Экспериментальное исследование вихревых структур в тангенциальных камерах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Г5 ОД

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ' ТЕПЛОФИЗИКИ

5 ДЕК 13П

На правах рукописи УДК 532, 536.24

НГГОРК СЕРГЕЙ ИВАНОВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР В ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ КАМЕРАХ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 1994

Работа выполнена в Институте теплофизики Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических

наук, доцент Алексеенко С.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Яворский Н.И.

кандидат физико-математических наук Бардаханов С.П.

Ведущая организация: Энергетический институт

им. Г.М. Кржижановского (г. Москва)

Защита состоится "21 " ¿^ ^-»/и 199 У г. в /0 ^ ° часов на заседании специализированного совета ТС 002.65.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте теплофизики СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН.

Автореферат разослан " / / " /ЦД-й 199 ^ г.

Ученый секретарь специализированного совета

д.тл. В.Н. Ярыгин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вихревые движения распространены в природе и паходят широкое применение в технике. Особенностью вихревых потоков является локализация завихренности с образованием протяженных вихрей в виде различных структур. Это вихревые кольца, вихри за дельтовидным крылом, продольные вихри в пограничном слое и др. [6]. В последнее время, многие исследователи связывают проблему турбулентности с понятием вихревых структур. Подход на основе взаимодействующих вихрей дал позитивные результаты при описании сверхтекучего гелия. Все это свидетельствует о необходимости исследования закономерностей образования вихревых структур и их поведения.

Важными аспектами поведения вихрей являются устойчивость, механизмы разрушения. В этой связи большой интерес в настоящее время проявляется к эффекту распада вихря. Это определяется значительной ролью, которую играет распад вихря на практике (в авиационной и космической технике, например). Характер разрушения в виде распада имеет такие черты как нелинейность и чувствительность к большому количеству условий. Отметим также разнообразие форм разрушения. Хотя сейчас имеется большое количество публикаций о распаде и они продолжают появляться, о полном и окончательном объяснении и понимании сущности распада вихря говорить не приходится.

Одним из факторов разрушения вихрей по мнению некоторых исследователей могут стать волновые возмущения, возникающие на вихревой нити. Интересным примером спиральных волн является уединенная спиральная волна - спиральный солитон. Возможность существования такого солитона теоретически показана Наатоиэ (1972). К другим малоизученным явлениям относятся возмущения типа разрушения вихря (бегущего распада), образующиеся за счет собственной неустойчивости либо внешнего воздействия. Отметим, что на настоящее время имеются лишь единичные экспериментальные работы, посвященные волнам на вихрях. Уровень изученности волн на вихревой нити можно охарактеризовать этапом накопления фактического материала и поэтому так важны новые исследования.

Тангенциальная камера, в которой проводилось наблюдение вихревых структур, имеет геометрию, подобную, в частности, вихревым топкам, применяемым в тепловых станциях для сжигания различных видов топлив. Исследование аэродинамики топочной камеры, определяемой поведением вихревого потока, необходимо, т.к. она оказывает кардинальное влияние на топочный процесс.

Цель работа состоит в экспериментальном исследовании крупномасштабных вихревых структур и выявлении физических

закономерностей вихревых течений в каналах сложной геометрии, моделирующих, в частности, перспективные варианты вихревых топок.

Научная новизна и практическая ценность. Экспериментально исследовано вихревое течение в тангенциальной камере в зависимости от различных геометрических и режимных условий. Обнаружен и описан ряд новых физических эффектов, получены данные применительно к некоторым малоизученным явлениям. Так в зависимости от условий выхода и формы дна выявлены режимы течения с формированием вихревых нитей, имеющих вцц неподвижной одинарной или двойной спирали. Стационарная двойная спираль обнаружена и исследована впервые, описания в литературе устойчивого вихря с неподвижной одинарной винтовой осью вращения неизвестны. Также изучены нестационарные режимы с прецессией вихревого ядра как в случае течения с приосевой возвратной зоной, так и концентрированной вихревой нити. Обнаружен эффект независимости частоты прецессии от условий на выходе канала (диафрагмирования). Проведено визуальное исследование явления перехода от течения с локализацией завихренности к течению с приосевой возвратной зоной -распада вихря. Среди прочих форм приводится описание и выявлены условия существования малоизученной формы распада в виде прецессирующей двойной спирали. Изучены различные виды практически неисследованных нестационарных возмущений на вихревой нити -уединенные спиральные волны, бегущий распад вихря, измерены скорости распространения последнего в зависимости от режимных условий течения. Получены результаты физического моделирования аэродинамики новых вариантов тангенциальных топок Е-500 ("перчаточная" схема включения горелок), П-67 ("третичное дутье"), топки Д-50 с двумя вихревыми горелками. Результаты данной работы мо1уг использоваться для оптимизации топочных устройств, тестирования математических моделей работы топок. Кроме того эти данные важны для разработки методов управления аэродинамикой каналов сложной конфшурации.

Автор выносит на защиту:

1. Исследование крупномасштабных спиральных структур, в том числе впервые обнаруженной двойной спирали. Экспериментальное изучение невозмущенной прямолинейной вихревой нити в тангенциальной камере, выявление влияния па ее характеристики режимных и геометрических условий.

2. Исследование прецессии вихревого ядра в тангенциальной камере и прецессии вихревой нити в диафрагмированном канале, измерение частоты прецессии для обоих случаев.

3. Результаты наблюдения различных форм распада вихря в тангенциальной камере. Определение условий их формирования.

4. Изучение нестационарных возмущений на вихревой нити -спирального солитона и бегущего распада вихря.

5. Результаты экспериментального моделирования вихревых топок (вариантов реконструкции) Е-500, П-67, Д-50.

Апробация работы. Основные результата работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном семинаре по турбулентности и устойчивости (Новосибирск - 1989), на Всесоюзных конференциях 'Теплообмен в парогенераторах" (Новосибирск, 1988, 1990), на Всесоюзной конференции "Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск, 1991), на Всесоюзных конференциях молодых исследователей (Новосибирск - 1988, 1989; Минск - 1988; Москва - 1990, 1991; Алушта - 1991), опубликованы в 15 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Содержание диссертации изложено на 156 страницах, включая 84 рисунка и список литературы из 130 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность данной работы, сформулирована цель, дано краткое содержание диссертации.

В первой главе дается описание техники исследований. Экспериментальный стенд является замкнутым гидравлическим контуром. Основной рабочий участок для исследования геометрически сложных вихревых потоков представляет собой камеру квадратного сечения размером 188x188x625 мм-1 с боковым выходом, выполненную из оргстекла (рис.1). Закрученное движение в канале организовывалось подачей жидкости через 12 тангенциально направленных угловых сопел. Сопла расположены в три яруса и объединены в блоки, конструкция которых позволяет менять направление каждого сопла в пределах угла у. Канал имеет съемные нижнюю часть с сопловыми блоками, а также верхнюю и нижнюю крышки. За счет этого имелась возможность менять конструкцию завихрите ля, а с помощью вставок в канал и геометрию камеры. В частности, в верхней части устанавливась сменная диафрагма, а внизу сменное двускатное дно.

Главное преимущество в использовании воды в качестве рабочей среды состоит в возможности детальной и наглядной визуализации течения, что особенно важно при исследовании сложных структур, к которым относятся исследуемые в данной установке режимы течения. Визуализация потока осуществлялась подсветкой мелких пузырьков воздуха световым "ножом". Источником света служил слайдонроекгор с щелевой

диафрашой. Визуальные исследования сопровождались зарисовкой картины течения, фотографированием и записью на видеопленку при помощи видеосистемы фирмы "Panasonic". Кроме того, в качестве источника света использовался генератор световых импульсов - стробоскоп (разработка ИТ СО РАН), что дало возможность применять визуализацию

Рис. 1. Схема тангенциальной камеры.

Распределение давлений и двумерного поля скоростей внутри канала определялось с помощью стандартных напорных трубок Пито с диаметром регистрирующей части 1,4 мм. Ориентирование зондов вдоль вектора скорости производилось по углам наклона, измеренным дифференциальной трубкой с коническим срезом. Измерение давлений, снимаемьрс с напорных трубок, производилось при помощи тензорезисторного дифманометра (ИТ СО РАН), с обработкой сигнала на измерительно вычислительном комплексе ИВК-16. Кроме того, для исследования двумерного поля скоростей использовалась измерительная система (включающая ЭВМ), разработанная в ИТ СО РАН на основе двухкомпонентиых электродиффузионных датчиков клиновидной формы. В тангенциальной камере осевая компонента скорости довольно велика и поэтому зонд не находится в своем следе, так что контактным методом можно вполне корректно определить характеристики потока на периферии. Вблизи оси вихревой нити измерительные зонды вносят заметные возмущения в вихревое ядро. Для исследования приосевой области необходимо применение бесконтактных методов, одним из которых является измерение при помощи трассеров - мелких пузырьков воздуха (диаметром меньше 0,1 мм). Измерение профилей статического давления на нижнем торце производилось отбором через

отверстие диаметром 0,3 мм, проделанном в передвижной пластине с координатной системой. Конструкция торцевой пластины обеспечивала движение приемного отверстия по двум степеням свободы.

Основными параметрами, определяющими закрученный поток в вихревом устройстве,являются параметр крутки и число Рейнольдса. В тангенциальных камерах степень закрутки определяется с помощью конструктивного параметра крутки [6]: = тс! / уй, где /п - площадь входных сопел. Число Кс определялось либо по среднерасходной скорости и ширине канала т , либо по параметрам сопла - среднерасходной скорости и гидравлическому диаметру, либо по параметрам выходного отверстия диафрагмы.

Во второй главе приводятся результаты по исследованию крупномасштабных вихревых струкгур, реализуемых в тангенциальной камере. В процессе экспериментов изучалось влияние на течение диафрагмирования канала, угла поворота сопел, формы дна. В зависимости от этих условий удалось выявить основные характерные режимы течения в канале сложной конфигурации и получить оригинальные результаты. В качестве исходного варианта была взята конфигурация с полностью открытым выходом (без сужающей диафрагмы) и плоским нижним глухим торцом. Течение в этом слуга е отличалось наличием приосевой зоны возвратного тока и неустойчивостью на ее границе в виде прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ, рис. 2). Частота прецессии

о.а

Рис. 2. Течение в камере с полностью открытым выходом (в отсутствие диафрагмы). Внизу - профили тангенциальной V и осевой IV скоростей, измерения двухкомпонснтным элск-тродиффузионным датчиком ; вверху -

ШШ V, и/о

Л АЛЛА ТУ, м/с

0.0

А

фотографии прецессирующего вихревого ядра в разные момент времени,

г, мм

-о.в

-100

о

100 поперечное сечение.

линейно связана с расходом (рис.10). Явление Г1ВЯ хорошо известно и широко применяется в технических устройствах. Прецессия вихря внутри тангенциальной камеры впервые описана в работах [1,2, 31.

Помещение в выходном сечении канала диафрагмы с центральным отверстием стабилизирует поток и приводит к локализации завихренности у оси вращения (рис.3). Это выражается в резком возрастании! скорости вблизи оси - как тангенциальной, так и осевой, а также в сильном разрежении. Вследствие этого, на оси вращения происходит образование тонкой воздушной нити, визуализирующей ее. Наблюдения свидетельствовали о том, что характерный размер ядра вихря значительно меньше поперечного размера канала и длины вихря. Это подтвердили количественные измерения (рис. 3, 4). Такой вихрь можно считать вихревой нитью.

1.6 и

о.о

о.о

20

Рис. 3. Образование прямолинейной вихревой нити. Слева - фото, ось вихря показана стрелкой; справа - профили скоростей вблизи вихревой нити, измерения с помощью стробоскопа. Кривая 1 - формула (1), 2 - (2).

Тж. тангенциальная камера обладает специфичной конфигурацией, отличающей ее от традиционных вихревых аппаратов, то были проведены специальные исследования с целью выяснения влияния геометрических условий на характеристики нити. Показано, что диаметр выходного отверстия и степень закрутки потока есть основные параметры как и для других вихревых аппаратов - циклонно-вихревых камер, вихревых труб. Поле течения вблизи оси локализованного вихря описывается аналитическими соотношениями, предложенными для цилиндрических вихревых систем (Оа^, ЬейэоисЬ, 1979):

Г(/-) = Л х [1 - ехр{-Вхгг)\/г (1),

IV{г) = + ехр(~В2г2) (2),

где А,В1,В1,Я\,№гг - эмпирические константы. Таким образом в тангенциальной камере генерируется вихревая нить с полем течення, подобным течению в традиционных вихревых аппаратах.

др. uu Не0

г

Z, mm

ооооо аз • •••• 323

Л ЛЛЛ Л О

-600

д ■ Д

Г, мм

-1000

0.4

50

(а)

100

0.2 -

0.0

2rm«/D

¿лллл 1 QQQQQ 2' ***** 3 / d,/D

0.0

0.4

0.8

(б)

Рис. 4. Характеристики прямо;ги-нейного вихря, а - профили статического давления в разных сечениях камеры; б - зависимость размера вихря гтах (радиуса, на котором тангенциальная скорость достигает максимума) от диаметра выходного отверстия диафрагмы de Измерения: 1 - тангенциальная камера; 2 - вихревая труба с тангенциальным вводом (Escudier, 1982); 3 - значение гтах рассчитанное по измеренным юге вихревого ядра в тангенциальной камере профилям скоростей (расчет Окулова и Куйбина, 1994). D -поперечная ширина камеры или диаметр трубы.

1.2

Как уже отмечалось, при плоском дне и диафрагме с центральным отверстием образовывалась прямолинейная вихревая нить. При внесении несимметрии на выходе - смещении отверстия диафрагмы, происходило сильное искривление оси вращения вихря. Вихревая нить принимала вид неподвижной спирали, завитой против вращения потока (рис. 5а). Неподвижность спирального вихря может быть о6"яснена компенсацией его самоиндуцированной скорости закрученным потоком [6]. В некоторых статьях приводятся факты искривления оси вращения в результате песимме грии входных условий канала. В вихревой трубе ЕмшсНег и др. (1982), проводя детальные измерения с помощью ЛДА, обнаружили слабое искривление оси вихря, выраженное в смещении центра вращения в каждом попереч-

ном сечении камеры относительно оси канала. Образование неустойчивого искривленного вихря наблюдалось в канале с тангенциальным вводом и отводом, моделирующем сепаратор для отделения пузырей из криогенной жидкости (Кшпаг, Копо\ег, 1991). Искривление вихревого ядра обнаружено и в модели тангенциальной топки Е-500 при отключении одного из входных блоков сопел [4]. Перечисленные примеры говорят о существовании проблемы учета влияния на структуру вихря несимметричных границ. В связи с этим важен результат, полученный в тангенциальной камере и заключающийся в образовании хорошо выраженной стационарной спиральной структуры. С другой стороны, выраженная спиральность позволяет рассматривать ее как удобную модель для экспериментального изучения винтового вихря, теоретическому исследованию которого посвящено немало работ.

Рис. 5. Формирование стационарных спиральных вихревых структур, а -спиральный вихрь; б - двойная спираль.

Иную структуру наблюдали при изменении условий на дне камеры. Замена плоского дна двускатным приводила в случае симметричного выхода к образованию стационарной системы переплетенных спиральных вихревых нитей (рис. 56). На образование пары переплетенных вихрей имеется несколько указаний в литературе (см. обзор ¡6]), но устойчивая стационарная двойная спираль экспериментально обнаружена впервые в наших

опытах [3, 4, 6-8]. Теоретический расчет взаимодействия двух вихрей с переплетенными осями вращения выполнен в работе Такай и Hussain (1984)%

Третья глава посвящена исследованию возмущений вихревой нит. Одно из них - явление перехода от режима с локализованной у оси вращения закруткой к режиму с приосевой возвратной зоной, называемое распадом вихря. Первые наблюдения данного эффекта были связаны с разрушением вихревых нитей, образующихся позади крыла, обдуваемого под большим углом атаки (Peckham, Atkinson, 1957). Было также показано, что аэродинамические показатели крыла в большой степени зависят от распада вихря (Hunmiei, Srinivasan, 1966). Этим объясняется устойчивый интерес к распаду, проявляемый до сегодняшних дней. Кроме того, была продемонстрирована возможность наблюдать распад вихря в вихревой трубе (Harvey, 1962), где он может создаваться при более контролируемых условиях. Поэтому исследования, позволившие выяснить основные особенности распада, проводились именно в вихревых трубах различной конструкции.

Формы разрушения вихря, которые имеют место за (или в окрестности) выходным отверстием диафрагмы в тангенциальной камере можно идентифицировать аналогично наблюдаемым в вихревой трубе и на крыле [б]. При небольших значениях параметра крутки жидкость вытекает из отверстия в виде слабоподкрученной струи. Вихревой шнур, который образуется внутри камеры и простирается по оси через всю его длину от самого дна, проходит через отверстие диафрагмы и на некоторое расстояние выше. За диафрагмой (выше ее) вихревая нить, визуализирующаяся тонким воздушным шпуром, в некоторой точке внезапно разрушается, приобретая форму, похожую на В-форму (bubble) распада (рис. 6а). На оси вихря появляется точка торможения, за которой имеется область сильно турбулизиро-ванного хаотичного движения, напоминающего след за телом вращения. При увеличении закрутки потока среднее положение распада перемещается вверх по течению. Когда точка разрушения вихря достигает сечения диафрагмы, имеем другую выраженную форму распада вихря в виде спирали (spiral, рис. 66). Воздушный шнур, визуализирующий ось вихря, проходя через канал, в окрестности диафрагмы отклоняется от оси симметрии и завивается в винтовую линию. Спиральная структура вращается вокруг оси канала в сторону закрутки потока. Ход винта в данном случае противоположен направлению вращения потока. Данная кинематическая схема соответствует описанию спирального распада в экспериментах Escudier и др. (1980, труба с щелевым входом) и Lamboume, Bryer (1961, опыты с дельтовидным крылом). Заметим, что в трубах с лопаточным завихрителем (Faler, Leibovich, 1977) завивка спирали совпадает с направлением вращения потока. Выше описаны две основные формы разрушения ядра вихря. Как правило в каждой установке существуют' определенные

Рис 6. Наблюдение распада вихря в тангенциальной камере, а - пузырьковый распад; б - спиральный; в - перемежающегося типа; г - в виде двойной спирали.

внешние условия, при которых данные формы определены и достаточно устойчивы. На рис. 6в приведено фото распада за диафрагмой в промежуточном положении, когда точка распада уже прошла область, где существует В-форма (ниже по потоку), но еще не дошла до диафрагмы, котда существует устойчивая Б-форма. Спиральный вихрь на рис. Зв отличается от изображенного на рис. 30 тем, что не только прецессирует

вокруг оси, но и движется вверх по потоку (в момент съемки). Обратим внимание также на последовательность смены форм распада. За диафрагмой мы сразу фиксируем распад В типа. При увеличении закрутки и постоянном Re мы наблюдаем переход к S-форме. В обратном порядке это происходит, например, в вихревой трубе (Faler, Leibovich, 1977).

После того как распад достиг диафрагмы, дальнейшее увеличение закрутки приводит к тому, что положение распада перемещается внутрь канала и мы можем наблюдать, как прецессирующий спиральный вихрь периодически разбивается на два и в итоге появляется явно выраженная, хотя и менее устойчивая, чем одинарная спираль, еще одна форма распада - двойная спираль или 28-форма (рис. 6г). Кинематическая схема отдельной ветви совпадает со схемой S-формы. Обе спирали прецессируют вокруг оси канала, находясь по разные от нее стороны. Начинаясь внутри канала 28-спираль выходит за диафрагму. Отмеченные особенности структуры в виде двойной спирали отличаются от возмущения в форме двойного гелик-соида, наблюдаемого Saipkaya (1971). Структура течения с возмущением 2S-формы Sarpkaya не имела точки торможения и области возвратного течения и, кроме того, была стационарной (т.е. не прецессируюшей, а неподвижной). В нашем случае присутствует и точка торможения, и возвратное течение, т.е. мы имеем дело с самостоятельной формой распада вихря.

В реальной жидкости, в силу различных причин, вихревые нити часто находятся в возмущенном состоянии. Волновые возмущения могут быть как естественными, развивающимися вследствие неустойчивости, так и зарождающимися в результате внешнего воздействия. Т.к. вихревая нить существует при наличии осевого протока вдоль нее, то в зависимости от направления и значения фазовой скорости распространения волны, можно наблюдать как бегущие (по потоку или против него), так и стационарные волны, скорость которых компенсируется движением внешнего потока [6]. Примером такой стоячей волны является двойная спираль,образующаяся в результате взаимодействия бегущих возмущений (Hopfmger и др., 1982). Крупномасштабные (с масштабом порядка размеров канала) образования в виде одинарной и двойной спиралей, наблюдаемые в вихревой трубе (Faler, Leibovich, 1977) и в тангенциальной камере, также можно трактовать с точки зрения волнового подхода как стоячие волны. По внешнему виду можно различить возмущения, не нарушающие непрерывности вихревой нити, и волны, разрушающие вихревое ядро. К первому типу относятся сниральные волны и уединенные спиральные волны - солитоны (рис. 7а). Как предполагается (Randell, Leibovich, 1973), спиральный солитои может стать причиной распада вихря. Используя локализованное индукционное уравнение LIE (Наша, 1962), Hasimoto (1972) полупит одпосолитонное решение. На рис. 76 показана форма нити, соответствующая этому решению.

(а) (б)

г

2

Рис. 7. Спиральный солитон на вихревой шгги. а - в тангенциальной камере, фото в разные момоггы времени; б - расчетная форма солитона Хасимото, проекции на координатные плоскости.

По внешнему виду и кинематической схеме движения наблюдаемая в эксперименте уединенная волна и солитон Наэдш^о похожи.

На рис. 8 показаны бегущие возмущения типа распада вихря. Эти волны разрушения инициировались пересечением вихревой нити прутком диаметром 6 мм в сечении, близком к выходному отверстию. Бегущие возмущения имеют следующие особенности, объединяющие их с формами стационарного распада вихря (с фиксированным положением относительно осевой координаты). Эго наличие критической точки, разделяющий набегающий поток и область разрушения, а также резкое изменение размера вихря позади точки разрушения, что позволяет считать стационарный распад частным случаем бегущего распада, при котором осевая составляющая фазовой скорости компенсируется осевой составляющей скорости набегающего потока. По размеру и структуре области разрушения можно так же, как и для стационарного распада, выделить два характерных типа - осесимметричный и спиральный (рис. 8а и 86, соответственно). Спиральный бегущий распад на рис. 86 подобен распаду за диафрагмой перемежающегося типа (рис. бв), в котором спиральная струкура совершает прецессию вокруг оси канала и движение вдоль осевой координаты. Заметим, что если НорПодег и др. (1982) приводят свидетельство существования бегущего спирального распада, то ссылки на экспериментальное исследование осесимметричного бегущего распада неизвестны. На рис. .9 показана зависимость скорости движения распада от угла поворота сопел у и расхода в, определяющих параметр

крутки и число Рейнольдса. Видно, что скорость возмущений возрастает с увеличением крутки потока и расхода. Разброс данных связан с трудностью генерирования возмущений одинакового размера и вида.

В тангенциальной камере прецессия вихря была обнаружена в режиме течения с диафрагмированным выходом, когда у оси канала происходит локализация завихренности. Были подобраны определенные геометрические условия при которых вихревая нить внутри канала совершала заметное прецессирующее движение в направлении вращения потока. На рис. 10 приведена зависимость частоты прецессии от расхода.

(а)

■е..

(б)

Рис. 8. Бегущий распад на вихревой нити, а - осе-симметричного типа; б -спирального.

Рис. 9. Скорость распространения бегущего распада в лабораторной системе координат в зависимости от режимных условий в тангенциальной камере.

Рис. 10. Час-гота прецессии ПВЯ в отсутствие диафрагмы - 2 и вихревой нити в диафрагмированной камере - 1.

32 ГОРЕЛКИ 4 ЯРУСА

I^4—П

"s------ ч- I V-'

1-ШЛ

"'Л! \ "~Т"

77-V?

(а)

ВИХРЕВЫЕ ГОРЕЛКИ ГМП-16

(б)

Рис. 11. Схемы вихревых топок, а - Г1-67, поперечное сечение, б - Д-50 с двумя вихревыми горелками (предложение НПП "ЭНЭКО", г. Барнаул), продольное сечение.

Ввдно, что она линейна. Неожиданным фактом было то, что данные для ПВЯ и прецессии вихревой нити в диафрагмированном канале для одного значения у лежат на одной прямой, хотя диапазоны их существования по расходу £?не перекрываются.

Полученные в тангенциальном канале результаты по условиям формирования различных структур важны при разработке способов управления аэродинамикой камеры. Кроме того, тангенциальная камера использовалась непосредственно для моделирования перспективных, вариантов вихревых топок, результаты которого приведены в четвертой главе. Главный упор делался на выявление и изучение эффектов, оказьшающих наиболее сильное влияние на работу топочных камер. Это прежде всего эффект Ко-анда и явление распада вихря. Первый проявляется в области формирования закрутки, где течение имеет выраженный струнный характер. Влияние эффекта Коанда заключается в отклонении струй к боковым стенкам и набросу на них. Для пылеугольных гонок это нежелательно, т.к. ведет к шлакованию топочных экранов. Разные способы управления эффектом Коанда обсуждаются в ряде работ' (Алексеенко и др., 1989). В [5] исследуется схема безиглаковочного включения горелок для топки Е-500 ("перчаточная" система). Явление распада вихря н связанное с ним понятие критичности вихревого течения (Benjamin, 1962) следует учитывать в области выше сопловых блоков, т.е. там где образуется выраженное вихревое ядро. Характер течения в этой зоне весьма важен. Рециркуляционная область, образующаяся после распада вихря не должна тгп, слишком обширной, т.к. опа является по существу застойной зоной. С другой стороны течение не должно быть предшествующим распаду, is котором вблизи оси вращения скорости гораздо выше, чем на периферии но л или стенок, где опять же образуется застойное пространство. На примере тангенциальной модели

топки 11-67 Березовской ГРЭС-I (рис. 11а) огшсано влияние на характер течения геометрии камеры - аэродинамического пережима на выходе и исследуется схема управления процессом распада вихря - использование "третичного дутья" (проект1 СибВ'ГИ, г. Красноярск).

Выше упоминалось о существовании в тангенциальной камере пары взаимодействующих вихрей - двойной спирали. Различные схемы взаимодействующих вихрей применяются и в топочных устройствах. На модели топки котла Д-50 (рис. 116) исследовалось взаимодействие двух вихрей, представляющих собой две закрученные струи, истекающие из сопел с завихрителями. Сопла устанавливались на дне камеры. Выявлена существенная зависимость аэродинамики камеры от взаимной ориентации осей сопел и направления закрутки в них.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Эксперте нтально исследована аэродинамика камеры тангенциального типа, определены условия, наиболее сильно влияющие на нее. В зависимости от условий выхода и формы дна выявлены характерные режимы течения. Проведено качественное описание и определены условия существования стационарных крупномасштабных вихревых структур -спирального вихря и двойной спирали, описание которой в литературе ранее не встречалось. Впервые обнаружена и исследована прецессия вихревого ядра в камере тангенциального типа. Экспериментально показано, тгго в тангенциальной камере образуется вихревое течение, подобное течениям в цилиндрических камерах.

2. Исследованы особенности проявления различных форм распада вихря в тангенциальной камере - осесимметричнот. спирального, и виде двойной спирали. Определен].! режимные параметр!.]. при которых эти формы наиболее выражены.

3. Дано описание возмущении вихревой нити. >го уединенные спиральные волны (солитоны), бегущие возмущения в виде распада вихря двух видов - осесимметртгпют и спирального. Измерены скорости их распространения. Обнаружена и исследована прецессия вихревой нши в аиафрагмиро ванн он каме ре.

4. Проведено экспериментальное моделирование аэродинамики вихревых топок различной конструкции тангенциальных топок L-S0U и 11-67, двучвнхреиой топки Д-50. Выявлены осооенносш поведения вихрен в каналах сложной геометрии л продемонстрировано кчияние физических явлений (в.заимотеЙ1.тт.ня вихрей п распада вичря') на структуру течения.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Шторк С.И. Вихревое течение в канале квадратного сечения// Моделирование в механике: сб. научн. тр. -Новосибирск, 1988. -Т.2(19), N6. -С. 140-145.

2. Алексеенко C.B., Процайло МЛ., Срывков C.B., Шторк С.И. Экспериментальное исследование закрученного потока в камере квадратного сечения// Моделирование теготофизических процессов.-Красноярск: КрГУ, 1989. -С. 33-53.

3. Алексеенко C.B., Шторк С.И. О структурах закрученных турбулентных течений со спиральными осями вращения// Всесоюзн. семинар по пиродинам. устойчивости п турб. - Новосибирск: ИТ СО АН СССР, 1989. - С. 115-117.

4. Шторк С.И. Экспериментальное исследование закрученного течения в модели тангенциальной топки// Теплофизич. и термохим. процессы в энергетических установках: сб. нучн. тр. - М., 1990. - С. 46-55.

5. Алексеенко C.B., Срывков C.B., Шторк С.И. Моделирование аэродинамики тангенциальной топки при различной компоновке горелок// Сиб. физ.-техн. журн. - 1991. - Вып. 5. - С. 87-91.

6. Alekseenko S.V., Shtork S.I. Swirling flow large-scale structures in a combustor model// Russ. J. of Eng. Therm. - 1992. - Vol.2, N 4. - P. 231-266.

7. Алексеенко C.B., Шторк С.И. Экспериментальное наблюдение взаимодействия вихревых нитей// Письма в ЖЭТФ. -1994. - Т. 59, вып. 11. - С. 746-750.

8. Алексеенко C.B., Куйбин П.А., Окулов BJL, Шторк С.И. Характеристики закрученных потоков с винтовой симметрией// Письма в ЖТФ. - 1994. - Т. 20, вып. 18. - С. 33-39.

ЩRop 1С