Использование закрученных потоков газов и жидкостей стало неотъемлемой составляющей современных технологических процессов. Формирование закрученных течений происходит за колёсами гидротурбин ГЭС или в следе самолетных и гребных винтов, а также ветрогенераторов и пр. Циклоны, сепараторы, вихревые расходомеры — во всех этих устройствах используется закрутка потока рабочей среды. Полезные свойства закрученных течений в большой мере применяются в энергетике, например, с помощью неё добиваются стабилизации пламён в горелочных устройствах. Однако закрученные течения имеют не только положительные особенности. В сильнозакрученных потоках часто происходит формирование нестационарных структур, таких как прецессирующее вихревое ядро (ПВЯ). Низкие частоты прецессии вихревого ядра, образующегося, к примеру, за колесом гидротурбины ГЭС, могут привести к резонансу с собственными частотами гидроагрегата, что, в свою очередь, повлечет за собой сильные вибрации, представляющие серьезную опасность для всей конструкции ГЭС. Образование ПВЯ в вихревых камерах сгорания может быть причиной термоакустического резонанса, следствием чего также являются сильные вибрации и шум. Кроме того, было установлено, что ПВЯ может влиять на эффективность работы вихревых аппаратов. Несмотря на многолетние исследования данного явления, на настоящий момент нет достаточной информации для конкретного определения причин и механизмов образования прецессии вихря и, соответственно, разработки эффективных методов управления данным явлением. По этим причинам детальное исследование эффекта ПВЯ по-прежнему остается актуальной задачей.
В последние годы всё интенсивней развиваются компьютерные технологии, а вместе с ними увеличивается количество работ, связанных с численным моделированием сложных течений, включая закрученные потоки с нестационарными явлениями. При моделировании применяются различные по сложности модели турбулентности, для верификации которых необходимы базы данных по полям скоростей, перепадам давления, пульсационным характеристикам потока. В литературе достаточно полной информации для различных скоростных режимов течения и интеисивностей закрутки потока нет, поэтому получение экспериментальных данных для формирования такой базы данных весьма актуально.
В ранних работах Шторка С. И. эффект прецессии вихря был рассмотрен в моделях вихревых горелочиых устройств, в которых закрутка производится с помощью лопаточного завихрителя с наибольшими значениями параметра крутки? порядка 1 — 1.5. Особенностью настоящей работы является численное и экспериментальное моделирование эффекта ПВЯ в цилиндрической гидродинамической камере с тангенциальным типом закручивающего устройства, дающим высокие показатели степени закрутки потока до Б = 2.4.
Цель работы:
Комплексное расчетно-экспериментальное исследование сильно закрученных потоков с формированием прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ) в вихревой камере (ВК) с тангенциальной закруткой потока.
Основные задачи исследования:
Создание экспериментального гидродинамического стенда ВК, с формированием сильнозакрученного потока, генерирующего ПВЯ.
Применение СРО метода для оптимизации геометрии ВК с целыо: получения симметричного потокаустранения вторичных нестационарных явленийорганизации оптического доступа к исследуемой области формирования ПВЯ.
Визуализация и анализ картины течения в зависимости от изменения геометрических параметров ВК.
Исследование частотно-пульсационных характеристик ПВЯ и зависимости АЧХ от расхода.
Проведение систематических экспериментов по изучению зависимости структуры потока от характера закрутки методом PIV (Particle Image Velocimetry).
Формирование базы данных полей скоростей и пульсаций для верификации математических моделей нестационарных турбулентных закрученных течений.
Выполнение численного моделирования и сопоставление расчетных данных с экспериментом.
Научная новизна:
Применен подход предварительной оптимизации геометрии экспериментальных моделей вихревых камер с тангенциальной закруткой потока, основанный на применении методов вычислительной гидродинамики (CFD).
Для камер с тангенциальным завихрителем, дающим высокие степени закрутки потока, подтверждена линейная зависимость частоты прецессии от расхода.
Показано, что для вихревых камер, находящихся в замкнутых гидродинамических контурах, автомодельность эффекта ПВЯ наблюдается в расширенных диапазонах скоростей, а именно, во всём исследуемом диапазоне чисел Рейнольдса от Re = 6800 до Re = 145 000, т. е. вязкость рабочей среды не влияет па характеристики ПВЯ.
Впервые выполнены систематические эксперименты при различных параметрах закрутки потока по определению полей скоростей и их пульсаций методом PIV в различных сечениях вихревой камеры, включая зоны формирования ПВЯ, распада вихря и зарождения вторичных вихревых структур.
Сопоставление профилей скорости потока для различных параметров крутки показало, что для больших значений параметра крутки потока (S> 1,5) её влияние на профили скоростей незначительно. Следует заметить, что в литературе подобный факт описан не был.
Получена база данных средних и пульсационных характеристик потока в
ВК.
Показана «квазистабильность» структуры потока в различные моменты времени для одной фазы ПВЯ в исследованной ВК.
Показана применимость гибридной RANS/LES (DES) модели турбулентности на основе двузонной модели Ментера (MSST) для описаиия характеристик ПВЯ, формируемого в тангенциальной вихревой камере.
Практическая значимость работы:
Исследования на созданном экспериментальном гидродинамическом стенде ВК позволяют отрабатывать методы контроля эффекта ПВЯ в технических устройствах, использующих закрутку потока (циклоны, сепараторы, скрубберы, вихревые горелки, расходомеры и др.).
Полученные результаты экспериментальных исследований и данные по характеристикам вихревого потока послужат базой для верификации современных и новых математических моделей вихревых течений.
Созданный экспериментальный гидродинамический стенд ВК может использоваться в учебном процессе, а также для дальнейших научных исследований явления ПВЯ для однои двухфазных сред.
Автор защищает:
Результаты численного моделирования для оптимизации геометрии экспериментальной вихревой камеры.
Результаты изучения структуры потока в зависимости от геометрических особенностей модельной вихревой камеры, основанного на методе скоростной фото и видеосъемки.
Результаты исследования зависимости частотно-пульсационных характеристик ПВЯ от расхода и параметра геометрической закрутки потока.
Результаты исследования структуры потока в различных сечениях вихревой камеры с использованием современной PIV методики.
Результаты численного моделирования, целыо которого является сопоставление расчетных данных с экспериментальными и сбор дополнительной информации, получение которой в ходе экспериментального исследования затруднено или невозможно.
Достоверность результатов работы основывается на уникальном сочетании использования современного экспериментального оборудования при проведении лабораторного эксперимента и применения сертифицированного коммерческого программного CFD пакета с выбором проверенных надежных методов компьютерного моделирования, а также соответствием результатов исследований и выводов с известными опубликованными данными.
Личный вклад автора заключается в анализе существующих теоретических и экспериментальных работ по теме диссертации, создании экспериментального стенда, оптимизации вихревой камеры для исследования эффекта ПВЯ в «идеализированных» условиях, проведении комплексного экспериментального исследования ПВЯ, построении математической модели и проведении компьютерного расчета, анализе полученных результатов, формулировке выводов и заключения по диссертации.
Апробация работы:
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: VII и IX Международных научных конференциях «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Украина, Алушта, 2009, 2011) — Молодёжной конференции «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск, Россия, 2010) — XLVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, Россия, 2010) — XI Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодипамики» (Новосибирск, Россия, 2010) — II Научно-практической конференции с международным участием «Инновационная энергетика» (Новосибирск, Россия, 2010) — V Международной научно-практической конференции STAR-2010 «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассоперепоса и прочности» (Нижний Новгород, Россия, 2010) — Всероссийской конференции «XXIX Теплофизический семинар» (Новосибирск, Россия, 2010) — Всероссийской научно-практической конференции
Теплофизические основы энергетических технологий" (Томск, Россия, 2010) — IV Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, Россия, 2011) — V European Postgraduate Fluid Dynamics Conference (Геттинген, Германия, 2011) — Международной научной школе молодых ученых «Вихри в сложных средах» (Москва, Россия, 2012) — X международной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, Россия, 2012).
Публикации'.
По результатам исследований опубликовано 17 работ, из них 4 журнальных статьи, в том числе 3 из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации
:
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 130 наименований. Материал изложен на 121 странице, содержит 70 рисунков и 1 таблицу.
