Методика моделирования течения жидкости в каналах фильтроэлемента с объемным принципом фильтрации

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 пневмоили 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 № 8411.1 003 800.18.384 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 системразработать 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 150 800 «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.

1. Агафонов И. П. Исследование центробежных масляных фильтров тракторных двигателей. — Транспортное и сельскохозяйственное машиностроение, 1963, № 5, с.8−10.

2. Адамович A.B., Григорьев М. А., Лебедев С. А. Центробежные фильтры для очистки масла в автомобилях. Автомобильная промышленность, 1955, № 8, с.3−9.

3. Аксенов А. Ф., Литвинов A.A. Применение авиационных технических жидкостей. М.: Транспорт, 1974. — 156 с.

4. Альтшуль А. Д., Краснов Н. С. К расчету влияния загрязнения на гидравлическое сопротивление сеток с квадратными ячейками.

5. Алямовский A.A. и др. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике / Алямовский A.A., Собачкин A.A., Обинцов Е. В., Харитонович А. И., Пономарев Н. Б. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 800 с.

6. Барыше в В. И. Диагностика гидропривода: Учебное пособие. -Челябинск: Изд-во ЮУрГу, 2000. 93 с.

7. Барышев В. И. Надежность и диагностика гидропривода: Учебное пособие. Челябинск: Изд-во ЮУрГу, 2003. — 154 с.

8. Башта Т. М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. М.: Машиностроение, 1982. -423 с.

9. Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. М.: Машиностроение, 1971.-672 с.

10. Башта Т. М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем: Учебник для вузов М.: Машиностроение, 1974. — 606 с.

11. Белянин П. Н., Черненко Ж. С. Авиационные фильтры и очистители гидравлических систем. М.: Машиностроение, 1964. — 295 с.

12. Брай И. В., Кудинов Ю. А., Белявский И. Ю. Фильтры тонкой очистки дизельного топлива М.: Машиностроение, 1963. — 312 с.

13. Волков A.B., Перелыптейн Б. В. Расчет пропускной способности дизельных фильтров. Двигателестроение, 1982, № 3,с.24−26.

14. Газизов, Р. К., Лукащук, С. Ю., Соловьев, А. А. Основы компьютерного моделирования технических систем: учеб. пособиеУфа: УГАТУ, 2008. 143 с.

15. Грановский В. А., Сирая Т. Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат, 1990. — 288 с.

16. Григорьев И. А., Усанов Ю. А. Оптимизация тонкости отсева полнопоточных масляных фильтров автомобильных двигателей. Двигателестроение, 1982, № 2, с.48−50.

17. Григорьев М. А. Очистка масла в двигателях внутреннего сгорания. -М.: Машиностроение, 1983. 147с.

18. Григорьев М. А. Очистка масла. -М.: Машиностроение, 1981. 178 с.

19. Григорьев М. А. Очистка масла и топлив в автотракторных двигателях. М.: Машиностроение, 1970. — 270 с.

20. Григорьев М. А. Очистка масла и топлива в автотракторных двигателях. М.: Машиностроение, 170 с.

21. Григорьев М. А., Соколов Б. В. Обоснование выбора систем очистки масла для автомобильных двигателей. Труды /Центр.научно-исслед. автомобильный и авторемонтный ин-т.-М., 1969, вып.119, с.83−99.

22. Григорьев М. А., Соколов В. В. Исследование закономерностей процессов очистки масла в автомобильных двигателях. Труды/Центр.научно-исслед. автомобильный и автомоторн. ин-т,—М., 1969, вьш. Пб, с.100−110.

23. Дьяков P.A., Левкин Г. М., Фисун Ю. Н. Совершенствование систем очистки воздуха, масла и топлива в дизелях.- Двигатели внутреннего сгорания г-М.: НИИинформтяжиаш, 1982, 4−82−32. 40с.

24. Дьяков P.A., Шкаренко В. А., Перелыптейн Б. В. Испытания новых фильтроматериалов для тонкой очистки топлива. Двигателестроение, 1981, № 1, с.52−53.

25. Ентов В. М. Теория фильтрации. СОЖ, 1998, № 2. — 121−128 с.

26. Жужиков A.B. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. М.: Госхимиздат, 1961; 304 с.

27. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. — 559 с.

28. Каверзин C.B. Курсовое и дипломное проектирование по гидроприводу самоходных машин: Учеб. пособие. Красноярск: ПИК «Офсет», 1997. -384 с.

29. Кича Т. П. Перспективы развития систем и агрегатов тонкой очистки масла среднеоборотных и быстроходных дизелей. -Двигателестроение, 1979, № 7, с.39−42.

30. Кича Г. П. Полнопоточная тонкая очистка масла в судовых дизелях. -Техническая эксплуатация флота, — М.: ЦЕНТИ Министерства морского флота, 1978, № 4. 38с.

31. Кича Г. П. Результаты эксплуатационных испытаний полнопоточный фильтров тонкой очистки масла в судовых вспомогательных двигателях. -Двигателестроение, 1980, № 9, с.47−50.

32. Кича Г. П., Кича П. П. Теоретическое исследование процесса загрязнения масла в ДВС с комбированными системами очистки.-Двигателестроение, 1980, № 12, с.23−27.

33. Кича Г. П., Полоротов С П. Исследование влияния скорости фильтрации на эффективность полнопоточной тонкой очистки масла в дизелях. Двигателестроение, 1981, № 7, с.45−48.

34. Коваленко В. П., Ильинский A.A. Основы техники очистки жидкостей от механических повреждений. М.: Транспорт, 1981. — 199 с.

35. Кондаков JI.A. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем. М.: Машиностроение, 1982. — 216 с.

36. Коновалов В. М., Скрицкий В. Я., Рокшевский В. А. Очистка рабочих жидкостей в гидроприводах станков. М.: Машиностроение, 1976. — 266 с.

37. Кузьмин Ю. М. Сетчатые установки в водоочистных сооружениях. М.-JL: Стройиздат, 1966, — 177с.

38. Кузьмин Ю. М. Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления сетчатых фильтров. ТрудыМоск. ВШСТО санит. техн. и гор. хозяйства, 1968, №.14, с.14−18.

39. Кутателадзе С. С. «Анализ подобия и физические модели» / Кутателадзе С.С.- Акад. наук СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т теплофизики. Новосибирск: Наука, 1986. — 295с.: ил. — Библиогр. в конце глав.

40. Лейбензон Л. С., Движение жидкостей и газов в пористой среде Москва. Ленинград: Государственное издательство Технико-теоретической литературы, 1947. 242 с.

41. Лилаев Б. Ф., Небольсин Т. П., Нелюбов В. А. Стационарные и переходные процессы в сложных гидросистемах. Л.: Машиностроение, 1978. — 192с.

42. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. — 847с.

43. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа: учеб. Для вузов. 7-е изд., исп. — М.: Дрофа, 2003. — 840 с.

44. Лышевский А. С, Остапенко A.B. Исследование работы сетчатых дисковых фильтров грубой очистки масла. Двигатели внутреннего сгорания. — М.: НИИиформтяжмаш, 1973, с.31−35.

45. Лышевский А. С, Остапенко A.B. Определение сопротивления.

46. Машиностроительный гидропривод. Под ред. Прокофьева. М.: Машиностроение, 1978. -495 с.

47. Морозов Г. А. Очистка масел в дизелях. Л.: Машиностроение, 1971. -192 с.

48. Маев В. Е., Бродский Г. С. Проблемы качества фильтрующих элементов, производимых в России. «Стандарты и качество», 1999. С. 80−84.

49. Мосихин Е. П., Рыбаков К. Б. Некоторые закономерностипроцесса загрязнения масла в двигателях. Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства, 1963, № 4,с.30−32.

50. Насыров P.A. Повышение надежности работы поршней тепловозных дизелей, ГЛ.: Транспорт, 1977. — 211с.

51. Никитин Г. А., Чирков C.B. Влияние загрязненности на надежность работы гидросистем летательных аппаратов. М.: Транспорт, 1969. — 179 с.

52. Никитин Г. А., Чирков C.B. Влияние загрязненности на надежность работы гидросистем летательных аппаратов. М.: Транспорт, 1969. 179 с.

53. Никифоров O.A. Повышение эффективности масляных систем судовых быстроходных дизелей. Л.: Судостроение, 1970.-210с.

54. Остапенко A.B. Исследование процессов движения топлива масел через фильтры с сетчатыми и щелевыми фильтрующими элементами: Дисс. канд.техн.наук.- Новочеркасск, 1973. 210с.

55. Полоротов СП., Кича Г. П. Выбор оптимальных полнопоточных фильтров тонкой очистки масла. Двигатели внутреннего сгорания,-М.: НИИинформтяжмаш, 1982, 4−82−16, с. 10−14.

56. Роганов С. Г., Шутков Е. А, Расчет конструктивных параметров сетчатых фильтров масла и топлива. Двигателестроение, 1983, № 5, с.14−16.

57. Русак A.M. Фильтрация рабочих жидкостей гидросистем: Методические указания. Уфа: изд. УГАТУ им. Серго Орджоникидзе, 2004. -29 с.

58. Рыбаков К. В. Фильтрация авиационных топлив. М.: Транспорт 1973.-161 с.

59. Рыбаков К. В. Фильтрация авиационных топлив. -М.: Транспорт, 1977.-164 с.

60. Рыбаков К. В. и др. Авиационные фильтры для топлив, масел, гидравлических жидкостей и воздуха / Рыбаков К. В., Дмитриев Ю. И., Поляков A.C. М.: Машиностроение, 1982. — 103 с.

61. Рыбаков К. В., Коваленко В. П. Фильтрация авиационных масел и специальных жидкостей. М.: Транспорт, 1977. — 192 с.

62. Сапожников В. М. Монтаж и испытания гидравлических и пневматических систем летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1979. -256 с.

63. Свешников В. К., Усов A.A. Станочные гидроприводы: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1988. — 512 с.

64. Скрицкий В. Я., Рокшевский В. А. Очистка рабочих жидкости в гидроприводах. М.: Машиностроение, 1996. — 288с.

65. Сырицын Т. А. Надежность гидрои пневмопривода. М.: Машиностроение, 1981. — 216 е., — (Межизд. сер. «Надежность и качество»).

66. Теоретические основы химмотологии. Под ред. Браткова A.A. М.: Химия, 1985.-320 с.

67. Тимиркеев Р. Г., Сапожников В. М. Промышленная чистота и тонкая фильтрация рабочих жидкостей летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1986. -152 с.

68. Труды / Моск.инж." строит. ин-т, 1968, Вып.2, № 55, с.58−65.

69. Турчак E.B. Особенности фильтрации масла с присадкамив двигателях ДЮО, — Тепловозные и судовые двигатели.-М.: Машгиз, 1962, вып. З, с.268−277.

70. Ханжонков В. И. Сопротивление сеток. Промышленная аэродинамика. -М.: БИТ, ИКАП, 1944, вып. 2, с. 14−17.

71. Хованский О. М. О течении вязких жидкостей через фильтрационные сетки.- Изв. АН СССР отделение технических наук, 1958,№ 4, с.81−82.

72. Холин K.M., Никитин О. Ф. Основы гидравлики и объемные гидроприводы: Учебник для учащихся средних спец. учеб. заведений. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1989. — 264 с.

73. Идельчик И. Е., Штейнберг М. Е. К вопросу о методах расчета распределения потока вдоль каналов с путевым расходом. Теоретические основы химической технологии, 1972, № 4,с.603−610.

74. Цилиндрической щелевой фильтрующей перегородки и допустимой скорости течения жидкости в фильтрах. Труды/Новочеркасский политехнич. ин-т, 1973, т.275, с. 103−116.

75. Черненко Ж. С. Расчет фильтров гидросистем. Киев: КИГВФ, 1960. 20 с.

76. Чупраков Ю. И. Гидропривод и средства гидроавтоматики. М.: Машиностроение, 1979. -232 с.

77. Чертов А. Г. Единицы физических величин. М., Высшая школа, 1977. -287 с.