Численное и экспериментальное исследование нестационарных явлений в гидродинамических вихревых камерах

Дектерев, Дмитрий Александрович

Численное и экспериментальное исследование нестационарных явлений в гидродинамических вихревых камерах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Дектерев, Дмитрий Александрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Численное и экспериментальное исследование нестационарных явлений в гидродинамических вихревых камерах»

Автореферат диссертации на тему "Численное и экспериментальное исследование нестационарных явлений в гидродинамических вихревых камерах"

На правах рукописи

Дектерев Дмитрий Александрович

ЧИСЛЕННОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ВИХРЕВЫХ КАМЕРАХ

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

6 Ш! ¿013

ООьио""—

Новосибирск - 2013

005060853

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Шторк Сергей Иванович

Официальные оппоненты:

Терехов Виктор Иванович - доктор технических наук, профессор, зав. отделом термогазодинамики ФГБУН Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

Смирнов Евгений Михайлович - доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой гидроаэродинамики ФГБОУ ВГТО Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, г. Санкт-Петербург.

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО "Дальневосточный федеральный университет", г. Владивосток.

Защита состоится 26 июня 2013 г. в 9 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 003.053.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук при ФГБУН Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО

РАН.

Автореферат разослан 2.4 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета д. ф.-м. н.

Кузнецов Владимир Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. 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 интенсивностей закрутки потока нет, поэтому получение экспериментальных данных для формирования такой базы данных весьма актуально.

Ранее, в ИТ СО РАН был проведен цикл исследований, в которых эффект прецессии вихря был рассмотрен в моделях вихревых горелочных устройств, в которых закрутка производится с помощью лопаточного завихрителя с наибольшими значениями параметра крутки 5 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 5 = 2,4.

Целью работы является комплексное расчетно-экспериментальное исследование сильнозакрученных 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 CFD метода для оптимизации геометрии ВК с целью: 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 на 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 (5 > 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 описания 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, целью которого является сопоставление расчетных данных с экспериментальными и сбор дополнительной информации, получение которой в ходе экспериментального исследования затруднен или невозможен.

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; в создании экспериментального стенда; оптимизации вихревой камеры для исследования выраженного эффекта ПВЯ в приближенных к симметричным условиях без влияния вторичных вихревых структур; 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 гидрогазодинамики» (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 тепломассопереноса 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 (Гетгинген, 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, в том числе, 4 журнальных статьи, из них 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.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе даются определения основных терминов. Описываются закрученные потоки, методы их формирования, характеристики, эффекты, связанные с их формированием. Проводится обзор областей применения закрученных потоков, их преимущества и недостатки.

Описываются нестационарные явления в закрученных потоках. Даётся определение явления ПВЯ. Описывается проявление ПВЯ в технических устройствах (сепараторах, камерах сгорания, гидроагрегатах ГЭС и т.д.). Проводится анализ литературы, связанной с исследованием ПВЯ. Обсуждаются результаты экспериментальных исследований частотных характеристик ПВЯ, методов полевого исследования структуры ПВЯ, полученных другими авторами. Проводится обзор работ, связанных с численным моделированием и теориями его аналитического описания.

Для изотермических условий частота ПВЯ может быть охарактеризована числом Струхаля и параметром закрутки S (Gupta и др., Syred и др., O'Doherty и др., Chanaud). Данные сопоставления числа Струхаля и параметра закрутки потока, собранные из многих источников (Gupta и др., Syred и др., Yazdabadi и др., Claypole, Sprruyt, Chanaud, Sahatimehr, Najim, и др.), представлены на рис. 1.

Swirl Number

Рис. 1. Зависимость числа Струхаля от параметра закрутки потока для различных закручивающих устройств (Syred, 2006).

В работе [Шторк и др.] отмечено изменение профилей аксиальной и тангенциальной скоростей при одинаковом числе Рейнольдса для различных параметров закрутки потока (рис. 2).

о О

О 0,16

0,4

0,8"

Рис. 2. Влияние параметра крутки на осредненные скорости (Шторк и др., 2005).

Большое внимание вихревой тематике уделено в работах российских ученых (Алексеенко, Ахметов, Куйбин, Пирапишвили, Шторк и др.)

Количество опубликованных материалов экспериментальных и расчетных работ подтверждает большую актуальность данного направления. Однако большинство работ носит прикладной характер и исследования проведены для конкртеных техничеких устройств. В связи с этим появляется необходимость проведения комплексных исследований ПВЯ.

Вторая глава посвящена вопросу создания экспериментального гидродинамического стенда, описанию используемого оборудования и методик исследования.

Разработанный экспериментальный стенд представляет собой замкнутый гидродинамический контур (рис. 3), состоящий из: бака ёмкостью 500 л (1); центробежного химического насоса X100-80-160Т-153 с двигателем 22 кВт (2) номинальной производительностью 100 мЗ/ч и создающим напор 3,2 атм.; частотного преобразователя ВЕСПЕР Е2-8300-030Н 22 кВт 380В (3); шарового крана (4); системы подводящих пластиковых труб (ПЭ80, ПЭ100) (5); расходомерного узла с преобразователем давления САПФИР-22 (6); рабочего участка (тангенциальной вихревой камеры) (7); системы отводящих труб (8). Контур заполняется дистиллированной водой или водой, прошедшей трехступенчатую очистку.

Рис. 3. Схема установки.

В качестве вихревой камеры было решено использовать имеющуюся модель тангенциального расходомера, которая состояла из следующих основных элементов: завихритель с тангенциальным подводом, профилированное сопло, область внезапного расширения, выходная секция с тангенциальным выходом. Геометрия такой камеры и характерные размеры представлены на рис. 4.

Рис. 4. Исходная геометрия камеры.

Первые эксперименты показали сильную несимметричность потока жидкости в камере, что обусловлено влиянием ориентации выходного патрубка относительно входного. Было также обнаружено присутствие мощного вторичного вихря, присоединенного к задней стенке рабочей камеры, который затруднял оптический доступ к исследуемой области и, кроме того, оказывал существенное влияние на структуру и амплитудно-частотные характеристики

основного исследуемого вихря. Визуализация течения проводилась посредством использования лазерного ножа, скоростной камеры и пузырьков воздуха, инжектируемых в контур перед вихревой камерой.

Для определения частотных характеристик ПВЯ на выходе из сопла производилась запись пульсаций давлении с применением пары пьезоэлектрических датчиков давления 014-МТ, которые вдвигались в поток геометрически противоположно друг другу заподлицо соплу. При таком расположении датчиков пики отрицательного давления, соответствующие прохождению вихревого ядра вблизи датчика, находились в противофазе, что позволило получить разностный сигнал, устраняющий шумы и посторонние колебания.

По спектрам пульсаций давления при помощи быстрого Фурье-преобразования были определены частоты прецессии вихря.

Для получения информации о полях скоростей и их пульсаций был использован метод PIV (Particle Image Velocimetry). Метод цифровой трассерной визуализации относится к классу бесконтактных методов измерения скорости в потоках.

Основными преимуществами метода являются: бесконтактность; возможность измерения мгновенных распределений скорости; широкий диапазон измеряемых скоростей.

В работе использовалась PIV-система ПОЛИС, включающая в себя: двойной импульсный Nd:YAG лазер POLIS v3.3 с оптической насадкой, формирующей лазерный нож, две кросскорреляционные камеры IMPix POLIS vi.О на базе камеры «ВИДЕОСКАН-205-2001», синхронизирующий процессор POLIS, а также набор объективов для камер. Для удобства измерений система была размещена на координатном устройстве. В качестве трассеров в поток добавлялись полиамидные частички фирмы Dantec Dynamics диаметром 20 мкм. Сбор и обработка данных производились на персональном компьютере с использованием программного обеспечения ActualFlow.

Третья глава посвящена описанию математических моделей и численных методов, выбранных для моделирования гидродинамики вихревой камеры, а также результатам по оптимизации конструкции вихревой камеры.

Математическая модель

В работе использовался CFD пакет STAR-CCM+, являющийся одним из современных программных комплексов, предназначенных для решения задач механики сплошных сред. Как известно, движение несжимаемой жидкости во всех режимах описывается уравнениями Навье-Стокса, но использование прямого численного моделирования (DNS) для турбулентных течений требует огромных вычислительных ресурсов и поэтому используется только для простых задач. Для решения индустриальных задач широко используются модели, основанные на осредненных уравнениях Навье-Стокса, замыкаемые двухпараметрическими моделями турбулентности (RANS). Однако, как показано в работе Сентябова и др., для закрученных потоков RANS не позволяет корректно рассчитать параметры потока с ПВЯ. LES метод

(моделирование крупных вихрей) для ограниченных течений, так же как и DNS, очень затратный, поэтому в данной работе использовался гибридный RANS/LES подход, а именно DES метод с использованием модели SST Menter's k-omega.

На входе в расчетную область (входные патрубки) задавался расход жидкости и турбулентные характеристики потока, а на выходе (выходные патрубки) из нее - давление.

Для экономии вычислительных ресурсов предварительно производился расчет стационарной задачи. После формирования установившегося потока решалась нестационарная задача DES методом.

Используемый в STAR-CCM+ метод расчета основан на интегрировании уравнений переноса по конечным объемам произвольной формы, при этом для аппроксимации производных по пространству и времени применялись схемы второго порядка точности.

Расчетная геометрия строилась по чертежам экспериментального стенда, и представляла собой цельную вихревую камеру, включающую входные и выходные патрубки. Для моделирования использовались полиэдральные сетки, при этом в областях наблюдения ПВЯ и распада вихря усиливалась детализация сетки, а для лучшего разрешения течения вблизи стенок строились пристеночные призматические слои. При оптимизационном моделировании ВК характерное количество расчетных ячеек составляло порядка 600 ООО (рис. 5).

Расчетная оптимизация геометрии ВК

Начальной целью численного моделирования стала оптимизация рабочей камеры для создания условий формирования ПВЯ приближенных к каноническим, а именно создание осесимметричного закрученного потока и исключение паразитных нестационарных явлений в нём. Для создания симметричного потока в ВК были рассмотрены три варианта геометрии, отличающиеся от первоначальной входным и выходным участками. В частности, тангенциальный отвод был заменен на четыре осесимметричных аксиальных, а также было увеличено количество входных патрубков до двух и четырех (рис. 6).

Рис. 5. Расчетная сетка для модели ВК.

Рис. 6. Картины течения для камер с различными геометриями.

Из результатов предварительных стационарных расчетов (рис. 6) можно видеть, что в геометрии с одним входным патрубком поток прижимается к противоположной стенке от входа, а структуры потока в камерах с двумя и четырьмя входами в достаточной мере симметричны. Исходя из соображений простоты создания экспериментального стенда, для дальнейших исследований был выбран вариант с двумя входными патрубками.

Нестационарное моделирование показало, что в такой конструкции ВК наблюдается формирование мощного вторичного осесимметричного вихря, проникающего в область формирования ПВЯ, так же как и в эксперименте (рис. 7).

Рис. 7. Визуализация вторичного вихря (расчет и эксперимент).

Для борьбы с вторичными вихрями была предложена система лопаток, разбивающих закрученный поток в выходной области ВК. В результате моделирования было получено течение с ярко выраженным эффектом ПВЯ. И хотя полного избавления от вторичных структур получить не удалось, интенсивность этих структур, оценивая критерий 1атЬс1а-2, была на порядки ниже интенсивности основного ПВЯ, и влияния на исследуемый эффект они, предположительно, не имели (рис. 8).

Рис. 8. Визуализация первичной (lambda = -150000) и вторичных (lambda = -7000) вихревых структур (расчет и эксперимент).

Для оценки влияния геометрии выходной области на параметры ПВЯ была рассчитана идеальная модельная камера, включающая в себя только входную область (завихритель) и сопло. Результаты сравнения частотных характеристик идеальной и предлагаемой конструкций выявили сравнительно небольшое расхождение, порядка 3%.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального и численного исследования течения в вихревой камере.

Влияние геометрических особенностей на вторичные вихри В ходе эксперимента были рассмотрены несколько вариаций геометрии камеры, отличающиеся длиной зоны внезапного расширения и типом системы лопаток в выходной секции. Исследовалось влияние геометрии выходного участка камеры на структуру потока и частотные характеристики ПВЯ. В ходе данных работ было обнаружено изменение вторичных вихревых структур, а именно:

1. Присутствие двухвихревой структуры в оригинальной геометрии.

2. Формирование центрального осесимметричного вихря в случае отсутствия разбивающих лопаток.

3. Отсутствие ярко выраженных вторичных вихревых структур в случае добавления в выходную секцию сплошной крестовины.

4. Стабилизация одновихревой структуры при двукратном удлинении зоны внезапного расширения.

5. Возвращение двухвихревой структуры при установке сплошной крестовины, разбивающей закрученный поток в случае удлиненной геометрии.

Однако изменения частотных характеристик ПВЯ в зависимости от структуры вторичных вихрей находились в пределах погрешности эксперимента, за исключением варианта с формированием центрального осесимметричного вихря. В этом случае вихрь одним концом оседал на торцевой стенке камеры, а вторым - проникал в область формирования ПВЯ, что приводило к нестабильности эффекта ПВЯ.

Частотные характеристики

По спектрам пульсаций давления при помощи быстрого Фурье-преобразования были определены частоты прецессии вихря. На рис. 9 представлено сопоставление экспериментальных (ехр) и численных (са1с) данных в размерных (частота от расхода) и безразмерных (Струхаль от Рейнольдса) величинах. Можно видеть достаточно хорошее соответствие этих результатов.

з ' н 0.8

о б -0.4 -

0.2

П-1-г

2 25 3 О, л/с

ЗЦЙв) АДА мвэт

Ие*10'

{а) (б)

Рис. 9. Частотные характеристики в размерном (а) и безразмерном (б) виде.

На графике 9(а) видно, что частота прецессии имеет линейную зависимость от расхода, а график 9(6) указывает на то, что в измеряемом диапазоне скоростей эффект ПВЯ находится в области автомодельности. Отметим, что характер зависимостей частоты прецессии от объемного расхода, представленный на графиках, аналогичен результатам, полученным для закрученного течения с относительно низкими параметрами крутки.

На рис. 10 представлена зависимость числа Струхаля от числа Рейнольдса для камер с параметрами закрутки 5 = 1,4, 5 = 1,8 и 5 = 2,4. (сопла В = 30, 40 и 50 мм соответственно).

2 -, 1.8 -1.6 -1 4 1.2 -; 1

0.6 -0 6 -0.4 -0 2 -О -

St(Re)

-D=52mm (S=2,4) (1)

♦ ♦ ♦ D=52mm (S=2,4) (2)

-D=40mm (S=1,6) (1)

® ® ®D=40mm(S=1,8)(2)

-— D=30mm (S=1,4) (1)

Д Д AD=30mm (S=1,4) (2)

Re*10"

~l 16

Рис. 10. Зависимость числа Струхаля от числа Рейнольдса для камер с параметрами закрутки S = 1,4, S = 1,8, S = 2,4

Хорошо видно, что во всём диапазоне чисел Рейнольдса эффект ПВЯ имеет автомодельный характер. Также виден рост числа Струхаля при увеличении параметра закрутки потока. Эксперимент проводился дважды -видна хорошая повторяемость результатов.

Поля скорости и завихренности

Экспериментальное исследование структуры потока производилось с использованием PIV (Particle Image Velocimetry) - оптического метода измерения мгновенного поля скорости жидкости или газа в выбранном сечении потока.

Представленные ниже результаты соответствуют расходу воды, равному 12 м3/ч (Re = 81700), для сечения внутри сопла на 20 мм ниже его кромки. На рис. 11 приведены снимок, полученный PIV камерой, и условно осреднённое поле завихренности (осреднение проводилось по двадцати кадрам, на которых вихревое ядро находилось в одной фазе).

На рис. 12 приведено сопоставление расчетного поля мгновенных скоростей в поперечной плоскости с полем мгновенной скорости, полученным техникой PIV. Предполагая, что структура потока имеет периодический характер, для сравнения используются картины течения в разные моменты времени, но с нахождением вихревого ядра в одной фазе. Данные демонстрируют характерные особенности мгновенного поля течения с

вихревым ядром, смещенным относительно геометрического центра. Можно видеть распределение минимумов и максимумов скоростей относительно вихревого ядра: максимальные скорости наблюдаются вблизи стенки сопла, по направлению к которой отклоняется центр вихря, минимальные скорости наблюдаются в противоположном направлении, непосредственно за осью вихря.

(а) (б)

Рис. 11. Картина течения (а) и соответствующее поле завихренности (б).

Подобная структура потока была зафиксирована в предыдущих исследованиях для 5 = 1 [6]. Также нужно отметить большой градиент скорости: минимальная - порядка 1 м/с, а максимальная - порядка 10 м/с.

1! I,1:

...... ш

Рис. 12. Сопоставление расчетных (а) и экспериментальных (б) радиально-тангенциальных компонент скорости.

На рис. 13 показаны расчетные и измеренные профили мгновенных х, у компонент скорости вдоль линии, пересекающей центр вихря и геометрический центр камеры (сплошная линия на рис. 12).

60 о

(а) (б)

Рис. 13. Сопоставление профилей мгновенных х - (а), у - (о) компонент скорости.

На рис. 14 показаны осредненные профили тангенциальной и аксиальной скоростей в сечении 20 мм выше среза сопла. Отмечается хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных.

(б)

Рис. 14. Профили тангенциальной (а) и аксиальной (б) скоростей (сечение 20 мм выше кромки сопла).

На рис. 15 показаны данные сопоставления полей скоростей, полученных экспериментально для камер с различными параметрами закрутки потока.

Рис. 15. Сопоставление профилей тангенциальных (а) и аксиальных (б) скоростей для камер с параметрами закрутки потока (5 = 1,4, 5 = 1,8 и 5 = 2,4)

В литературных данных отмечено, что профили скорости изменяются в зависимости от параметра закрутки потока. При этом наибольшая зависимость наблюдается при росте параметра закрутки от Б = 0 до £ = 1, профили для 5 = 1 и 5= 1,5 меняются незначительно. Из полученных в данной работе результатов видно, что при больших параметрах 5 > 1,4 профили скоростей совпадают, можно предположить, что существует некоторый критичный параметр закрутки, при достижении которого поток принимает неизменную форму.

В заключении отображены итоги работы и сформулированы основные научные результаты:

- Для лабораторных исследований применена техника предварительной оптимизации геометрии экспериментальных моделей вихревых камер с тангенциальной закруткой потока основанная на применении методов вычислительной гидродинамики (СРО).

- Создан стенд с вихревой камерой, исследования на котором позволяют отрабатывать способы управления эффектом ПВЯ в технических устройствах, использующих закрутку потока (скрубберы, циклоны, вихревые расходомеры и др.)

- С использованием пьезоэлектрических датчиков определены частотные характеристики ПВЯ в зависимости от расхода и геометрического параметра крутки потока. Показаны особенности проведения исследований пульсаций давления с применением разностного сигнала.

- Впервые выполнен систематический эксперимент при различных параметрах закрутки потока по определению полей скоростей и их пульсаций методом Р1У в различных сечениях вихревой камеры, для зон формирования ПВЯ, распада вихря и зарождения вторичных вихревых структур.

- Проведено численное моделирование задачи с использованием коммерческого CFD пакета STAR-CCM+.

- Полученные результаты экспериментальных исследований и данные по характеристикам вихревого потока служат базой для верификации современных и новых математических моделей вихревых течений.

- 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 на расширенных диапазонах скоростей, а именно во всём исследуемом диапазоне чисел Рейнольдса от Re = 6800 до Re = 145000, т.е. вязкость рабочей среды не влияет на характеристики ПВЯ.

- Сопоставление профилей скорости потока для различных параметров крутки показали, что для больших параметров крутки потока (S > 1,4), её влияние на профили скоростей является незначительным. Стоит отметить, что подобная информация ранее не встречалась в литературе.

- Показана «квазистабильность» структуры потока в различные моменты времени для одной фазы ПВЯ в оптимизированных условиях.

- Показана применимость гибридной RANS/LES (DES) модели турбулентности на основе двузонной модели Ментера (MSST) для описания характеристик ПВЯ, формируемого в тангенциальной вихревой камере.

Результаты работы автора опубликованы в журнальных статьях, докладах, материалах, трудах и тезисах конференций:

1. Дектерев Д.А., Дектерев A.A., Шторк С.И. Экспериментальное и численное исследование прецессирующего вихревого ядра в условиях сильной закрутки потока //Journal of Siberian Federal University. Engineering&Technologies №5, (2012 5), c. 487-494 (из перечня ВАК).

2. Анохина Е.С., Алексеенко C.B., Дектерев Д.А., Шторк С.И. Исследование стационарных вихревых структур в модельной камере сгорания //Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика, НГУ, Новосибирск, 2012 с. 56-65 (из перечня ВАК).

3. Алексеенко C.B., Дектерев Д.А., Шторк С.И. Исследование прецессирующего вихревого ядра в цилиндрической камере. //Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева, выпуск 4(30), Красноярск: Редакционно-издательский отдел Сиб. Гос. Аэрокосмического университета, 2010, с. 120-124 (из перечня ВАК).

4. Дектерев Ал.Ан., Дектерев Арт.Ал., Дектерев Д.А., Шторк С.И. Численное моделирование нестационарных вихревых явлений. //Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2011, №2(7), с. 108-111.

5. Дектерев Д.А. Численное и теоретическое моделирование процессов вихреобразования в гидродинамических вихревых камерах. //Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей: Доклады Всероссийской молодёжной конференции, Вып.ХП, Новосибирск: ООО «Параллель», 2010, с. 115-118.

6. Дектерев Д.А., Дектерев A.A. Исследование горения пламени метано-воздушной смеси с использованием расчетно-экспериментальных методов

//Материалы XLVIII международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск: Редакционно-издательский центр НГУ, 2010, с. 39.

7. Дектерев Д.А., Дектерев А.А., Чикишев Л.М, Шторк С.И. Расчетно-экспериментальное исследование горения пламени метано-воздушной смеси в ограниченном пространстве. //Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии: «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», 2009, с. 101-102.

8. Анохина Е.С., Дектерев Д.А. Математическое моделирование стационарных вихревых структур в модельной вихревой камере сгорания. //Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики: Тезисы докладов, Новосибирск: ИТ СО РАН, 2010, с. 8.

9. Дектерев А.А., Дектерев Д.А. Численное исследование прецессии вихревого ядра. //XXIX Теплофизический семинар: Сб. Тезисов докладов Всероссийской конференции, Новосибирск: Института теплофизики СО РАН, 2010, с.70-71.

10. Дектерев Д.А. Нестационарные вихревые структуры в модельной вихревой камере. //Инновационная энергетика 2010: Материалы второй научно-практической конференции с международным участием, Новосибирск: издательство НГТУ, 2010, с. 9-12.

11. Анохина. Е.С., Дектерев Д.А. Численное исследование аэродинамической структуры закрученного потока в модели тангенциальной топки. //Инновационная энергетика 2010: Материалы второй научно-практической конференции с международным участием, Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010, с. 53-55.

12. Dekterev D. A study of PVC in high swirl number sudden expansion flow in cylindrical vortex chamber. //Book of abstracts 5th EPFDC, Gottingen, 2011, p. 27.

13. Vinokurov A. Dekterev D. Numerical and experimental modeling vortex formation in a vortex hydrodynamic chamber. //Book of abstracts 5th European Postgraduate Fluid Dynamics Conference, Gottingen, 2011, p. 48.

14. Алексеенко C.B., Дектерев Д.А., Шторк С.И Исследование вихревых структур в модельной вихревой камере. //Теплофизические основы энергетических технологий: Сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Томск: Изд-во ТПУ, 2010, с. 58-62.

15. Дектерев Д.А. Исследование сильно закрученного потока с формированием прецессирующего вихревого ядра. Тезисы докладов Международной научной школы молодых ученых «Волны и вихри в сложных средах», Москва, 2012, с. 73-76.

16. Дектерев Д.А. Исследование Структуры закрученных потоков. //Тезисы докладов X международной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 2012, с.40.

17. Shtork S.I., Dekterev D.A., Litvinov I.V., Fernandes E.C., Alekseenko S.V. Instability analysis of a turbulent vortex flow. //Abs. Fourth International Symposium "Bifurcations and Instabilities in Fluid Dynamics", July 18-21, 2011, Barcelona, Spain.

Подписано к печати 20.05.2013 г. Заказ № 21

_Формат 60x84/16. Объем 1,1 уч.-изд.л. Тираж 100 экз._

Отпечатано в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 1.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Дектерев, Дмитрий Александрович, Новосибирск

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН

На правах рукописи П47П1"60589 ^ ™

Дектерев Дмитрий Александрович

ЧИСЛЕННОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ

ВИХРЕВЫХ КАМЕРАХ

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

С.И. Шторк

Новосибирск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ............................12

1.1. Характеристики закрученных потоков.............................................................12

1.2. Формирование закрученных течений................................................................14

1.3. Использование закрученных потоков...............................................................15

1.4. Прецессирующее вихревое ядро (ПВЯ)............................................................17

1.5. Формирование ПВЯ за колесами гидротурбин................................................20

1.6. ПВЯ в камерах сгорания.....................................................................................21

1.7. Общие особенности ПВЯ при изотермических условиях...............................28

1.8. Эффект ограничения...........................................................................................29

1.9. Выводы по анализу литературы.........................................................................34

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА, ТЕХНИЧЕСКОЙ БАЗЫ И МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЯ......................36

2.1. Экспериментальная установка...........................................................................36

2.1.1. Насос Х100-80-160Т-153..............................................................................37

2.1.2. Частотный преобразователь ВЕСПЕР Е2-8300-030Н..............................37

2.1.3. Преобразователь расхода дифференциальный Сапфир-22-ДД..............39

2.1.4. Вихревая камера............................................................................................40

2.2. Определение частотных характеристик потока...............................................42

2.2.1. Пьезоэлектрические датчики давления.......................................................42

2.2.2. Усилитель сигнала LP-03.............................................................................43

2.2.3. Преобразователь напряжения АЦПЕ14-140..............................................43

2.2.4. Программа L-Graph.......................................................................................45

2.2.5. Методика определения частотных характеристик....................................45

2.3. Описание метода Particle Image Velocimetry (PIV)..........................................49

2.3.1. Принцип метода.............................................................................................50

2.3.2. Р1У система ПОЛИС.....................................................................................50

2.3.3. АсШаШ1о\у......................................................................................................51

2.3.4. Методика Р1У применительно к данной работе........................................52

2.4. Визуализация течения.........................................................................................55

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ВИХРЕВОЙ КАМЕРЫ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПВЯ................................................................................58

3.1. СББ пакет 8ТАЯ-ССМ+.....................................................................................58

3.2. Уравнения для описания турбулентных течений............................................61

3.3. Расчетная оптимизация геометрии ВК..............................................................66

3.4. Сравнение ЭЕ8 моделей, имеющихся в 8ТАЯ-ССМ+....................................71

3.5. Зарождение ПВЯ..................................................................................................73

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. ОБСУЖДЕНИЯ. СОПОСТАВЛЕНИЯ...........................................................................................75

4.1. Оптимизированная вихревая камера.................................................................75

4.2. Влияние геометрических модификаций на структуры вторичных вихрей...77

4.3. Частотные характеристики ПВЯ........................................................................80

4.4. Изменение давления в камере............................................................................86

4.5. РГУ Эксперимент.................................................................................................88

4.5.1. Определение аксиальных скоростей потока..............................................94

4.5.2. Профили тангенциальной скорости............................................................99

4.6. Пульсационные характеристики......................................................................101

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................103

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................109

ВВЕДЕНИЕ

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.

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:

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.

Выполнение численного моделирования и сопоставление расчетных данных с экспериментом.

Научная новизна:

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 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:

Автор защищает:

Результаты численного моделирования для оптимизации геометрии экспериментальной вихревой камеры.

Результаты численного моделирования, целыо которого является сопоставление расчетных данных с экспериментальными и сбор дополнительной информации, получение которой в ходе экспериментального исследования затруднено или невозможно.

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:

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:

Содержание работы:

В первой главе даются определения основных терминов. Описываются закрученные потоки, методы их формирования, их характеристики, эффекты, связанные с их формированием. Проводится обзор областей применения закрученных потоков, их преимущества и недостатки.

Описываются нестационарные явления в закрученных потоках. Даётся определение явления ПВЯ. Описывается проявление ПВЯ в технических устройствах (сепараторах, камерах сгорания, гидроагрегатах ГЭС и т.д.). Проводится анализ литературы, связанной с исследованием ПВЯ. Обсуждаются результаты экспериментального исследования частотных характеристик ПВЯ, методов полевого исследования структуры ПВЯ. Проводится обзор работ по численному моделированию и аналитических теорий его описания.

Вторая глава посвящена описанию экспериментального стенда, используемого оборудования и методов получения и обработки информации.

Проводится описание модельной вихревой камеры, обосновываются причины выбора геометрии. Формируются условия, которые необходимо создать для исследования эффекта ПВЯ в «идеализированных» условиях, а также условия, необходимые для возможности проведения исследований.

Описывается оборудование, используемое для исследования частотных характеристик ПВЯ, сложности, возникающие при исследовании частот прецессии и методы борьбы с ними. Проводится описание метода PIV (Particle Image Velocimetry), особенностей засева потока и анализ возможности использования stereo-PIV конфигурации применительно рабочей вихревой камеры. Описываются методы визуализации течения внутри вихревой камеры.

В третьей главе описывается программный пакет CFD моделирования STAR-CCM+. Описываются методы моделирования, модели турбулентности, заложенные в программу, построение геометрии и расчетной сетки.

Приводятся результаты работы по оптимизации геометрии вихревой камеры. Проводится сопоставление моделей турбулентности для расчета ПВЯ в вихревой камере. Обосновывается выбор используемых в расчете моделей.

Приводятся данные по структуре течения внутри вихревой камеры. Описываются характерные особенности потока. Описывается метод получения частотных характеристик ПВЯ. Обсуждается эффект зарождения ПВЯ.

В четвертой главе производится обобщение и сопоставление расчетных и экспериментальных данных. Анализируется влияние геометрических особенностей вихревой камеры на картину течения в ней и формирование вторичных вихревых структур.

Обсуждаются зависимости частотных характеристик ПВЯ от расхода и параметра закрутки потока. Показывается автомодельность эффекта ПВЯ в широком диапазоне скоростей. Обсуждаются зависимости статического давления в камере и амплитуды его колебания в области формирования ПВЯ.

Приводятся результаты Р1У: поля мгновенной и средней скорости, завихренности и пульсационных характеристик потока. Описывается структура ПВЯ. Определяются профили скоростей и их зависимость от параметра закрутки потока.

В з�