фильтроэлементов с объемной фильтрацией.

3. Использование результатов работы в виде методических указаний к лабораторному практикуму «Фильтрация рабочей жидкости» по курсу «Гидроавтоматика» для студентов направления подготовки 150800 «Гидравлическая, вакуумная и компрессорная техника».

Апробация работы. Основные положения диссертации представлены на международных и российских конференциях: Международная научно-практическая конференция «Инженерные системы - 2009» (Москва, РУДН, 2009 г.), XIII Международная научная конференция, посвященная 50-летию Сиб. гос. аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева, III Всероссийская молодежная научно-практическая

конференция «Вакуумная и компрессорная техника и пневмоагрегаты», (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009-2010 гг.), Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2009» (Москва: МГУ 2009 г.), IX Международная НТК «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях, машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» ИнЭрт-2010 (Ростов-на-дону, ДГТУ, 2010 г.), Международная научно-техническая конференция «Гидравлические машины, гидропневмоприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития» (Санкт-Петербург, 2010 г.), Научно-технические семинары учебного научного инновационного центра

8

«Гидропневмоавтоматика» (Уфа, 2007-2011 гг.), Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения», (Уфа, УГАТУ, 2008-2010 гг.), Всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2009-2010 гг.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 21 публикациях, в том числе в 2-х статях в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложения, изложена на 140 страницах машинописного текста, в том числе 14 таблиц, 74 рисунка, библиографический список из 79 наименований.

Глава 1. Качественный анализ состава, источников и негативных последствий загрязнений гидравлической системы

1.1 Загрязнения рабочих жидкостей гидравлических приводов

Жидкость выполняет в гидросистеме важные и многосторонние функции. В гидроприводе и гидропередаче жидкость в основном выполняет функции рабочего тела гидравлического исполнительного механизма, вспомогательных, измеряющих и управляющих устройств, поэтому ее называют рабочей жидкостью. Кроме того, рабочая жидкость является смазочным и охлаждающим агентом пар трения, средой, удаляющей из пар трения продукты изнашивания и обеспечивающей при длительной эксплуатации защиту деталей от коррозии.

В других типах гидросистем жидкости выполняют также основную функцию, но не являются рабочим телом. В системах смазки их называют маслами, в системах охлаждения - охлаждающими или смазочно-охлаждающими (СОЖ) жидкостями, в гидроприводах тормозов -тормозными жидкостями. Комплекс физико-химических свойств рабочей жидкости должен наилучшим образом обеспечивать ее основную и дополнительные функции.

Единой системы, классификации и обозначения рабочих жидкостей не существует. Распространено обозначение рабочих жидкостей по области применения. Чаще их называют маслами гидравлическими, вводя в обозначение буквы МГ с дополнительным уточнением назначения: для гидросистем общепромышленного назначения - масла индустриальные гидравлические (ИГ), для авиационной техники - AMT, для мобильных объектов - МГЕ, ВМГЗ.

Рабочая жидкость является одним из главных конструктивных элементов гидравлической системы, она в значительной степени определяет возможные рабочие параметры, ресурс и надежность работы всей

10

гидравлической системы в целом. Так, от 60 до 90 % отказов в гидроприводе прямо или косвенно связаны с загрязнением рабочей жидкости [8, 5]. Для того чтобы решать проблемы, связанные с рациональным выбором и эксплуатацией рабочих жидкостей, необходимо в совокупности рассматривать целый ряд вопросов, таких как: требования, предъявляемые к рабочим жидкостям, чистоту рабочих жидкостей, а значит, способы и средства очистки жидкостей.

Под чистотой гидросистемы понимают комплекс критериев, характеризующих состояние загрязненности рабочей жидкости и внутренних полостей гидроагрегатов по сравнению с некоторым эталоном, устанавливающим начало отсчета отклонений от него. Загрязнениями рабочей жидкости является совокупность присутствующих в ней газов, инородных жидкостей, твердых (механических) частиц и микроорганизмов. Если считать загрязнениями рабочей жидкости все присутствующие в ней, помимо основного состава, компоненты, необходимо подразделять их на полезные и вредные. К полезным следует отнести некоторые продукты окисления масел, действующие аналогично антикоррозионным и антиокислительным присадкам, а также содержание 1-^1,5% (по объему) кислорода. При меньшем количестве кислорода происходит схватывание поверхностей при трении; увеличение концентрации кислорода (при нормальных условиях его содержание 4-^5 %) сверх 2 % повышает износ [20]. К загрязнениям необходимо относить только те компоненты, которые оказывают отрицательное воздействие на работоспособность системы.

Загрязнения можно разделить на две группы: органические и неорганические. Неорганические загрязнения - это пыль, частицы износа поверхностей трения и другие механические загрязнения, органические загрязнения состоят в основном из продуктов термического разложения, окисления и полимеризации масла, эти загрязнения образуются в жидкости вследствие изменения физико-химических свойств масла.

Проблема чистоты гидросистем возникла с необходимостью повышения давления, ресурса и надежности гидросистем, в частности, для систем автоматики и летательных аппаратов. Многочисленными исследованиями установлено, что главной причиной отказов и неисправностей являлись загрязнения рабочей жидкости и недостаточная чистота внутренних полостей гидроэлементов.

Загрязненность рабочей жидкости твердыми частицами вызывает в гидроэлементах следующие явления:

- интенсивное абразивное изнашивание пар трения (главным образом, распределителей и поршней насосов), вследствие проникновения в зазоры твердых частиц с потоком жидкости;

- защемление плунжеров и клапанов в аппаратуре управления после сброса высокого давления, вследствие заклинивания частиц при деформации втулок;

- гидроабразивное изнашивание кромок золотников, клапанов и дросселей в результате "бомбардировки" их частицами со скоростью сотни метров в секунду при больших перепадах давления; в таких потоках частицы загрязнений усиливают кавитационные явления;

- возрастание усилий на перемещение золотников и клапанов, вследствие попадания частиц в зазоры; в связи с этим приходится применять электромагниты с большим тяговым усилием;

- засорение фильтров, уменьшение проходных сечений щелей в золотниковых и дроссельных элементах, вызывающее нестабильную работу гидродвигателей при малых скоростях движения.

На надежность работы элементов гидросистемы в первую очередь влияет гранулометрический состав загрязнений с числом частиц № в определенных интервалах их размеров.

ГОСТ 17216-71 устанавливает 19 классов чистоты жидкостей,

каждому из которых соответствует определенное количество частиц № в

12

объеме 100 мл жидкости для интервалов размеров частиц, мкм: 0,5-1; 1-2; 2-5; 5-10; 10-25; 5-50; 50-100; 100-200. Практически контроль возможен для от 5-10 до 100-200 мкм. Отдельно определяют число волокон в каждой пробе. Каждый последующий класс отличается от предыдущего удвоением числа частиц в интервалах.