Численное и экспериментальное исследование нестационарных явлений в гидродинамических вихревых камерах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Дектерев, Дмитрий Александрович

• Дектерев, Дмитрий Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Дектерев, Дмитрий Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ.

1.1. Характеристики закрученных потоков.

1.2. Формирование закрученных течений.

1.3. Использование закрученных потоков.

1.4. Прецессирующее вихревое ядро (ПВЯ).

1.5. Формирование ПВЯ за колесами гидротурбин.

1.6. ПВЯ в камерах сгорания.

1.7. Общие особенности ПВЯ при изотермических условиях.

1.8. Эффект ограничения.

1.9. Выводы по анализу литературы.

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА, ТЕХНИЧЕСКОЙ БАЗЫ И МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Экспериментальная установка.

2.1.1. Насос Х100-80-160Т-153.

2.1.2. Частотный преобразователь ВЕСПЕР Е2-8300-030Н.

2.1.3. Преобразователь расхода дифференциальный Сапфир-22-ДД.

2.1.4. Вихревая камера.

2.2. Определение частотных характеристик потока.

2.2.1. Пьезоэлектрические датчики давления.

2.2.2. Усилитель сигнала LP-03.

2.2.3. Преобразователь напряжения АЦПЕ14-140.

2.2.4. Программа L-Graph.

2.2.5. Методика определения частотных характеристик.

2.3. Описание метода Particle Image Velocimetry (PIV).

2.3.1. Принцип метода.

2.3.2. Р1У система ПОЛИС.

2.3.3. АсШаШ1о\у.

2.3.4. Методика Р1У применительно к данной работе.

2.4. Визуализация течения.

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ВИХРЕВОЙ КАМЕРЫ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПВЯ.

3.1. СББ пакет 8ТАЯ-ССМ+.

3.2. Уравнения для описания турбулентных течений.

3.3. Расчетная оптимизация геометрии ВК.

3.4. Сравнение ЭЕ8 моделей, имеющихся в 8ТАЯ-ССМ+.

3.5. Зарождение ПВЯ.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. ОБСУЖДЕНИЯ. СОПОСТАВЛЕНИЯ.

4.1. Оптимизированная вихревая камера.

4.2. Влияние геометрических модификаций на структуры вторичных вихрей.

4.3. Частотные характеристики ПВЯ.

4.4. Изменение давления в камере.

4.5. РГУ Эксперимент.

4.5.1. Определение аксиальных скоростей потока.

4.5.2. Профили тангенциальной скорости.

4.6. Пульсационные характеристики.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное и экспериментальное исследование нестационарных явлений в гидродинамических вихревых камерах»

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 потока; устранения вторичных нестационарных явлений; организации 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 = 145000, 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 одно- и 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.