Введение. Рабочие элементы систем аспирации для эффективной работы должны располагаться равномерно по сечению рабочей зоны. Данные элементы систем аспирации такие как укрытия, воздуховоды, вентиляторы соединяются между собой при помощи конфузоров и диффузоров и других элементов. В большинстве случаев площади сечений на входе или выходе рабочего потока значительно отличаются, в результате чего воздушный поток не заполняет всего сечения и поступает к рабочим элементам узкой струей, соответственно скорость в одном месте значительно больше, а в другом значительно меньше расчетной или близка к нулю. Очевидно, что неравномерное распределение рабочих потоков по сечению ухудшает технологические характеристики в сравнении с равномерным движением потока или приводит к увеличению размера аппарата.Вопросу формирования равномерного распределения потоков вытяжного и приточного воздуха посвящено множество исследований [1–11] данные решения широко применяются в воздуховодах равномерной подачи всасывания. Применение данных принципов в аспирационных отсосах, вытяжных зонтах и укрытиях целесообразно и имеет широкое поле для исследований и внедрения. Данные решения могут минимальными ресурсами обеспечить высокую эффективность и устранить недостаток неэффективных конструктивных решений. Целью работы является выявление факторов, оказывающих влияние на равномерность всасывания аспирационными патрубками, подключающими воздуховоды к аспирационным укрытиям технологического оборудования с использованием методов CFD-моделирования, а также сопоставление полученных результатов со справочными данными и выработки путей совершенствования способствующих выравниванию воздушных потоков.Аспирационные воронки в большинстве случаев представляют из себя конфузор, переход с большего сечения на меньшее в котором динамическое давление возрастает, а статическое уменьшается. Если конфузор имеет небольшой угол раскрытия, то вихреобразование обычно не происходит или оно незначительное, и потери давления в основном связаны с возрастанием скорости, при больших значениях угла раскрытия образуются застойные зоны с вихрями. А также спектр всасывающего факела охватывает не всю область всасывания и здесь формируется неравномерный поток, в этом случае отношение (Vmax/Vav) максимальной скорости к средней в плоскости всасывания возрастает.Целью статьи является выявление факторов, влияющих на равномерность всасывания аспирационными воронками и разработка конструктивных предложений их совершенствования с использованием методов численного CFD-моделирования.Материалы и методы. Исследования проводились при помощи CFD-моделирования и в ходе лабораторных экспериментов. Использование методов CFD-моделирования позволяет повысить скорость, точность и общую эффективность разработки, и совершенствование различных устройств [12–21]. Вычислительный эксперимент осуществлялся в среде Solidworks Flow Simulation. В математической модели заложены уравнения неразрывности, движения, а также с учётом турбулентной энергии и диссипации турбулентности (k-ε модель турбулентности, интенсивность 0,1 % и масштаб турбулентности 0,002 м). Уравнения решают на неструктурированных адаптированных к телу прямоугольных сетках. Для выполнения вычислительного эксперимента в среде SolidWorks были построены пространственные твердотельные модели аспирационного отсоса (патрубка) и задана расчетная область моделирования воздушных течений. Экспериментальные исследования проводились для валидации результатов вычислительного исследования. При валидации проводилось сопоставление полученных значений исследуемых факторов и отклика в ходе вычислительного и лабораторного эксперимента. В работе произведен анализ влияния различных факторов (угла раскрытия β; соотношения площадей fout/fin; высота воронки h; соотношение сторон, A/B; площади входа fin и выхода fout; скорости Vout) на отношение максимальной скорости в плоскости всасывания к средней Vmax/Vav.  Рис. 1. Общий вид исследуемой аспирационной воронки. Граничные условия исследуемой модели  Факторы варьировались в следующем диапазоне: d=0,1; 0,2; 0,355м; Vout=1; 8; 12 м/с; A=0,1; 0,5; 1 м; h=0,1; 0,2; 0,3; 0,4 м. Все остальные факторы рассчитывались исходя из расчетных соотношений.В качестве граничных условий принята скорость всасывания Vout в плоскости вытяжного воздуховода, давление окружающей среды при стандартных условиях в плоскости всасывания и различные конструкции вытяжного зонта.Для подтверждения проведённых численных исследований и валидации численных моделей были проведены сравнения численного расчета и эксперимента для нескольких конструкций аспирационных отсосов (патрубках). Экспериментальное исследование проводилось на специально разработанном лабораторном стенде (рис. 2), близком по характеристикам к промышленным вытяжным устройствам систем местной вытяжной вентиляции. Лабораторная установка состоит из вентилятора 1, воздуховода 2, к которому присоединяется исследуемая аспирационная воронка 4, установленная на укрытии 9. Натурный эксперимент проводился в соответствии с ГОСТ 12.3.018-79 «Системы вентиляционные. Методы аэродинамических испытаний» после наступления стационарного режима работы вентилятора, при этом измерялись следующие параметры:Параметры микроклимата (барометрическое давление, температура).Динамическое давление потока воздуха в четырех точках плоскости измерений.Скорость воздуха в плоскости всасывания аспирационной воронки.Барометрическое давление воздуха определялось с помощью барометра – анероида БААН, ГОСТ 6466-53, пределы измерения 0…110 кПа, погрешность измерения ± 60 Па. Температура воздуха измерялась сухим термометром аспирационного психрометра типа МВ – 4МГОСТ 6468-58, пределы измерения 0…70 °С с точностью до 0,2 °С. Скорость воздуха в воздуховоде определялась с помощью пневмометрической трубки Пито-Прандтля (тарировочный коэффициент трубки k = 1) путем измерения перепада давления. Перепад давления измерялся дифференциальным микроманометром Testo 510, погрешность ±0,03 гПа (0...0,30 гПа). Скорость и температура воздуха в плоскости всасывания аспирационной воронкой выполнена с помощью термоанемометра Testo 425, диапазон измерения скорости 0...+20 м/с, погрешность ±(0,03 м/с + 5 % от изм. знач.) и температуры –20 … +70 °С, погрешность ±0,5 °C (0...+60 °C).Измерения скорости в плоскости всасывания аспирационной воронки проводились при барометрическом давлении 98 600 Па и температуре воздуха 23,5 °С. Плотность воздуха определялась из формулы  r = 1.293·273/(273+t) кг/м3.Схема и фото экспериментальной установки для валидации проведенных исследований представлены на рис. 2. Рис. 2. Общий вид экспериментальной установки по исследованию работы вытяжного зонта равномерноговсасывания: 1 – вентилятор; 2 – воздуховод аспирационной системы; 3 – дифманометр TESTO 510;4 – исследуемая аспирационная воронка; 5 – термоанемометр TESTO 425; 6 – барометр-анероид БАММ-1;7 – аспирационный психрометр МВ-4М; 8 - прибор комбинированный TESTO-622 (абсолютное давление,температура, влажность); 9 – аспирационное укрытие  Основная часть. С уменьшением площади вытяжного воздуховода (fout) по отношению к площади входа в аспирационную воронку (fin) возрастает неравномерность всасывания, но в значительной степени величина Vmax/Vav возрастает в сочетании с уменьшением высоты зонта и возрастании угла раскрытия βav. Рис. 3. Результаты расчета Vmax/Vav в зависимости от соотношения площади выхода к площади входаРис. 4. Результаты расчета Vmax/Vav в зависимости от отношения высоты аспирационной воронкик эквивалентному диаметру в плоскости всасывания Анализ зависимости Vmax/Vav относительно соотношения высоты зонта и эквивалентного диаметра аспирационной воронки в плоскости всасывания h/dэ показал, что при h/dэ<0,25 Vmax/Vav возрастает более 5. Рис. 5. Результаты расчета Vmax/Vav в зависимости от среднего значения угла раскрытия зонта В исследовании рассматривался квадратный (A/B=1) и прямоугольный зонт (A/B<1), был введено понятие среднего угла раскрытия по двум сторонам βav. По результатам проведенных расчетов видно, что с увеличение угла раскрытия возрастает неравномерность всасывания, то есть отношение максимальной к средней скорости в плоскости зонта возрастает до 22, при этом с углом раскрытия βav<60°, Vmax/Vav<2,5. Vmax/Vav  резко возрастает с увеличением угла βav>100° от 4 до 23. Оснащение вытяжных зонтов выравнивающими устройствами исходя из полученных данных целесообразно при угле раскрытия более 60°, а при углах более 100° необходимое условие. В первую очередь данные устройства необходимы для снижения пылеуноса из укрытий технологического оборудования.  Рис. 6. Результаты расчета Vmax/Vav в зависимости от угла раскрытия зонта β’ Угол раскрытия β’ исследовался в диапазоне 77°–155°. В данном случае наблюдается возрастание Vmax/Vav с увеличением угла раскрытия β’, наблюдается логарифмическая зависимость.  Рис. 7. Результаты расчета Vmax/Vav в зависимости от угла раскрытия зонта β Угол раскрытия β исследовался в диапазоне 15о–155о. В данном случае наблюдается возрастание Vmax/Vav с увеличением угла раскрытия β, наблюдается логарифмическая зависимость.  Рис. 8. Результаты расчета Vmax/Vav в зависимости от соотношения сторон вытяжного зонта A/B Влияние соотношения A/B на величину Vmax/Vav незначительно и зависит в большей степени от других факторов, в частности от угла раскрытия. Однако при использовании прямоугольного отсоса, при снижении A/B<1 наблюдается снижение неравномерности всасывания Vmax/Vav, что объясняется увеличением fout/fin и снижением среднего угла раскрытия βav. Рис. 9. Результаты расчета Vmax/Vav в зависимости от площади входа в аспирационную воронкуС увеличением площади всасывающей поверхности fin вытяжного зонта происходит повышение неравномерности всасывания Vmax/Vav, поток воздуха движется преимущественно в области всасывающего патрубка охватывая меньшую площадь вытяжной воронки, в следствие чего возрастает максимальная скорость Vmax. Рис. 10. Результаты расчета Vmax/Vav в зависимости от площади выхода (вытяжного воздуховода) Возрастание площади вытяжного воздуховода, присоединительного патрубка, приводит к снижению Vmax/Vav, воздух начинает двигаться более равномерно в плоскости всасывания. Стоит отметить, что на спектр всасывания и как следствие на неравномерность всасывания окажет значительное влияние способ подключения зонта, особенности технологического процесса, конструктивные особенности укрытия. Но в целом исследуемые конструктивно-режимные характеристики вытяжного зонта отражают влияние основных факторов на равномерность всасывания.Возрастание высоты зонта способствует выравниванию потока воздуха в плоскости всасывания и снижению Vmax/Vav, что связано со снижением угла раскрытия вытяжного зонта. В ходе исследования изменялась скорость всасывания в вытяжном патрубке (воздуховоде) от 1 до 12 м/с, как и ожидалось скорость, а значит и расход воздуха не влияет на неравномерность всасывание в исследуемом диапазоне, для всех характерных случаев наблюдается одинаковые значения Vmax/Vav.  Рис. 11. Результаты расчета Vmax/Vav в зависимости от высоты вытяжного зонта  Ряд результатов проведенных вычислительных экспериментов представлен на рис. 12–19. Здесь можно увидеть картины поверхностей распределения скоростей в плоскости всасывания аспирационной воронки.  Рис. 12. Общий вид исследуемой конструкции аспирационной воронки и результаты построения профиля скоростей в плоскости всасывания при следующих факторах: d=0,1м; Vout=12 м/с; A=1 м; h=0,1 м. Отклик: Vmax/Vav=22,06; Vmax=2,45 м/с Рис. 13. Общий вид исследуемой конструкции аспирационной воронки и результаты построения профиляскоростей в плоскости всасывания при следующих факторах: d=0,1м; Vout=12 м/с; A=0,5 м; h=0,1 м.Отклик: Vmax/Vav=12,38; Vmax=2,57 м/с Рис. 14. Общий вид исследуемой конструкции аспирационной воронки и результаты построения профиляскоростей в плоскости всасывания при следующих факторах:  d=0,2м; Vout=12 м/с; A=1 м; h=0,3 м.Отклик: Vmax/Vav=3,93; Vmax=1,5 м/с Рис. 15. Общий вид исследуемой конструкции аспирационной воронки и результаты построения профиляскоростей в плоскости всасывания при следующих факторах: d=0,355 м; Vout=8 м/с; A=1 м; h=0,3 м.Отклик: Vmax/Vav=3,93; Vmax=6,28 м/с Рис. 16. Общий вид исследуемой конструкции аспирационной воронки и результаты построения профиляскоростей в плоскости всасывания при следующих факторах:  d=0,2 м; Vout=8 м/с; A=0,5 м; h=0,4 м.Отклик: Vmax/Vav=1,98; Vmax=1 м/с  Рис. 17. Общий вид исследуемой конструкции аспирационной воронки и результаты построения профиляскоростей в плоскости всасывания при следующих факторах:  d=0,355 м; Vout=8 м/с; A=0,5 м; h=0,4 м.Отклик: Vmax/Vav=1,72; Vmax=2,73 м/с Рис. 18. Общий вид исследуемой конструкции аспирационной воронки и результаты построения профиляскоростей в плоскости всасывания при следующих факторах: d=0,355 м; Vout=1 м/с; A=0,1 м; h=0,4 м.Отклик: Vmax/Vav=1,65; Vmax=1,63 м/сРис. 19. Общий вид исследуемой конструкции аспирационной воронки и результаты построения профиляскоростей в плоскости всасывания при следующих факторах: d=0,355 м; Vout=8 м/с; A=1 м; h=0,4 м.Отклик: Vmax/Vav=2,36; Vmax=1,87 м/с  Выводы.1. Основными факторами, оказывающими влияние на неравномерность всасывания, являются углы раскрытия зонта (βav, β’, β) и соотношение площадей fout/fin. Повышение угла раскрытия способствует формированию вихревых зон и неэффективному распределению потока воздуха в аспирационной воронке, что и приводит к повышению скорости в аспирационной воронке и повышенному пылеуносу.2. При углах раскрытия более 60° целесообразно использовать выравнивающие устройства, способствующие более эффективному распределению воздушного потока в аспирационной воронке путем выравнивания скорости по всему всасывающему сечения.3. Выравнивание потоков в аспирационной воронке можно добиться за счет изменения площади всасывающего сечения и сохранения разности статических давлений по длине.