Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор результатов исследований гидродинамики кавитанионных течений 15
1.1. Кавитация. История развития исследования 15
1.2. Классификация типов гидродинамической кавитации 21
1.3. Особенности кавитационного обтекания двумерных гидропрофилей 29
1.4. Кавитационные явления, возникающие при масштабировании тел обтекания серии NACA, вариации морфологии его поверхности и в каскаде гидропрофилей 39
Выводы 45
Глава 2. Методы измерения и их адаптация к кавит анионным течениям. Экспериментальная установка 46
2.1. Методы измерения, применяемые при исследовании кавитационных течений 46
2.2. Экспериментальный стенд, конфигурация PIV метода 48
2.3. Адаптация PIV метода для исследования кавитационных течений 60
Выводы 63
Глава 3. Исследование динамики кавитационных течений вблизи одиночных двумерных гидропрофилей 64
3.1. Визуализация возникающих режимов кавитационных течений вблизи одиночных двумерных гидропрофилей 64
3.2. Неустойчивость кавитационных каверн, эмпирические зависимости 75
3.3. Эволюция распределений средней скорости и турбулентных пульсаций скорости при кавитационном обтекании гидропрофилей. Влияние геометрии тела обтекания на скоростные характеристики потока 81
Выводы 92
Глава 4. Влияние масштабного фактора, морфологии поверхности на кавитационное обтекание модельных гидропрофилей. Кавитационное обтекание каскада гидропрофилей 94
4.1. Исследование кавитационных течений, реализующихся вблизи гидропрофиля серии NACA0015 при его геометрическом масштабировании 94
4.2. Кавитационное обтекание каскада гидропрофилей NACA0015 105
4.3. Влияние морфологии поверхности тела обтекания на зарождение и развитие кавитационных каверн 112
Выводы 116
Заключение 118
Список обозначений 119
Благодарности 121
Список литературы 122
Список публикаций по теме диссертации 137
- Классификация типов гидродинамической кавитации
- Экспериментальный стенд, конфигурация PIV метода
- Эволюция распределений средней скорости и турбулентных пульсаций скорости при кавитационном обтекании гидропрофилей. Влияние геометрии тела обтекания на скоростные характеристики потока
- Кавитационное обтекание каскада гидропрофилей NACA0015
Введение к работе
Актуальность. Важнейшими условиями безопасной и эффективной работы гидроагрегатов, как вновь создаваемых, так и уже эксплуатирующихся, являются надежность и долговечность их использования. Как правило, течение жидкости в реальных гидроагрегатах носит комплексный характер, обусловленный наличием различных вихревых структур, а также кавитационных явлений. Кавитация возникает в зонах пониженного давления, в тех случаях, когда оно становится ниже критического давления паров воды. Впервые теоретически кавитация была предсказана Леонардом Эйлером в XVIII веке, однако как гидродинамическое явление в технических системах экспериментально обнаружена в конце XIX века на гребных винтах и впоследствии широко исследовалась в установках различного масштаба и назначения. Параллельно развивались методы математического моделирования кавитационных процессов, требующие детальной верификации в лабораторных и натурных экспериментах.
Кавнтацнонные явления имеют место в различных частях гидравлических турбин, в насосном оборудовании, на крыловых профилях и гребных винтах судов и т.д. В гидравлических системах кавнтацнонные явления в основном приводят к нежелательным эффектам, таким как уменьшение ресурса работы оборудования за счет эрозионного разрушения отдельных деталей и конструкции в целом, а также к возникновению шума и вибраций системы, что, в свою очередь, может привести к выходу из строя всего механизма.
Долгое время основными экспериментальными методами исследования кавитационных течений оставались визуальное наблюдение, позднее, фотографирование с различной межкадровой задержкой и экспозицией, и видеосъемка, а также измерения давления на поверхности обтекаемых тел. Только в последние десятилетия, благодаря активному развитию техники, появилась возможность регистрации мгновенных изображений потока с частотой дискретизации до 100 кГц и более, в течение достаточно длительного промежутка времени, что дает возможность анализа эволюции кавитационных пузырей и каверн одновременно с динамикой развития крупномасштабных структур в потоке. В настоящее время измерение скорости потока вблизи различных тел обтекания оптимальнее всего проводить оптическими методами диагностики, главными преимуществами которых является бесконтактность и высокое пространственное разрешение. Однако, для двухфазных газожидкостных потоков, к которым относятся и кавнтацнонные течения, применение оптических, и особенно панорамных, методов осложняется возникновением ряда дополнительных трудностей. Так, для метода цифровой трассерной визуализации
(PIV) из-за нестационарности кавитационных каверн и их пространственной неоднородности, трассерные частицы могут определяться не только в однофазной части потока жидкости, но и в пределах каверны, в отдельных включениях жидкой фазы. Это вносит свой вклад в расчет мгновенного поля скорости, что в ряде случаев приводит к существенной дополнительной погрешности в результатах измерения. Корректное измерение компонент скорости кавптационного течения является крайне актуальной задачей.
Поскольку экспериментальное исследование кавитационных потоков в реальных гидроагрегатах и их моделях является крайне сложной и трудоемкой задачей, для оптимизации и проектирования оборудования также широко применяют методы численного моделирования. С точки зрения построения и верификации математических моделей, описывающих возникновение и развитие кавитации, основной интерес представляет исследование процессов в канонических геометрических условиях, к которым относятся: конфузорно-диффузориые сопла, модельные профили, например, крылья серии NACA и т.п.
Различают многообразие типов гидродинамической кавитации: пузырьковая, присоединенная, облачная, вихревая, суперкавитация и т.д., которые зарождаются и развиваются в зависимости от различных условий: геометрических (форма обтекаемого тела, его размер, морфология и материал поверхности), режимных (распределение скорости и давления в набегающем потоке, его турбулентная структура), а также ряда других параметров (концентрация растворенных газов, температурные условия и т.д.).
Важную роль в сложных гидравлических системах играют нестационарные явления, в частности, в гидротурбинах ГЭС, возникающие пульсации в ходе их работы, определяющиеся структурой потока, оказывают существенные вибрационные нагрузки на весь комплекс. Управление структурой кавитационных каверн, образующихся вблизи лопаток направляющего аппарата, повышение их устойчивости сможет свести к минимуму динамические нагрузки па лопатки, существенно уменьшить их износ. Это управление оказывается возможным на основе углубленного изучения закономерностей образования каверн и развития их неустойчивости, прогнозирования поведения парогазовых полостей в различных условиях.
В литературе экспериментальные данные, особенно количественные, по закономерностям развития кавитационных каверн представлены весьма ограниченно. Таким образом, изучение основных закономерностей их зарождения и эволюции, построение эмпирических зависимостей является важной задачей и определяет актуальность постановки исследований, выполненных в диссертационной работе.
Цель работы: экспериментальное исследование кавитационных течений современными оптическими методами вблизи модельных профилей при вариации геометрических и режимных параметров.
Основные задачи:
При помощи современных оптических методов (высокоскоростная визуализация, метод цифровой трассерной визуализации (Particle Image Velocimetry - PIV)) экспериментально исследовать кавитациоппые явления вблизи канонических тел обтекания. Обосновать корректность применения используемых методов.
Исследовать процессы формирования и эволюции кавитационных каверн вблизи двумерных гидрокрыльев1 при вариации геометрических и режимных параметров.
Получить детальную верификационную базу данных по ансамблям компонент скорости кавнтационного течения вблизи двумерных гидрокрыльев.
Получить основные эмпирические закономерности зарождения и эволюции кавитационных каверн вблизи двумерных профилей.
Научная новизна:
Впервые получена аппроксимационная степенная зависимость длины кавитационнои каверны в окрестности двумерного профиля от числа кавитации для фиксированного угла атаки. Показано, что в случае симметричных профилей показатель степени при числе кавитации фиксирован, а в случае несимметричных он варьируется с изменением угла атаки.
Для двумерных гидропрофилей впервые установлено соответствие между безразмерной частотой схода кавитационных облаков (число Струхаля) и различными типами неустойчивости потока вблизи двумерных гидрокрыльев: 0,05-0,2 - внешней, 0,35-0,45 - внутренней и 0,5-0,6 - поперечной.
При помощи метода P1V впервые получены комплексные экспериментальные данные о распределениях средней скорости и турбулентных пульсаций скорости потока при возникновении и развитии кавитационных каверн вблизи двумерных крыловых профилей. Экспериментально подтверждено, что возникновение присоединенной кавитационнои каверны существенно изменяет распределение скоростных характеристик потока вблизи профиля.
В литературе чисто различные геометрические объекты, исследуемые в задачах кавитации, именуются либо как гидропрофили, либо как гидрокрылья. Далее по тексту мы будем использовать оба этих наименования.
Впервые показано, что в режиме облачной кавитации частота отрыва кавптацпонных облаков с поверхности гидрокрыла серии NACA0015 обратно пропорциональна его геометрическому размеру, при этом безразмерная частота, построенная по локальным характеристикам кавптационного облака, остается неизменной.
Впервые, с использованием критерия локального числа кавитации, показана возможность использования закономерностей кавптационного обтекания одиночного профиля для анализа течения в каскаде гидропрофилей, что дает возможность корректного задания граничных условий при математическом моделировании.
Впервые экспериментально показано, что для гладких гндрокрыльев с умеренным градиентом давления вблизи лобовой точки (серии NACA0015) кавитация возникает в виде отдельных пузырьков за счет малого количества ядер зарождения на поверхности профиля. В случае профилей с высоким уровнем шероховатости определяющим параметром для режима зарождающейся кавитации является количество пиков шероховатости на единицу площади.
Теоретическая и практическая значимость работы
Основные результаты работы способствуют более глубокому пониманию вопросов, связанных с гидродинамикой течения при кавитационном обтекании двумерных тел. Полученные в работе эмпирические зависимости развития кавитационпых каверн, а также количественные скоростные характеристики потока могут быть использованы при проектировании и модернизации оборудования, в котором возможно образование и развитие кавитации. Кроме того, полученные экспериментальные данные необходимы для верификации математических моделей кавитационных течений.
Достоверность полученных результатов обеспечена использованием в работе апробированных современных бесконтактных экспериментальных методов измерения, детальным анализом погрешности измерений, регистрацией в экспериментах больших массивов данных с последующей статистической обработкой, воспроизводимостью результатов экспериментов и их сопоставлением с литературными данными.
Положения, выносимые на защиту:
Результаты аппроксимации длины каверны от числа кавитации для двумерных гндропрофилей при фиксированном угле атаки, результаты анализа
соответствия характерных частотных диапазонов (чисел Струхаля) различным типам неустойчивости.
Результаты измерения количественных скоростных характеристик потока при обтекании двумерных профилей: пластины с закругленной носовой частью и гидрокрыла серии NACA0015 в однофазном потоке, в условиях кавитации, результаты исследования динамики кавитационных режимов в широком диапазоне параметров.
Результаты исследования кавитационных режимов при обтекании каскада гпдрокрыльев в сравнении с обтеканием одиночного гидрокрыла.
Результаты высокоскоростной визуализации кавитационных потоков при обтекании гидрокрыла серии NACA0015 с различной морфологией поверхности. Анализ влияния различных параметров шероховатости на зарождение и развитие кавитации.
Личный вклад автора заключается в анализе, обработке и систематизации полученных экспериментальных данных, формулировании основных выводов работы, подготовке публикаций. Автор на всех этапах принимал непосредственное участие в постановке задач исследования, подготовке и проведении экспериментов.
Апробация работы:
Результаты диссертационной работы представлялись на российских (ОМИП-2015, 2013, 2011, ICMAR-2016, 2012 и др.) и международных (CAV-2015, 2012, IAHR-2013, EFMC10-2014 и пр.) конференциях, семинарах Института теплофизики СО РАН и других научных и образовательных организаций.
Часть результатов, полученных в процессе выполнения ряда заказов Ленинградского металлического завода, в дальнейшем использована при проектировке нового оборудования.
С использованием данных, полученных при выполнении данной работы проведена верификация математических моделей кавитационных потоков специалистами ИТ СО РАН (Сентябов А.В., 2016) и коллегами из Tsinghua University расположенного в Пекине, Китай (Джи Б., 2015).
Публикации. По результатам исследования опубликовано 18 работ, в том числе 5 статей в соавторстве из списка, рекомендованного ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка обозначений, списка используемой литературы, состоящем из 195 источников, списка публикаций по теме диссертации. Материал изложен на 139 страницах машинописного текста формата А4, рукопись включает 89 рисунков, 3 таблицы.
Классификация типов гидродинамической кавитации
Гидродинамическую кавитацию можно наблюдать в гидротурбинах, в насосном и водонапорном оборудовании, на движителях подводных лодок, гребных винтах кораблей, подводных крыльях катеров и судов, опорах мостов, в жидкостных топливных системах высотных самолетов, в том числе космических ракет, в узлах ядерных реакторов и др. В открытых литературных источниках описано несколько типов гидродинамического кавитационного обтекания модельных объектов при фиксированной температуре потока (на основе работы Кнэпп и др. 1974 г. [27]): вихревая кавитация, кавитация в вихрях Кармана, пузырьковая кавитация (перемещающаяся кавитация), «стриковая» кавитация, присоединенная кавитация, суперкавитация и т.д.
Вихревая кавитация наблюдается в центре вихрей, образующихся в зонах, где имеются большие касательные напряжения. Данный тип кавитации обнаружили одним из первых, так как именно он возникает на концах лопастей гребных винтов судов (Рисунок 1.2.1.). Концевая кавитация встречается не только на гребных винтах, а также и на концах лопастей осевых насосов и рабочих колес гидротурбин. (Дутвайлер М.Е. и Бреннен К.Е., 2002 [105], Кабардин И. и др., 2014 [152]).
Концевая кавитация - не единственный пример вихревой кавитации. Кавитация этого типа развивается в областях с большими поперечными градиентами скорости, которые способствуют возникновению и поддержанию вихрей. Внутри вихрей давление падает до критического значения равного давлению паров воды. Одним из примеров кавитации такого типа является кавитация осевого вихря (Рисунок 1.2.2) вертикальной гидротурбины ГЭС. Вихревой жгут образуется на кончике оси турбины, и при взаимодействии с отсасывающим трактом вызывает пульсации крутящего момента рабочего колеса (Цой М.А. и др., 2015 [55]).
Еще один тип вихревой кавитации - щелевая кавитация. Щелевая кавитация возникает в небольших зазорах между телом обтекания и стенкой. Данный тип кавитации наблюдается на направляющем аппарате ГЭС. Интенсивность вихреобразования в щели зависит от величины зазора, формы торцов и перепада давления на лопасти.
На Рисунке 1.2.3 представлены фотографии щелевой кавитации, полученные Дрейером М. в 2013 г. [102] на гидрокрыле NACA0009 с различными зазорами между профилями и стенкой гидроканала. Подробные исследования проводили Гопалан Ш. и др., 2002 [119] вблизи трехмерного гидрокрыла и Мураяма М. и др., 2006 [152] на колеблющейся пластине прямоугольного профиля (Рисунок 1.2.4).
Вихревая кавитация образуется также в следе за телом вследствие отрыва пограничного слоя от тела. В этом случае кавитация возникает не на поверхности тела и не вблизи него, а на границе зоны отрыва потока (Рисунок 1.2.5).
Вихревая кавитация может существовать достаточно долго, так как вихрь создает момент количества движения, который увеличивает время существования каверны даже в том случае, когда масса жидкости перемещается в зону с более высоким давлением.
Кавитация в вихрях Кармана наблюдается в ядрах вихрей, в случае понижения давления до уровня критического значения, образующихся за любым выступом и плохообтекаемым телом (Рисунок 1.2.6). (Аузони Р. и др., 2007 [83], Акоста А.Д. и др., 1955-1975 гг. [69-74]).
Пузырьковая кавитация {перемещающаяся кавитация) представляет собой тип кавитации, при которой в жидкости образуются отдельные пузырьки, движущиеся вместе с ней (Рисунок 1.2.7) (Горшков АС, Русецкий АА и др., 2007 [24]).
«Стриковая» кавитация (в русскоязычной литературе также обозначается как полосчатая кавитация или факельная кавитация [17]) (Рисунок 1.2.8) определяется как последовательность постоянно перемещающейся группы пузырей, расположенных близко друг к другу (Аракери В.Г., 1974 г. [78]). Таким образом, этот вид кавитационного обтекания тоже можно отнести к перемещающейся кавитации.
Присоединенная кавитация - явление, возникающее практически сразу после зарождения каверны, при котором поток жидкости отрывается от твердой границы обтекаемого тела с образованием полости на твердой границе. Один из примеров такого типа обтекания можно видеть на Рисунке 1.2.9.
Присоединенная каверна устойчива только в квазистационарном смысле. Ее граница иногда имеет вид поверхности интенсивно кипящей турбулизованной жидкости (Рисунок 1.2.12) (Кнэпп Р. и др., 1974 г. [26]). В некоторых случаях поверхность раздела между жидкостью и каверной может быть гладкой и прозрачной, такое явление называется пленочная каверна.
Если, как показано на Рисунке 1.2.10, присоединенная каверна является не гладкой по всей поверхности тела обтекания, а разделяется на некоторые вытянутые структуры в продольном направлении, то этот тип кавитационного обтекания было предложено называть "divots" («дайвотсами») (Бренднер П.А. и др., 2010 г. [84]).
Если длина присоединенной каверны достигает длины обтекаемого тела или простирается далеко за его пределы, кавитацию называют суперкавитацией (Рисунок 1.2.11).
Облачная кавитация - тип обтекания, при котором от присоединенной каверны отрываются конгломераты маленьких пузырей и передвигаются вниз по потоку как единое целое (Рисунок 1.2.12).
Оторвавшееся кавитационное облако изменяет свою форму по мере удаления от крылового профиля. Схема его преобразования представлена на Рисунке 1.2.13. В момент отрыва длина кавитационного облака меньше его ширины, примерно равной размаху гидрокрыла (Рисунок 1.12.13 а). Со временем происходит ускорение центральной части облака, а его края замедляются (Рисунок 1.2.13 б) благодаря тому, что скорость основного потока в центре рабочего канала всегда превышает скорость потока вблизи его стенок. Далее края облака соединяются, и облако приобретает форму тора (Рисунок 1.2.13 в).
Тор, помимо того, что движется вниз по каналу, вращается относительно своей центральной оси и микропузырьки при таком вращении перемещаются от центра к периферии. При таком движении потока в пределах облака торообразной формы иногда давление становится ниже критического давления паров воды и наблюдается образование кавитационных вихревых жгутиков. Экспериментальные данные представлены на Рисунке 3.1.9.
Реализующиеся кавитационные течения при обтекании различных тел многобразны и имеют свои особенности, однако, даже в случае двумерных канонических профилей свойства течений изучены недостаточно. Широкое многообразие крыльев усложняет процесс систематизации реализующихся кавитационных течений вблизи них. Такое разнообразие типов крыльев продиктовано высокой конкуренцией 20-го века в сфере создания самолетов. Авиационных профилей в настоящее время насчитывается несколько тысяч. Для исследований гидродинамики обтекания профилей, в том числе, в условиях кавитации, традиционно используются геометрические параметры авиационных профилей. В данном разделе диссертационной работы будет представлено только несколько семейств крыльев и описаны их основные особенности. Структура описания профилей основана на «Справочнике авиационных профилей» [57] с дополнениями и пометками, представляемыми автором.
Экспериментальный стенд, конфигурация PIV метода
Эксперименты проводились на кавитационном гидродинамическом стенде Института теплофизики СО РАН (КГДС), представляющем собой замкнутый контур. Стенд оснащен двумя центробежными насосами, ультразвуковым расходомером, датчиками давления для контроля статического давления по всему контуру трубы и датчиками температуры (Рисунок 2.2.1). Рабочей жидкостью служила дистиллированная вода с известными физическими свойствами. Габаритные размеры кавитационной трубы: длина - 8,4 м, высота - 2,2 м, ширина - 1,1 м. Экспериментальная установка включает в себя теплообменник, в состав которого входит система змеевиков с теплоносителем и система терморегулирования, расположенная над теплообменником специальная шахта, которая необходима для регулирования статического давления в контуре трубы, хоннейкомб длиной 500 мм с ячейками 25x25 мм, конфузор длиной 790 мм, выполненного по профилю полинома четвертой степени со степенью поджатия 16. Рабочая часть, представляет собой канал прямоугольного поперечного сечения 80x250 мм длиной 1,3 м с плоскими параллельными оптически прозрачными стенками для измерения характеристик течения бесконтактными методами (Рисунок 2.2.2).
В рабочий канал устанавливается исследуемый профиль. За рабочим участком расположен диффузор с углом раскрытия 3,5 на меньшую сторону и параллельными стенками на большую сторону. Обратный канал выполнен из поворотного колена на 180 градусов радиусом 750 мм сечения 250x250 мм, прямого трубопровода диаметром 300 мм, расходомерного участка и трубопровода, обеспечивающего подвод жидкости к насосной группе. Температура рабочей жидкости в контуре установки поддерживается постоянной с помощью системы терморегулирования, состоящей из датчика температуры и электромагнитного клапана, управляемого посредством ПД-регулятора. Максимальный суммарный расход жидкости по контуру составляет 1100м3/ч, что соответствует максимальной среднерасходной скорости для пустого рабочего канала (т.е. без тела обтекания) 15,3 м/с.
Распределения скоростей для кавитационной трубы и в трубе с абсолютно гладкими стенками лежат на одной кривой, поэтому, можно сделать вывод, что кавитационный гидродинамический стенд является модельной гидротрубой и удовлетворяет всем необходимым параметрам для проведения качественных количественных экспериментов.
Рассмотрим более подробно пограничный слой в рабочем участке кавитационного гидродинамического стенда. Длина входного участка трубы составляет 1ех =0,034 -Re = 8349 м, где dh - гидравлический диаметр трубы 0,121 м, Re = 7,26-10б, что превышает длину рабочего участка в несколько раз, поэтому пограничный слой на стенке рабочего участка можно рассматривать в постановке пограничный слой вблизи плоской бесконечной пластины. Считается, что даже при больших числах Рейнольдса (более 3,2106) закон распределение скорости в пределах пограничного слоя будет степенным. На Рисунке 2.2.4 б) представлено распределение скорости жидкости в пустом рабочем канале вблизи его стенки и экспериментальные данные, полученные Никурадзе И. [153] для бесконечной гладкой трубы.
При числе Рейнольдса Re = 9,05 106, уравнение профиля скоростей в потоке может описываться формулой (Шлихтинг Г., 1969 [64]):
Турбулентные пульсации скорости потока в центральном сечении рабочего канала на расстоянии 800 мм от его входа приведены на Рисунке 2.2.5 б), в пределах пограничного слоя на Рисунке 2.2.5 а). Как показано на Рисунке 2.2.5 б), уровень турбулентных пульсаций скорости в центральном сечении канала, где изучается обтекание различных тел, составляет менее 1%. Малый уровень пульсаций в потоке обеспечивается конструкцией гидродинамического стенда: перед рабочим участком находится хонейкомб, который «разбивает» все крупномасштабные вихревые структуры, тем самым, выравнивая поток. Далее расположен конфузор со степенью поджатия 16, изготовленный по полиному четвертой степени, что приводит к созданию малотурбулентного потока в рабочем участке.
Вблизи стенки рабочего участка наблюдаются сравнительно высокие турбулентные пульсации скорости (Рисунок 2.1.5 а, б), это связано с возникновением вторичных течений в углах прямоугольного канала. Данные течения образуются в конфузоре, таким образом, что вдоль биссектрис жидкость движется в углы и отсюда растекается в обе стороны. Вторичные течения непрерывно переносят импульс из середины течения в углы и тем самым вызывают в них повышение скорости. Подробное описание можно найти в статье Пук Д.А. и Вотмафф Д.Х., 2010 [167]. Однако, наличие вторичных вихревых структур, которые распространяются вблизи стенок рабочего участка, не оказывает влияния на профиль средней и турбулентных пульсаций скорости в центральном сечении канала.
Профиль скорости горизонтального сечения потока в месте крепления тела обтекания для пустого рабочего участка представлен на Рисунке 2.2.6 б). Профиль скорости является равномерным и симметричным. Известно, что значение скорости на стенках рабочего канала равно нулю, поэтому, за счет наличия резкого градиента давления вблизи стенок канала можно наблюдать «влияние стенок рабочего канала» на профиль скорости. Толщина «влияния» составляет приблизительно 25% ширины крыла. Однако, наличие стенок канала не оказывает воздействие на характеристики потока в центральном сечении рабочего участка, в котором проводятся экспериментальные измерения. Наличие стенок, как показано в работе Сайто Е. и др., 2007 [174] приводит к изменению линии схлопывания каверны (Рисунок 2.2.7 1), распространению возвратного течения под углом к основному потоку (Рисунок 2.2.7 2), и формированию U - образных кавитационных облаков (Рисунок 2.2.7 3), однако не вносит своего вклада в количественные скоростные характеристики, измеряемые в центральном сечении канала.
В работе исследование кавитационного течения проводилось вблизи различных одиночных двумерных гидропрофилей: пластины с закругленной носовой частью (Рисунок 2.2.8), гидрокрыла серии NACA0015 (Рисунок 2.2.9), выполненных из латунного сплава.
Пластина шириной 80 мм, длиной 100 мм и толщиной 15 мм. Носовая часть представляет собой (Рисунок 2.2.8 а) полусферу с радиусом 15 мм. Графики распределения давления на верхней поверхности профиля в зависимости от угла атаки представлены на Рисунке 2.2.8 б) (по результатам расчета Сентябова А.В. и др., [43]).
Эволюция распределений средней скорости и турбулентных пульсаций скорости при кавитационном обтекании гидропрофилей. Влияние геометрии тела обтекания на скоростные характеристики потока
Значения скоростных характеристик однофазного потока жидкости вблизи двумерных гидрокрыльев зависит от скорости набегающего потока, числа Рейнольдса, числа Фруда, вязкости жидкости и так далее. На Рисунке 3.3.1 представлена схема ламинарно-турбулентного перехода для пограничного слоя при обтекании пластины с закругленной носовой частью. Число Рейнольдса Re = Uo C/v, где Uo - среднерасходная скорость набегающего потока, С - длина хорды профиля, v - кинематическая вязкость, составляет 1,3ТО5. Если поток жидкости движется равномерно и сонаправлено линии симметрии пластины, то в лобовой точке возникает стагнация потока. Чуть выше этой точки жидкость начинает огибать пластину, на поверхности которой развивается ламинарный погранслой. Эволюция его развития схожа с развитием погранслоя на круглом цилиндре и зависит от скорости набегающего потока.
Его развитие продолжается до достижения максимальной ширины пластины (на расстоянии 7,5 мм от передней кромки) и далее идет вдоль поверхности пластины на расстояние примерно до 11,6 мм. Здесь происходит переход от ламинарного пограничного слоя в турбулентный. За задней кромкой пластины образуются периодические вихри Кармана.
Критическая точка перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный была вычислена на основе полученных экспериментальных данных по поперечной составляющей турбулентной кинетической энергии (Рисунок 3.3.2) на основе работы Хадзик И., 1999 [120]. На Рисунке 3.3.2 представлены контурные линии турбулентных пульсаций скорости в интервале от 0 до 0,004. Верхняя линия соответствует значению 0,0005, следующая за ней 0,0009.
Профили среднерасходной скорости при обтекании пластины с закругленной носовой частью представлены на Рисунке 3.3.3 для однофазного потока и «стриковой» кавитации в различных сечениях: 0,09С, 0,225С и 0,39С (Рисунок 3.3.3). Крестики «+» - соответсвуют данным, полученным Rolls-Royce, 1995 для воздушного потока (данные из работы Хадзик И., 1999 [120]), результаты экспермаеннта диссертанта представлены для однородного потока - перевернутыми треугольниками «у» , для «стриковой» кавитации - треугольниками Д». В сечении 0,09С для «стриковой» кавитации наблюдается максимум скорости (UmJU0)ioc = 1,42 выше, чем в случае однофазного потока (UmJU0)ioc = 1,33, что связано с запиранием потока при возникновении кавитации. Максимум скорости наблюдается на расстоянии у/д = 1,25. графики скорости практически совпадают, максимум скорости U/Uo= 1,27 достигается на расстоянии 0,001 мм от поверхности крыла. В последующих сечениях максимальное значение скорости приблизительно равные, однако пик достигается на разных расстояниях от профиля что связано с различной плотностью набегающего потока. В случае воздуха пограничный слой всегда шире по сравнению с погранслоем в жидкости. В сечении х/С= 0,225 (Рисунок 3.3.3 б), графики скорости практически совпадают, максимум скорости равен (UmJU0)ioc = 1,16 для воды и (UmJU0)ioc = 1,18 для воздуха. В последующем сечении х/С = 0,39 максимальное значение скорости приблизительно равны.
На Рисунке 3.3.4 представлены графики эволюции продольной составляющей скорости для пластины с закругленной носовой частью в случае бескавитационного обтекания и при возникновении «стриковой», переходной и облачной кавитации в сечениях от 0,1С до 1С каждые ОДС, угол атаки а = 0. Точка стагнации расположена на передней кромке пластины, в сечении х/С = 0. При обтекании пластины происходит локальное увеличение скорости жидкости сечениях от х/С = 0,1 до х/С = 0,4 и максимальное значение скорости составляет (UmJU0)ioc = 1,25. Далее, вниз по потоку, можно видеть, что происходит постепенное увеличение пограничного слоя, а скорость потока становится равной скорости потока на бесконечности.
Однако, в сечениях х/С = 0,9 и 1 скорость потока вновь увеличивается, что связано с влиянием отрыва потока за задней кромкой пластины. Значительные изменения скоростных характеристик происходят при появлении кавитации на профиле. На Рисунке 3.3.4 б)-г) присоединенная каверна показана сплошной линией. Так, на Рисунке 3.3.4 б) («стриковый» тип обтекания) показано значительное изменение скорости потока в сечении х/С = 0,1 (Umax/Uo)ioc - 1,38 и резкое увеличение толщины турбулентного пограничного слоя. Для переходной и облачной кавитации (Рисунок 3.3.4 в)-г)) выше каверны наблюдается увеличение скорости потока (UmJUo)ioc = 1,25 и (WE/o)foc = 1,21 в сечении х/С = 0,1, соответственно, в связи с тем, что каверна является препятствием основному потоку и поток локально ускоряется над ней. В пределах каверны скорость резко падает. Это объясняется возникновением возвратного течения под каверной. Также, можно видеть, что профиль скорости становится прямолинейным. За задней кромкой каверны, вниз по потоку, можно видеть увеличение толщины турбулентного пограничного слоя.
Рассмотрим изменение профилей скорости вблизи каверны при постепенном уменьшении числа кавитации. Итак, на Рисунке 3.3.5 а) представлены профили скорости в сечении х/С = 0,1 для докавитационного режима обтекания - черной сплошной линией с ромбами, a = 2,05 и 1,86, пунктирной линией с длинными штрихами и треугольниками - «стриковые» режимы обтекания a = 1,54 и 1,41, точечной линией с кружочками - переходный режим для a = 1,27, 1,15 и 1,04 и линией с квадратами - облачный режим кавитации a =0,94. Для «стрикового» режима обтекания каверна возникает на расстоянии 0,03 С и замыкается на расстоянии 0,074С от передней кромки, то есть в сечении х/С = 0,1 пластина обтекается однофазным потоком, однако за счет образования каверны локальная скорость над каверной резко увеличивается (UmJU0)ioc = 1,28 для a = 1,54 и (Umax/Uo)ioc = 1,35 для а = 1,41. Другими словами, при уменьшении числа кавитации для «стрикового» типа кавитационного обтекания увеличение скорости потока приводит к росту как самой каверны, так и нормированной локальной скорости за задней кромкой каверны. Для переходной и облачной кавитации присоединенная каверна начинается в сечении 0,03С и заканчивается в сечении 0,25С и 0,325С, соответственно. То есть, в сечении х/С = 0,1 каверна существует или отсутствует в зависимости от зафиксированного момента цикла роста/исчезновения кавитационной каверны. Таким образом, при уменьшении числа кавитации, можно видеть, уменьшение локального максимума средней скорости в пределах каверны для переходного режима и дальнейшее уменьшение при переходе к облачному типу обтекания.
В сечении х/С = 0,2 (Рисунок 3.3.5 б) в случае «стрикового» режима обтекания наличие каверны в потоке не приводит к существенным изменениям значения скорости по сравнению с бескавитационным обтеканием профиля. Однако, как и в случае докавитационного режима обтекания при увеличении скорости набегающего потока наблюдается увеличение длины каверны, как следствие расширение пристенного пограничного слоя, то есть при уменьшении числа кавитации локальная скорость в пределах каверны уменьшается.
Кавитационное обтекание каскада гидропрофилей NACA0015
В работе экспериментально исследована гидродинамика течения, реализующегося вблизи каскада гидрокрыльев, состоящего из трех профилей серии NACA0015 с длиной хорды 100 мм
(Рисунок 2.2.10) методами высокоскоростной визуализации и цифровой трессерной визуализации. В рабочем участке экспериментального стенда гидрокрылья располагаются таким образом, что их геометрические центры находятся на одной линии, перпендикулярной направлению течения, на расстоянии 60 мм друг от друга. Для того чтобы иметь оптический доступ к среднему профилю, расположенному по центру рабочего канала (соответствует местоположению одиночного гидрокрыла в эксперименте), который является наиболее репрезентативным в данном случае с точки зрения моделирования, одно из крайних крыльев изготовлено из оргстекла. Таким образом, при проведении измерений полей мгновенной скорости методом PIV, лазерный «нож» проходил через прозрачный профиль и засвечивал поток с трассерами в окрестности среднего профиля. Два других гидрокрыла изготовлены из латуни.
Измерение полей мгновенной скорости проведено для различных режимов течения, реализующихся при вариации среднерасходной скорости набегающего потока и угла атаки а, который составлял 0, 3 и 6. В работе представлены результаты экспериментальных измерений для наиболее репрезентативного угла атаки а = 3. Необходимо заметить, что для угла атаки а = 3 расстояние от стенки рабочего канала до передней кромки крайнего профиля меньше расстояния между гидрокрыльями, поэтому в эксперименте кавитационные явления проявляются вначале на нем, вплоть до появления переходного типа кавитационной каверны, в то время как на среднем профиле кавитации не наблюдается вовсе. Углы атаки, близкие к 0, не представляют особого интереса с точки зрения выбранной геометрии. Для углов атаки а 6, кавитационная каверна на среднем профиле не зарождается. Избыточное давление в контуре и температура жидкости во время проведения эксперимента поддерживаются постоянными и составляют 59 кПа и 30С соответственно. Рабочей жидкостью служит дистиллированная вода.
Для каскада гидрокрыльев (угол атаки а = 3) увеличение скорости набегающего потока приводит к образованию каверны вначале на верхнем профиле. Число кавитации в этом случае составляет а 1,6. Режим кавитации является пленочным. Длина каверны находится в пределах 0,05-0,07С. При этом на других гидрокрыльях кавитации не наблюдается. Данное явление связано с перераспределением давления в канале, за счет большого перекрытия потока. Далее при уменьшении числа кавитации до 1,24 тип кавитации на верхнем гидрокрыле изменяется на переходный, на среднем профиле наблюдается зарождение отдельных пузырей (Рисунок 4.2.1 б), так же, как и в случае одиночного профиля (Рисунок 4.2.1 а). Таким образом, реализующиеся типы кавитационного обтекания на одиночном гидрокрыле и среднем профиле каскада схожи, однако, числа кавитации, рассчитывающиеся как отношение разности двалений к гидродинамическому напору, определяющие режим обтекания, значительно отличаются. Проводя сравнение кавитационного обтекания одиночного профиля и каскада, можно констатировать, что числа кавитации сильно отличаются для относительно близких (по длине каверны) режимов, в результате чего прямое сравнение обтекания для равных чисел кавитации затруднено. направление потока
Основной причиной различия чисел кавитации при сравнительно близких типов возникающих кавитационных каверн является увеличение перекрытия потока гидрокрыльями. Как следствие, в потоке происходит перераспределение давления между телами обтекания. Изменение кавитационных характеристик течения вблизи системы гидропрофилей было замечено еще в работах Нумачи Ф., 1965 [154 - 157], Ига Ю. и др., 2001 [127,128], Лоберг Г., 2002 [150] и др., однако обоснование корректного сравнения скоростных характеристик потока для одиночного профиля и каскада представлено не было.
Автором работы проведены аналитические расчеты средней скорости потока при наличии трех гидропрофилей и одиночного гидрокрыла в потоке для докавитационного режима обтекания при фиксированном расходе Q с учетом миделева сечения тела обтекания. Результаты расчетов представлены для угла атаки а — 3. Миделево сечение одного гидрокрыла серии NACA0015 (а = 3) в данном случае составляет S = й-0,08, где h = 0,01502 мм. Таким образом, гидропрофилей, Uolh - средняя скорость потока для одиночного профиля. Из полученного соотношения следует, что средняя скорость потока на входе в рабочий участок гидротурбины для каскада гидропрофилей должна быть выше в 1,15 раз. Данное условие в реальном гидрооборудовании не выполнимо. Поэтому в данной работе проведены количественные измерения полей скорости потока в случае каскада гидропрофилей для различных реализующихся режимов обтекания. Для достаточно близких типов кавитационного обтекания гидрокрыла и центрального профиля каскада было показано, что значение средней скорости течения, рассчитанное аналитическим образом для решетки, достигается в точке потока, находящейся в центре линии, соединяющей передние кромки гидрокрыльев (Рисунок 4.2.3).
На основе полученных представлений, введем локальное число кавитации и далее по тексту будем оперировать им: где Pioc и Uioc - локальные значения среднего статического давления и продольной компоненты средней скорости, которые оцениваются посередине межлопастного канала в сечении, проходящем через лобовые точки гидрокрыльев. При таком определении числа его значения составляют 1,18 при а = 1,24 и 0,84 при а = 1,14, что в принципе достаточно близко к значениям числа кавитации в случае обтекания одиночного профиля при тех же наблюдаемых режимах течения. Необходимо заметить, что локальное значение статического давления не измерялось, а было оценено по закону Бернулли, который может быть применен к той области течения, где пульсации скорости невелики.
Заметим, что понятие кавитации и, как следствие, число кавитации сначала было введено для кавитирующих лопастей гребного винта корабля Тома Д. [186], и имеет следующий вид: а = (PQ -Pv)/p 32R2, где Ро - давление вверх по потоку от гребного винта, Pv - давление насыщенных паров воды, р - плотность жидкости, со - угловая скорость вращения винта, R -расстояние от оси винта до конца лопасти. Однако, в ходе подробных исследований и последующего увеличения крыльчатки выяснилось, что кавитационные процессы, возникающие на лопастях, становятся сильнее, что приводит к потере расчетной мощности. Для того, чтобы найти компромисс между гидравлическими и структурными требованиями крыльчатки Бренненом К.Е., 1994 [89] было предложено использовать локальное число кавитации: а = (Ро _ pj / рюУ, где г - расстояние от оси вращения до R. В работе Франка Д.П. и др., 2010 [115] благодаря введенному локальному числу кавитации для четырехлопастного импеллера дается объяснение возрастания длины каверны от центра к концам профиля.