EFFECT OF INCLUSION ANGLE ON PRESSURE LOSS IN FLEXIBLE PIPE

УДК:631.358: 633.511

Аннотация

Важное практическое значение имеет процесс транспортировки хлопка из аппаратов современных хлопкоуборочных машин в бункер с помощью относительно простой пневмотранспортной системы, а также обоснование рациональной конструкции и оптимальных параметров ее трубопроводов. Статья посвящена исследованию процесса движения воздушного потока через гофрированную трубу при помощи центробежного вентилятора, работающего при низком давлении. Благодаря сравнительно малому аэродинамическому сопротивлению такие трубы обладают высокой гибкостью и удобны для применения в конструкции хлопкоуборочной машины. В программном обеспечении ANSYS Fluent были выполнены аэродинамические расчеты значений скорости воздушного потока, давления и мощности, необходимых для обеспечения требуемого расхода воздуха в трубе диаметром 180 мм и длиной 1500 мм при изменении положения оси симметрии относительно вертикали от 0° до 90°. Экспериментальные исследования проводились на специальном стенде, оснащенном центробежным вентилятором и гофрированной трубой. При сравнении результатов аналитических расчетов, численного моделирования и экспериментальных данных было установлено, что максимальное расхождение между всеми тремя методами не превышало 14,7 %, что свидетельствует о достаточной достоверности полученных результатов.

Abstract

The process of transporting cotton from the picking units of modern cotton harvesting machines to the storage hopper using a relatively simple pneumatic conveying system is of great practical importance, as well as the justification of the rational design and optimal parameters of its pipelines. This article is devoted to the study of airflow characteristics through a corrugated pipe, which serves as the working medium, through a corrugated pipe by means of a low-pressure centrifugal fan. Due to their relatively low aerodynamic resistance, such pipes possess high flexibility and are convenient for use in the design of cotton harvesting machines. Aerodynamic calculations of air velocity, pressure, and power required to ensure the necessary airflow rate in a pipe with a diameter of 180 mm and a length of 1500 mm were performed using ANSYS Fluent while changing the position of the symmetry axis relative to the vertical from 0° to 90°. Experimental studies were carried out on a specially designed test stand equipped with a centrifugal fan and a corrugated pipe. A comparison of analytical calculations, numerical simulations, and experimental data showed that the maximum discrepancy among all three methods did not exceed 14.7%, confirming the reliability of the obtained research results.

Ключевые слова: хлопкоуборочная машина, пневмотранспортная система, гофрированная труба, потеря давления, ANSYS Fluent, угол наклона.

Keywords: cotton harvester, pneumatic transport system, corrugated pipe, pressure loss, ANSYS Fluent, inclination angle.

Введение

Пневмотранспортная система на хлопкоуборочных машинах играет важную роль в эффективном и качественном сборе хлопка. Конструкция и параметры трансмиссионных трубопроводов системы определяют стабильность воздушного потока и энергопотребление. Известно, что пневмотранспортная система на хлопкоуборочных машинах выполняет функцию передачи собранного в аппаратах урожая хлопка в бункер.

В хлопкоуборочных машинах применяются различные схемы пневмотранспортных систем. Их конструктивные особенности оказывают существенное влияние на энергопотребление и качество транспортирования хлопка.

Использование гофрированных полиэтиленовых труб снижает повреждаемость семян и упрощает монтаж системы, что делает их перспективными для применения в хлопкоуборочных машинах.

Постановка задачи

На хлопкоуборочных машинах МХ-1,8 ГВ и МХ-2,4 были установлены гофрированные трубы диаметром 180 мм, прошедшие государственные испытания [1; 3; 4]. Использование данной трубы в пневмотранспортной системе хлопкоуборочной машины требует исследования аэродинамических характеристик воздушного потока, включая распределение давления и скорости.

Рисунок 1. Гофрированная труба

Диаметр и форма трубы являются основными параметрами при обеспечении заданного расхода воздуха. Таким образом, целью нашего исследования было определение рациональных параметров гофрированной трубы с помощью аналитических расчетов, численного моделирования в программе ANSYS Fluent и экспериментальных исследований.

Материалы и методы

В исследовании использованы аналитические расчеты, компьютерное моделирование в программе ANSYS Fluent и экспериментальные исследования. Аналитический метод применялся для определения потерь давления и энергопотребления в гофрированной трубе. Численное моделирование позволило оценить распределение давления и скорости воздушного потока при различных углах наклона трубы. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном стенде с использованием центробежного вентилятора низкого давления.

Результаты и обсуждение

Потери давления в трубопроводе определялись с учетом сопротивления трения и местных сопротивлений, возникающих при изменении направления движения воздушного потока [7; 8; 12; 13].

Для исследуемых условий число Рейнольдса составило Re = 213626, что соответствует турбулентному режиму течения. На трубопроводах передачи, применяемых в системе воздушного транспорта хлопкоуборочных машин МХ-1,8 и МХ-2,4 [14; 4; 5], установлены гофрированные трубы диаметром 180 мм.

В турбулентном потоке формула Дарси-Вейсбаха используется для определения потерь давления [7; 9; 11]:

                                                                     (1)

где: ΔP — потеря давления (Па); f_D — коэффициент трения Дарси-Вейсбаха; ρ-плотность жидкости или газа (кг/м³); L — длина трубы (м); V — скорость воздуха (м/с) и D — внутренний диаметр трубы (м).

Расчеты показали, что потери давления составляют 32,02 Па, а необходимая мощность воздушного потока — 14,67 Вт.

Для оценки влияния геометрии трубопровода были рассмотрены углы наклона 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° и 90° относительно вертикального положения.

Рассчитываем потери давления на прямом участке трубы по формуле (1): ΔP_{вертикал}=16,03 Па. Потребляемая мощность на этом участке трубы рассчитывается:  A_{вертикал}=7,34 Вт

Потери давления из-за изгиба рассчитываются по формуле (2) [2]:      

                                                               (2)

где K — коэффициент местного сопротивления, зависящий от угла изгиба, формы и радиуса трубы [2].

                                                                 (3)

где: ρ — плотность жидкости или газа (кг/м³); g — ускорение свободного падения (g=9,81 м/с²); h — разница высот по вертикали (м).

Если труба находится под углом 𝜃 относительно вертикали, высота для изогнутого участка рассчитывается как:

                                                                   (4)

где 𝐿 — длина изогнутого участка трубы (0,75 м). С помощью расчетных формул (2), (3) и (4) были рассчитаны потери давления при изгибе трубы относительно вертикальной оси, а результаты суммировались с потерями давления на вертикально крутом участке трубы, рассчитанными по формуле (1). Полученные значения суммарных потерь давления (ΔP) приведены в таблице 1.

Таблица 1. Расчеты влияния угла наклона симметрии трубы относительно вертикали по отношению к потери давления воздуха

Таблица 2. Влияние угла наклона на энергопотребление трубопроводом

Расчеты потерь давления и энергопотребления по результатам моделирования ANSYS Fluent

В приведенных выше теоретических расчетах с помощью программы ANSYS Fluent выборочные значения, то есть таковые, когда с помощью гофры диаметром 180 мм и общей длиной 1500 мм пропускали воздух через дно трубы со скоростью 18 м/с и определяли потери давления. Также в программе ANSYS Fluent получены значения при углах наклона 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° и 90°.

Таблица 3. Расчеты влияния угла наклона на потери давления и энергопотребление трубопровода (по данным ANSYS Fluent)

Из данной таблицы видно, что в зависимости от угла наклона трубы увеличивается как давление, так и энергопотребление.

Экспериментальное исследование

Экспериментальные исследования проводились на лабораторном стенде с использованием гофрированной трубы диаметром 180 мм и центробежного вентилятора низкого давления. Потери давления измерялись термоанемометром Kanomax Anemomaster 6112 [10] при углах наклона трубы от 0° до 90°. Техническая погрешность измерения скорости воздушного потока прибора составляла ±2 % от показаний ±0,015 м/с. Для каждого угла наклона экспериментальные измерения проводились три раза, после чего определялись средние значения измеряемых параметров, использованные для дальнейшего сравнения с аналитическими расчётами и результатами численного моделирования в ANSYS Fluent.

Таблица 4. Экспериментальные данные по изучению влияния угла наклона на потерю давления и энергопотребление в трубопроводе

Экспериментальные данные подтверждают результаты аналитических расчетов и компьютерного моделирования.

Результаты проведенного исследования были обобщены с помощью гистограмм на рисунке 4.

В рамках исследования влияние угла наклона на потери давления и потребление мощности изучалось экспериментальными, аналитическими и компьютерными методами моделирования (ANSYS Fluent). Сравнение аналитических расчетов, компьютерного моделирования и экспериментальных данных показало их хорошую сходимость. Максимальное расхождение между результатами не превышало 14,7 %.

Заключение

Результаты аналитических расчетов, моделирования в ANSYS Fluent и экспериментальных исследований показали хорошую сходимость. Максимальное расхождение между результатами не превышало 14,7 %.

Установлено, что увеличение угла наклона гофрированной трубы от 0° до 90° приводит к росту потерь давления до 255,2 Па и увеличению энергопотребления до 116,89 Вт.

Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и совершенствовании пневмотранспортных систем хлопкоуборочных машин с целью снижения энергетических потерь и повышения эффективности транспортировки хлопка. Следует отметить, что проведенные исследования выполнены в лабораторных условиях для гофрированной трубы диаметром 180 мм и длиной 1500 мм, поэтому перспективным направлением дальнейших исследований является изучение труб других типоразмеров и условий эксплуатации.

Список литературы:

1. Йўлдашев А.Т. Научно-технические решения пневмотранспортной системы хлопкоуборочной машины со сменными уборочными аппаратами : дис. д-ра техн. наук. — Ташкент, 2022. — 177 с.
2. Норматов М. Сравнительный анализ энергоемкости пневмотранспортных систем хлопкоуборочных машин // Проблемы механики. — 2024. — № 2. — 51–59.
3. Патент № FAP 2530. Патент на полезную модель. МИСМИ, авторы Ризаев А.A. и т.д. // Центробежный вентилятор для транспортировки хлопка на хлопкоуборочной машине. — Бюллетень №1. —2024.
4. Патент № IAP 06981 от 27.06.2022 г.  Матчанов Р.Д., и. др.  Способ передачи хлопка из приемной камеры хлопкоуборочной машины в бункер и устройство для его реализации.
5. Ризаев А., Йўлдашев А., Ашуров Н. Effect parameters of vertically spindle cotton picker machines on the mechanical damage of cotton seeds during machine harvesting // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2020. —Vol. 883(1). — Art. 012157.
6. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://uzal.uz/product/mx-18-paxta-terish-mashinasi/ (дата обращения: 12.06.2026).
7. Çengel A., Cimbala J. Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications. — McGraw-Hill Education, 2006. — 956 p.
8. Hagen G. Ueber Die Bewegung des Wassers in engen cylindrischen Röhren // Annalen der Physik und Chemie. — 1839. — Vol. 124 (11). — Pp. 1–47.
9. Idelchik I.E. Handbook of Hydraulic Resistance (3rd ed.). — CRC Press, 2003.
10. Kanomax Anemomaster Model 6112 [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.giangarloscientific.com/environmental/kanomax/6112.html (дата обращения: 12.06.2026).
11. Miller D.S. Internal Flow Systems (2nd ed.). — Gulf Publishing Company, 1990. — 650 p.
12. Poiseuille M. (1840). Recherches expérimentales sur le mouvement des liquides dans les tubes de très-petits diameters // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences. — Vol. 11. — Pp.  961–967.
13. Reynolds O. An experimental investigation of the circumstances which determine whether the motion of water shall be direct or sinuous, and of the law of resistance in parallel channels // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. — 1883. — Vol. 174. — Pp. 935–982.
14. Rizaev A., Normatov M., Ganjayev Sh. On the quality of the harvested cotton and the energy efficiency of the air transport system of the cotton-picking machines // AGRITECH-VIII E3S Web of Conferences. — 2023. — Vol. 390. — Art.  06044

References:

1. YolDashev A.T. [Scientific and technical solutions of the pneumatic transport system of cotton harvesting machines with interchangeable harvesting devices]. Tashkent, 2022. 177 p. (In Russ.)
2. Normatov M. [Comparative analysis of energy consumption of pneumatic transport systems of cotton harvesting machines] // Problemy mekhaniki. 2024. No. 2. P. 51–59. (In Russ.)
3. Patent No. FAP 2530. [Utility model patent]. MISMI, authors Rizaev A.A. et al. // Centrifugal fan for transporting cotton on cotton harvesting machine. Bulletin No. 1, 2024. (In Russ.)
4. Patent No. IAP 06981 dated 27.06.2022. [Method of conveying cotton from the receiving chamber of a cotton harvesting machine to the bunker and device for its implementation]. Matchanov R.D. et al. (In Russ.)
5. Rizaev A., YolDashev A., Ashurov N. [Effect parameters of vertically spindle cotton picker machines on the mechanical damage of cotton seeds during machine harvesting] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 883(1). Art. 012157. (In Russ.)
6. [Electronic resource]. Access mode: https://uzal.uz/product/mx-18-paxta-terish-mashinasi/ (Access date: 12.06.2026). (In Russ.)
7. Cengel A., Cimbala J. [Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications]. McGraw-Hill Education, 2006. 956 p.
8. Hagen G. [Ueber Die Bewegung des Wassers in engen cylindrischen Röhren] // Annalen der Physik und Chemie. 1839. Vol. 124 (11). P. 1–47. (In Russ.)
9. Idelchik I.E. [Handbook of Hydraulic Resistance]. 3rd ed. CRC Press, 2003.
10. Kanomax Anemomaster Model 6112. [Electronic resource]. Access mode: https://www.giangarloscientific.com/environmental/kanomax/6112.html (Access date: 12.06.2026). (In Russ.)
11. Miller D.S. [Internal Flow Systems]. 2nd ed. Gulf Publishing Company, 1990. 650 p.
12.  Poiseuille M. [Recherches expérimentales sur le mouvement des liquides dans les tubes de très-petits diameters] // Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences. 1840. Vol. 11. P. 961–967. (In Russ.)
13. Reynolds O. [An experimental investigation of the circumstances which determine whether the motion of water shall be direct or sinuous, and of the law of resistance in parallel channels] // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 1883. Vol. 174. P. 935–982. (In Russ.)
14. Rizaev A., Normatov M., Ganjayev Sh. [On the quality of the harvested cotton and the energy efficiency of the air transport system of the cotton-picking machines] // AGRITECH-VIII E3S Web of Conferences. 2023. Vol. 390. Art. 06044. (In Russ.)