Формирование и оптико-лазерная диагностика винтовых вихревых структур в жидкости тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

и

Наумов Игорь Владимирович

ФОРМИРОВАНИЕ И ОПТИКО-ЛАЗЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА ВИНТОВЫХ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР В ЖИДКОСТИ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 7 ЯНВ 2013

Новосибирск - 2012

005048497

005048497

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты:

Бойко Виктор Михайлович, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения РАН, заведующий лабораторией.

Завершинский Игорь Петрович, доктор физико-математических наук, профессор, ВГОУ ВПО Самарский государственный аэрокосмический университет им. Академика С.П. Королева, заведующий кафедрой.

Потатуркин Олег Иосифович, доктор технических наук, профессор ФГБУН Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН, заместитель директора по научной работе.

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр ", г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 22 марта 2013 г. в 09-30 час. на заседании диссертационного совета Д 003.035.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУН Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просьба направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета

Научные консультанты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Меледин Владимир Генриевич

доктор физико-математических наук, доцент

Окулов Валерий Леонидович

Д003.035.02.

Автореферат разослан « / ^ » _

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н.

И.М. Засыпкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Работа посвящена экспериментальному диагностированию неустойчивости вихревых течений, что очень актуально для описания и понимания отдельных природных явлений и многих технологических процессов с закрученными потоками. Сегодня интенсивно идет поиск новых технических решений для улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов и судов, оптимизации турбомашин. Создаются новые технологии в энергетике, связанные с возобновляемыми источниками энергии, гидроэнергетикой, высокопроизводительным и низко эмиссионным сжиганием топлива, а также разрабатываются вихревые аппараты на базе мнкромасштабных реакторных и теплообменных систем, улучшаются химические и тепло-массообменные технологии. Новые перспективные вихревые технологий получения и преобразования энергии являются чрезвычайно актуальными и во многом определяют конкурентоспособность на мировом рынке. Успешное решение этих актуальных проблем и создание техники нового поколения напрямую зависит от разработки нового оборудования и методов диагностики закрученных течений широко применяющихся в энергетике, на транспорте, в машиностроении и пр. Увеличение точности диагностики различных технологических течений необходимо как для описания режимов работы и совершенствования вихревых технологий, так и для разработки и совершенствования современных методов их расчета.

В частности, исследование динамики вихревого следа любых роторных машин, в том числе, осевых ветротурбин, гидротурбин, судовых винтов и вертолетов с целью минимизации его негативного воздействия является одной из приоритетных задач. Важным фактором, оказывающим кардинальное влияние на структуру течения в вихревых реакторах, является явление распада вихря {vortex breakdown). Феномен распада вихря обусловлен внезапной перестройкой структуры течения, что существенно влияет на технологический процесс. Но и сам распад вихря весьма чувствителен к внешним возмущениям, и для исследования режимов его формирования необходимо применять самые передовые бесконтактные оптико-лазерные методы.

Широко распространенными оптическими лазерными методами бесконтактной диагностики скорости различных течений жидкости и газа являются лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА), измеряющая скорости сопутствующих потоку частиц в фиксированной точке течения - измерительном объеме, и цифровая трассерная визуализация, выполняющая анализ структуры потока по трекам частиц - PIV (particle image velocimetry) и PTV {particle tracking veiociinetry).

Методы PIV - следящие за треками маркирующих частиц - дают на эталонных вихревых течениях до 10% погрешности, для сложных нестационарных градиентных течений погрешность достигает 20%. Пока это не

достаточно для решения сложных практических задач. С другой стороны, методы ЛДА, обладая высоким пространственным и временным разрешением, предполагают последовательность измерений от точки к точке. Они требуют квазистационарности и стабильности исследуемого физического явления во время измерения, что не всегда представляется возможным в ходе эксперимента и обычно не характерно для технологических процессов. Для решения актуальных задач диагностики пульсирующих интенсивно закрученных течений в промышленности необходима разработка новых или совершенствование данных методов, которые позволят выполнять более точные синхронные измерения.

Оптико-лазерные измерительные системы в теплофизике и гидродинамике -динамично развивающаяся область знаний и технологий. ИТ СО РАН занимает одно из лидирующих мест в России и в мире по разработке указанных систем. Это касается как лазерных доплеровских анемометров ЛДА, созданных на основе полупроводниковых лазеров и позволяющих проводить точные измерения даже в замутненных потоках, так и полевых измерителей скорости типа Р1У, Разрабатываемые системы диагностики одно- и двухфазных потоков соответствуют мировому уровню, а по ряду показателей превосходят его. Данные наши исследования и разработки соответствуют приоритетным научно-техническим направлениям Российской Федерации.

Цель и основные задачи работы. Создание экспериментальных методов диагностики исследования вихревых течений, обеспечивающих синхронные бесконтактные измерения кинематических характеристик в сложных нестационарных интенсивно закрученных натурных или модельных потоках жидкости, с целью детального понимания физических механизмов развития неустойчивости и распада концентрированных вихрей.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Систематизация сведений об исследуемой проблеме, аналитический обзор зарубежных и отечественных научных информационных источников, сравнительный анализ и обоснование методов исследования нестационарных процессов и вихревых течений.

2. Разработка методики измерения трехмерного поля скорости и пульсационных характеристик потока жидкости для исследований динамики винтовых вихревых структур оптико-лазерными методами.

3. Разработка устройств бесконтактной оптико-лазерной диагностики в гидродинамическом эксперименте и их практическая реализация в измерительных комплексах.

4. Экспериментальные исследования нестационарных вихревых течений, генерируемых различными закручивающими устройствами.

Цель работы определяет следующие основные направления исследования.

1. Экспериментальное исследование развития неустойчивости локализованных в пространстве, замкнутых интенсивно закрученных течений.

2. Сравнение сценариев развития трехмерной неустойчивости в различных конфигурациях замкнутого потока жидкости.

3. Исследование механизма распада вихревой структуры и факторов, влияющих на формирование различных форм распада.

4. Изучение эволюции и распада вихревых следов при вариации параметров течения за моделями осевых турбин.

Методы и подходы исследования. В ходе выполнения работ применены подходы экспериментальной бесконтактной оптической диагностики нестационарных вихревых потоков жидкости в различных приложениях, основанных на лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА), анемометрии изображений частиц - цифровой трассерной визуализации (Р1У) и скоростной визуализации.

Экспериментальное моделирование вихревых течений и диагностика оптико-лазерными методами позволили получить достоверные количественные данные об исследуемых физических процессах. В частности, при лазерно-доплеровской диагностике течений погрешность измерения скоростей не превышала 2 %, а при диагностике течений с помощью стереоскопической системы цифровой трассерной визуализации (Р1У) была менее 5 %.

Научная новизна.

В работе впервые разработаны и реализованы новые подходы в диагностике сложных нестационарных течений, вихревых структур, а также вихревых следов, определенных через мгновенное трехмерное поле скорости за вихрегенератором; обработке информации в оптических системах регистрации динамики винтообразных вихрей и распада вихревой структуры.

Предложена методика условного осреднения для оптико-лазерной диагностики вихревых структур, обеспечивающая адаптацию локальных и полевых оптико-лазерных методов и успешное детальное исследование эволюции вихревых структур и трехмерного поля скорости закрученного течения жидкости в следе за вихрегенератором.

Впервые установлено, что сценарии перехода от стационарного к нестационарному режиму течения и развитие неустойчивости существенно отличаются для замкнутых контейнеров круглого и прямоугольного сечений.

Показано, что неустойчивости в интенсивно закрученных замкнутых течениях могут развиваться как с увеличением, так и затуханием пульсаций скорости потока. Получены количественные экспериментальные данные о развитии неустойчивости интенсивно закрученного вихревого течения.

В работе впервые экспериментально обнаружено и показано существование мультиспиральных распадов вихря, возникающих в результате распада устойчивой комбинации вихревых мультиплетов с циркуляцией одного знака.

Впервые экспериментально подтверждено существование двух новых форм - триплетного и квадруплетного распада вихря. Ранее были известны семь разных форм распада вихря, шесть из которых описывали различные деформации ядра вихря, и только одна соответствовала разделению вихревого ядра на два — двуспиральный распад.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе полученных результатов и выводов разработаны и реализованы функциональные узлы измерительных систем. Созданы действующие макеты и стенды. Разработанные измерительные системы применяются в исследованиях гидродинамики закрученных низкоскоростных потоков и импульсного знакопеременного движения светорассеивающих поверхностей. Сфера применения может быть расширена на другие области научного эксперимента и промышленного производства. Результаты работы внедрены и используются на крупнейшем предприятии отечественного гидротурбостроения ОАО «Силовые машины - JIM3», в ряде научных и учебных организаций России: Институте гидродинамики (диагностика вихрей и внутренних волн), в лабораториях Института теплофизики СО РАН (тепломассообмен, безопасность атомной энергетики, нанотехнологии), Пермском государственном университете (исследования конвекции), Пермском государственном техническом университете, Томском государственном университете, Исследовательском центре проблем энергетики КазНЦ РАН и Казанском государственном техническом университете им А.Н. Туполева, Новосибирском государственном университете. Крупным практическим результатом явилось оснащение Государственного специального эталона единицы скорости воздушного потока ГЭТ 150-85 новейшим лазерным измерительным комплексом «ЛАД-015» (Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева, г. Санкт- Петербург).

Практическая ценность представленных результатов подтверждается успешным применением разработанных устройств, методов и подходов в конкретных работах, а так^же в российских и международных проектах. Измерители скорости лазерные доплеровские ЛАД-0** утверждены типом средств измерений и внесены в Государственный реестр средств измерений за номером 46694-11 (Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Госстандарт) от 21 апреля 2011 г. № 1872 "Об утверждении типов средств измерений", п. № 25).

Разработанная автором диссертации методика комплексной оптико-лазерной диагностики нестационарных вихревых течений позволила выработать единый подход в экспериментальном изучении развития неустойчивости вихревого течения жидкости, а также получить в физическом эксперименте не только качественные, но и количественные данные о пространственной структуре и характеристиках распада вихря.

Данная работа связана с научно» тематикой ИТ СО РАН, в том числе, с исследованиями, проводимыми в рамках Федеральных целевых программ, ряда проектов РФФИ, а также, в соответствии с Соглашением от 2005 г. и Исполнительным протоколом объединенной программы исследований на период 2011-2013, между Лабораторией проблем тепломассопереноса Института теплофизики Сибирского Отделения Российской Академии Наук (ИТ СО РАН) и Секцией механики жидкости Института механики, энергетики и конструирования (МЭК) Датского технического университета (ДТУ), согласовывающего пункты объединенной программы исследований вихревых структур и аэродинамики ротора для ветро- и гидроэнергетики.

Личный вклад автора. Основные научные результаты, включенные в диссертацию и выносимые автором на защиту, получены соискателем самостоятельно. Постановка задач исследования и научная проблематика разрабатывалась диссертантом как единолично, так и при участии д.т.н. В.Г. Меледина и д.ф.-м.н. В.Л.Окулова, что обеспечило комплексный подход к изучению темы. В опубликованных совместных работах лично автором: 1) выполнены все экспериментальные исследования, отраженные в диссертации, получены экспериментальные данные, проведена обработка и анализ результатов исследований; 2) разработаны функциональные модули и интерфейсы лазерных доплеровских измерительных систем, предназначенных для измерения скорости нестационарного движения вихревых потоков; 3) разработана и апробирована методика оптико-лазерной диагностики нестационарных вихревых течений на основе комплексного использования ЛДА и Р1У измерительных технологий.

Разработка измерительных систем на стадиях НИОКР, апробация и их практическая реализация выполнялась сотрудниками научного коллектива под руководством и при непосредственном участии автора. Соискатель являлся ответственным исполнителем исследовательских проектов по тематике диссертационной работы.

Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.

Основные положения, выносимые на защиту:

- разработанная методика экспериментальных исследований динамики винтовых вихревых структур оптико-лазерными методами на основе высокого пространственного и временного разрешения (ЛДА) и мгновенного полного поля скорости (Р1У);

- разработка устройств бесконтактной оптико-лазерной диагностики в гидродинамическом эксперименте и их практическая реализация в измерительных комплексах;

- результаты экспериментальных исследований структуры локализованных в пространстве нестационарных интенсивно закрученных течений, а также

развития трехмерной неустойчивости в различных конфигурациях замкнутого потока жидкости;

- результаты экспериментального исследования механизмов распада вихревой структуры и факторов влияющих на формирование различных форм распада;

- результаты экспериментального исследования развития неустойчивости и методов управления областью разрушения вихревых следов при вариации параметров течения.

Достоверность результатов обеспечивается использованием в работе универсальных и отработанных методов и устройств экспериментальной бесконтактной диагностики, таких, как ЛДА, PIV, скоростная визуализация. Детальным анализом характеристик используемых установок и устройств, задающих параметры течения, данными тестовых экспериментов, повторяемостью и согласованностью результатов измерений, проведенных в разное время, на различных гидродинамических установках и разными методами. Результаты тестовых экспериментов согласуются с опубликованными данными о характеристиках подобных течений, а также с опубликованными результатами аналитических исследований и численным расчетом исследуемых конфигураций и режимов вихревых течений.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и представлялись на: 4- 10 международных научно-технических конференциях «Оптические методы исследования потоков» (Москва, Россия, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 и 2009), Международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Новосибирск, Россия, 1998 и 2000), 5, 6, 7 и 8 Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики» (Новосибирск, Россия, 1998, 2000, 2002 и 2004), XXXI международной школе-конференции "Advanced Problems in Mechanics" (Санкт-Петербург, Россия, 2003), 8-th International Conference on «Laser Anemometry Advances and Application» (Roma, Italy, 1999), 9-th (Millennium) International Symposium on Flow Visualization (Edinburgh, UK, 2000), 5th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (Soloniki, Greece, 2001), 447th EUROMECH Colloquium on Interaction Phenomena in Turbulent Particle-Laden Flows (Tallinn, Estonia, 2003), 448 EUROMECH Colloquium "Vortex dynamics and field interactions" (Paris, France, 2004), 2, 3, 5, 7, 9 и 11 Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт-Петербург, Россия, 2006, 2008, 2009, 2010, 2011), International conference "HYDRO-2006 Maximizing the benefits of Hydropower" (Porto Carras, Greece, 2006), 2 International Symposium on Instability and Bifurcations in Fluid Dynamics (DTU, Copenhagen, Denmark, 2006), IUTAM Symposium "Hamiltonian dynamics vortex structures turbulence"

(Moscow, Russia, 2006), III международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, Россия, 2008), IUTAM Symposium "150 Years of Vortex Dynamics" (DTU, Copenhagen, Denmark, 2008), 7, 8 и 9 Европейских конференциях по механике жидкости (Manchester, UK, 2008; München, Germany, 2010; Rome, Italy, 2012), VII Международной конференции «Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике» (Новосибирск, Россия, 2010), 8 International Symposium On Particle Image Velocimetry (Melbourne, Australia, 2009), Wake conference (Visby, Sweden, 2011), Международной конференции "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность", «Не-За-Те-Ги-Ус» - 2012, (Звенигород, Россия, 2012), Conference The Science of Making Torque from Wind 2012 (Oldenburg, Germany, 2012), X международной конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Алушта, Украина, 2012), а также на научных семинарах ИТ СО РАН.

Цикл работ «Многоспнральные распады вихря» был отмечен Премией имени академика Г.И. Петрова Российского Национального комитета по теоретической и прикладной механике РАН (2012), а картина мультиспирального распада вихря как наиболее существенный физический результат была представлена на обложке Journal of Fluid Mechanics (V. 683, 2011). Работа по созданию и применению лазерных доплеровских измерителей скорости (ЛДИС) в качестве экспериментальной измерительной базы стала победителем VII Конкурса русских инноваций в номинации «Лучший промышленный проект» (2008), практические результаты работы отмечены золотой медалью "Innovations for investments to the future" Американо-Российского делового союза (ARBU, 2009), золотой медалью VII Московского международного салона инноваций и инвестиций (2007), Дипломом победителя в номинации "Научное и технологическое оборудование" конкурса "Научный прибор - 2011", проводимого в рамках 5-ой Международной специализированной выставки "SIMEXPO - Научное приборостроение - 2011", и т.д.

Публикации. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы более чем в 80 научных работах, в том числе в 23 работах из перечня ВАК, среди которых 20 статей в ведущих научных журналах. Подано 5 заявок на патент, получены положительные решения о выдаче патентов на изобретения и полезные модели.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 313 е., включая 132 рисунка и 11 таблиц. Список литературы содержит 209 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности проведенных исследований, сформулированы цели и задачи работы, приводятся основные положения и наиболее важные научные результаты, выносимые на защиту, а также кратко изложено содержание диссертации.

В Главе 1 представлен обзор применения вихревых течений в технологических процессах (§1.1), проанализированы отечественные и зарубежные информационные источники с описанием существующих методов и устройств формирования, управления и диагностики вихревых течений в жидкости. В настоящее время разработка новых, современных методов диагностики вихревых потоков и создания новых перспективных технологий получения и преобразования энергии являются чрезвычайно актуальными и во многом определяют конкурентоспособность на мировом рынке. В частности, динамика вихревого следа важна при определении оптимальных режимов работы любых роторных машин, в том числе осевых ветро- и гидротурбин, судовых винтов и вертолетов.

Вихревое движение - одно из основных состояний движущейся сплошной среды. В области фундаментальных исследований сложных вихревых течений следует выделить проблему изучения механизмов генерации завихренности и условий образования и устойчивости детерминированных вихревых структур. Проблема теоретического представления вихревого движения ставилась еще Анри Пуанкаре (1893). Систематизация представлений о природе вихрей и моделях вихревого движения достаточно подробно изложена в монографиях (Сэффмэн 2000) и (Алексеенко, Куйбин, Окулов 2005), где также представлено описание экспериментальных методов наблюдения устойчивых вихревых структур, включая винтовые и двуспиральные, которые можно интерпретировать как концентрированные вихри.

Анализируя публикации по теме исследования винтовых вихревых структур, аэродинамики ротора и вихревых следов позади роторных систем (§1.2- §1.3), можно придти к следующим выводам.

- Наиболее сложную структуру, оказывающую существенное влияние на характеристики работы турбины, нестационарный поток имеет за ротором турбины. Явления в центре потока осложняются наличием системы вихрей, которые складываются с центральным вихрем и изменяют его интенсивность (Рис. 1). Кроме того, при некоторых режимах в потоке присутствуют межлопастные вихревые структуры. Наличие в потоке позади ветровой турбины этой сложной вихревой системы приводит к нестационарности поля скорости и появлению пульсаций давления в потоке.

Несмотря на многолетние исследования и достаточно ясную качественную картину течения, проблема высокоточного диагностирования вихревых структур не решена.

- Знание качественной картины потока явно недостаточно как для изучения возможности снижения негативных последствий от вихревой системы, формирующей след в потоке воздуха за ветровой турбиной, так и для уточнения и развития методов расчета течения в межлопастном пространстве и за ротором ветровой турбины. Кроме того, диагностика образующейся вихревой системы позволит более точно оценивать потери на нсоптимальных режимах работы турбины.

Рис.1. Визуализация вихревой структуры следа (Наумов и др. 2012, Felli etc. 2011).

В § 1.4 особое внимание уделяется обзору распада вихря (vortex breakdown), оказывающего кардинальное влияние на структуру вихревого течения. Распад вихря характеризуется внезапной перестройкой структуры течения, наблюдается резкое увеличение характерного размера вихревого ядра, замедление осевой скорости вихря и турбулизация течения. При этом вихревое ядро может принимать форму либо спирали, которая вращается (прецессирует) в сторону вращения потока, либо осесимметричного пузыревидного утолщения (рис. 2).

Рис. 2. Пузырьковый и спиральный типы распада вихря. Визуализация закрученного течения краской в слаборасширяющейся трубе (Загркауа 1 971).

На основе теоретического анализа влияния спутного течения на устойчивость мультиплетов (Окулов 2004, Окулов и Сорснсен' 2007), и с помощью разработанной в диссертации экспериментальной методики, основанной на визуализации и комплексных ЬОА-Р1У измерениях скорости (детально представленной в Главе 4) впервые были экспериментально обнаружены самогенерированные устойчивые винтовые мультиплеты, рассмотренные в Главе 5 диссертации, как новая форма распада вихря.

В §1.5 выполнен обзор методов бесконтактной оптической диагностики вихревых течений на предмет исследования вихревых потоков жидкости. Проведен сравнительный анализ экспериментальных методов диагностики течений, ограничений традиционных методов и определение условий применимости известных методик. В настоящее время современные подходы для бесконтактной оптической диагностики широкого класса явлений, таких как нестационарные потоки жидкости и газа в различных приложениях, основаны на следующих основных технологиях -ЛДА, цифровая трассерная визуализация (Particle Image Velocimetry - PIV), теневых и интерференцион-ных методах, а также класс методов (ЛИФ, КАРС и т.д.), основанных на спектральном анализе рассеяния. Базовые решения данных экспериментальных методов являются в настоящее время общепринятым стандартом (Дубнищев и др. 2003; Бойко, Оришич, Павлов, Пикалов 2009), широко внедрены в мире и начинают активно внедряться в научных, учебных и промышленных организациях России.

Установлено, что в отличие от зондовых методов, возмущающих исследуемое течение и требующих калибровки и введения поправок, и интегральных интерферометрических оптических методов, оптико-лазерные методы, реализующие измерение скорости в световом сечении, очень привлекательны в современных гидродинамических исследованиях, особенно при исследовании границы перехода к нестационарным режимам вихревых течений. Методы позволяют получать экспериментальные данные в удобном формате д^я верификации численных моделей потока. При этом данные о полях скорости представляются с высоким пространственно - временным разрешением, необходимым для детального сравнения с результатами численных расчетов.

В Главе 2 рассматриваются методы и устройства бесконтактной оптико-лазерной диагностики вихревых потоков в гидродинамическом эксперименте. Объектом исследований второй главы является развитие невозмущающих методов и устройств для исследования нестационарных вихревых потоков. Выполнено исследование и разработка современных методов диагностики, позволяющих выполнять синхронные измерения как в нестационарных, интенсивно закрученных потоках в промышленности, так и в вихревых модельных потоках, генерируемых различными модельными устройствами. Для изучения нестационарного движения в закрученных потоках предложен и обоснован метод комплексной лазерной диагностики (рис. 3), включающий доплеровскую анемометрию и визуализацию, обеспечивающий измерение кинематических параметров реакции исследуемой среды на управляемое внешнее динамическое воздействие, оценку и выбор пространственно-временных масштабов, необходимых для адаптивной обработки сигналов и пространственное позиционирование зондирующего поля.

Комплекс содержит устройства для регистрации оптического излучения, включающие автоматизированный многофункциональный источник когерентного излучения, оптико-электронный блок ЛДА, 3D координатно-измерителыюе устройство, блок предварительной фильтрации, формирования и ввода в компьютер квадратурного доплеровского сигнала. Компьютер выполняет

обработку доплеровского сигнала и осуществляет управление функциональными модулями измерительного комплекса.

Рис.3. Структурная схема автоматизированного оптико-лазерного измерительного комплекса.

3-D Координатноизмэрительиый стол

Рассмотрены принципы организации термостабильных ЛДИС на основе полупроводниковых лазеров. Исследована связь основных характеристик полупроводниковых инжекционных лазеров как источников оптического излучения ЛДИС с температурными эффектами и тепловым режимом лазерных кристаллов (§2.1). Исследовано влияние характеристик токовой накачки и термостабилизации на ресурсные характеристики серийных полупроводниковых лазеров. На рис. 4 показан пример перестройки модового состава излучения полупроводникового лазера АБЬ-66501Ти (60 мВт, 657 нм) при флуктуации тока накачки лазерного диода и фиксированной температуре вешней среды.

Рис.4. Динамика спектральных характеристик излучения полупроводни кового лазера ADL-66501TU.

555,6 656.1 656.6 657.1 657 6 658.1 658,6 659.1 659,6 нМ

Спектрограммы лазерного излучения исследуемых образцов были получены через равные промежутки времени (10 минут) и позволили наблюдать перестройку модового состава полупроводникового лазера и оценивать ее влияние на качество гидродинамических измерений.

Работа лазерных измерительных систем основана на определении параметров рассеянного исследуемым объектом оптического излучения. На практике рассеивание от одиночной частицы встречается крайне редко, поэтому

гидродинамическую среду необходимо рассматривать как совокупность частиц, перерассеивающих лазерное излучение, и учитывать поглощающие свойства гидросреды. Пространственная структура рассеянного излучения при этом зависит от размера и формы частицы, коэффициента преломления по отношению к внешней среде, длины волны падающего светового излучения.

При работе с гидродинамическими потоками и выборе необходимых методов важно знать характеристики рассеяния лазерного излучения в рабочей среде, которые могут существенно изменяться в ходе гидродинамического эксперимента. Например, покрытие засеивающих частиц пленками и колониями биологических микроорганизмов, ведет к изменению диаграммы рассеивания и интенсивности рассеянного частицами излучения, уменьшая число регистрируемых событий (методами ЛДА и Р1У), ухудшая частотное разрешение характеристик регистрируемого нестационарного потока. В § 2.2 выполнено исследование интенсивности и диаграммы рассеивания взвеси калибровочных засеивающих частиц (ЭАМТЕС), применяемых в гидродинамических экспериментах (рис.5).

» Б-НЗГ.-Ш ■ ►!.: ■ ■о

а Р5Р-50

_5_

36 54 72

Рис. 5. Диаграммы углового светорассеяния лазерного излучения взвеси засеивающих калибровочных частиц.

Установлено, что при применении ЛДА на обратном светорассеянии, перспективно использовать либо полые стеклянные сферы покрытые серебром Б-НОБ, либо полиамидные засеивающие частицы РБР (50 мкм), обладающими наибольшей интенсивностью обратного рассеивания, что необходимо учитывать при применении методов ЛДА. В случае применения таких экспериментальных методов как визуализация и трековые методы диагностики потоков (Р1У и РТУ), при которых приемники и источники лазерного излучения расположены под углом 50-120°, наибольшей интенсивностью в этом диапазоне углов обладают полые стеклянные сферы НвБ (10 мкм, 1,1 г/см3).

Для исследования пространственно-временных характеристик гидродинамических процессов разработан и реализован автоматизированный источник когерентного излучения на основе полупроводникового лазера (§ 2.3). Это позволило существенно расширить функциональные возможности системы оптической визуализации и задавать его различные режимы работы -управление мощностью излучения, стробирование, модуляцию излучения по случайному и детерминированному алгоритму (рис. 6) Созданы, развиты и реализованы количественные РТУ методы измерений поля на основе трассерных алгоритмов и

флуктуаций скорости закрученных градиентных потоков. Для практической реализации предложенных методов создана система лазерного сканирования пространственного потока в реальном времени, основанная на методах полупроводниковой лазерной доплеровской анемометрии и трековой полевой (РТУ) диагностики нестационарных вихревых потоков.

N Г4!

Г*1 /

пшииошпа«»!«

» «а

| 1.

Полутоновая модуляция Чёрно-белая модуляция

Рис.6. Осциллограммы оптических импульсов. По вертикали - оптическая мощность в ваттах, по горизонтали - время (мкс).

Из анализа цифровых методов спектральной обработки сигналов, используемых в лазерной доплеровской анемометрии (§ 2.4), сделан вывод о целесообразности применения для обработки аналитического доплеровского сигнала, что позволяет сократить время выборки при сохранении точностных характеристик и измерять временные масштабы турбулентных пульсаций.

Разработаны и реализованы лазерные доплеровские измерительные системы для гидродинамических исследований вихревых структур на основе полупроводникового лазера (§ 2.5, рис. 7).

Рис. 7. Лазерный доплеровский измеритель скорости - ЛАД-0**.

ЛДИС обеспечивают в физических экспериментах необходимые уровни чувствительности и точности, обеспечивая эксперименты метрологическими средствами невозмущающих измерений и контроля. В таблице 1 приведены основные характеристики ЛДИС.

Характеристика Значение

Диапазон измеряемых скоростей [м/с] ±0.01...50

Частота коммутации измеряемых каналов, до [кГц] 300

Погрешность измерения средней скорости [%] ±0.5

Фокусное расстояние выходных объективов [м] 0.25,0.5, 1

Размер зондирующего оптического поля, не более [мм] 0.05x1

Разработанные приборы внедрены на крупных предприятиях России, в том числе, вошли в состав Государственного эталона воздушного потока ГЭТ 150-85. (Рис. 8.)

3J Координата, (м)

Рис. 8. а - фото ГЭТ 150-85; б - результаты ЛДА калибровок ГЭТ 150-85 лазерным комплексом ЛАД-015.

В 3 Главе рассматриваются вопросы проектирования, расчета и реализации стендов для генерации устойчивого течения с заданными параметрами. В § 3.1 показано, что для успешного решения проблемы исследования закрученного потока необходимо выполнить комплекс мер, направленных на стабилизацию режима течения, выполнить качественные и количественные исследования структуры потока. Приводятся экспериментальные результаты исследования структуры вихревого течения (возникновение и развитие трехмерной неустойчивости) в замкнутых контейнерах круглого (R=144mm) и квадратного (сторона основания Н=120 мм) сечения. Изменение структуры потока в этой конфигурации зависит от двух режимных параметров: отношения высоты контейнера к радиусу вращающегося диска h = H/R и числа Рейнольдса Re = O.R 2/v, где Q - угловая скорость вращения крышки, v -кинематическая вязкость рабочей жидкости. Выполнено сопоставление закрученных потоков в канонической (цилиндрической) и неканонической (в виде параллелепипеда) конфигурациях вихревых камер. Обсуждаются особенности прецессии вихревого ядра и пространственно - временной эволюции

закрученного потока в диапазоне чисел Рейнольдса 1000-9000, зависимость прецессии от параметров возмущающего колебания.

В полностью заполненном жидкостью (водно-глицериновая смесь) закрытом кубическом контейнере экспериментально исследовано течение, индуцированное вращающимся диском, расположенным в верхней крышке контейнера (§3.2). В диапазоне изменения числа Рейнольдса 1500...6000 выполнена визуализация структуры течения и, с помощью лазерного доплеровского анемометра (ЛДА), проанализировано изменение осевой компоненты скорости вдоль оси контейнера, совпадающей с осью вращения диска (рис. 9). Визуализация, с использованием вводимых в поток рассеивающих частиц, выполнялась освещением потока световым сечением - "лазерный нож". В качестве частиц использовался Родамин-В со средним диаметром частиц 30 мкм. Частицы имели нейтральную плавучесть в рабочей водно-глицериновой смеси, и их размер был достаточно малый, чтобы не влиять на течение. Обнаружено, что при увеличении числа Рейнольдса возрастают пульсации осевой компоненты скорости, обусловленные прецессией вихревого ядра. Ярко выраженный распад вихревой структуры спирального типа формируется только при Ые > 4000, причем устойчивой области возвратного течения (рециркуляционной зоны) на оси не возникает.

Яс 3510 Яс 3806 Яс 4207 Яс 5000 Яс 5500

в)

Рис. 9. Исследование вихревой структуры в кубическом контейнере (Н= 120мм).

а - схема установки; б - распределение осевой компоненты скорости на оси вращения диска (ЛДА); в - визуализация структуры распада вихревого ядра.

Установлено, что в кубическом и цилиндрическом контейнерах при возрастании числа Рейнольдса существенно различаются не только сценарии развития закрученного потока, но и моменты возникновения и роста пульсаций скорости в потоке (§ 3.3). С помощью анализа спектрально-частотных характеристик закрученного течения в кубическом контейнере установлено, что точка начала линейного роста амплитуды пульсаций скорости в потоке соответствует 11е > 1400. Оказалось, что рост пульсаций возникает существенно раньше, чем в цилиндрическом контейнере, где рост пульсаций появлялся только для значений Яе > 2500.

Показано, что в отличие от хорошо исследованного сценария развития течения в цилиндрическом контейнере от осесимметричного стационарного к осесимметричному нестационарному и затем к несимметричному нестационарному (ЕзсисНег 1984), в кубическом контейнере практически сразу формируется несимметричный нестационарный режим течения. Таким образом, при идентичных параметрах потока (числе Рейнольдса и отношении высоты контейнера к радиусу диска) наблюдаются существенные различия приосевой структуры потока в «классическом» цилиндрическом и кубическом контейнерах (рис. 10). Главные различия - отсутствие в кубическом контейнере осесимметричного режима течения и пузыревидного осесимметричного распада приосевой вихревой структуры при низких числах Рейнольдса.

Рис. 10. Сравнение

структуры течения

в центральной

области

контейнеров

различной

геометрии.

Значения скорости

масштабировались

процедурой /1 |0.9 и = и /1 и \ .

В отличие от течения в цилиндрическом контейнере, которое является осесимметричным до Яе ~ 3000, течение в кубическом контейнере, является несимметричным и нестационарным даже при очень низких числах Рейнольдса ! Яе ~ 1500. Можно выделить следующие изменения режимов течения в кубическом контейнере:

1) течение без появления рециркуляционной зоны со слабой прецессией вихревого ядра, немного отклоненного от вертикальной оси вблизи верхней вращающейся крышки контейнера, существует до Яе ~ 3200;

¡СЙ2> Ке И ||||| г- !|1|||ШШ! ¡!| ¡1 ¡¡¡1

|У:уГТТТ: • ЩШ; шишаш -!!11!ШНШ1!|| Ш(!ш! - -.о:-' ' | '

Ц II1

2) при И.е более 3200 прецессия вихревого ядра, локализованная вблизи вращающейся крышки, плавно переходит в прецессию винтообразной вихревой структуры, занимающей всю высоту контейнера, также без образования рециркуляционной зоны;

3) далее при 11е > 4200 режим трехмерного нестационарного течения препятствует формированию устойчивой рециркуляционной зоны и появляются явно выраженные осевые колебания скорости.

Полученные результаты имеют принципиальное значение для развития вихревых технологий (вихревого горения, выращивания кристаллов по методу Чохральского, описания процессов в вихревых биохимических реакторах и пр.), где на процессы тепломассопереноса существенно влияют нестационарность потока и явление вихревого распада.

В Главе 4 обосновывается комплексная оптико-лазерная диагностика винтовых вихревых структур. Проанализированы возможности применения бесконтактных оптических измерительных технологии для исследования эволюции распада вихревой структуры в закрученных потоках. В § 4.1 проведен анализ ограничений традиционных методов диагностики вихревых потоков. Показаны преимущества и недостатки ЛДА и Р1У измерительных технологий. Показано что при исследовании осесимметричных стационарных режимов закрученного течения результаты визуализации и измерения поля скорости, выполненные Р1У-методом, дают хорошие результаты для сравнения с численным расчетом, однако приводят к значительному искажению картины течения при нестационарных режимах.

Установлено, что раздельное применение широко распространенных оптических измерительных технологий ЛДА и Р1У часто приводит к получению искаженной информации, особенно для переходного и развитого нестационарного режимов течения. Однако совместное их использование при диагностике осциллирующих течений позволяет существенно улучшить как временное, так и пространственное разрешение измерений.

Разработана эффективная экспериментальная методика комплексной оптико-лазерной диагностики, направленная на адаптацию и применение локальных и полевых оптико-лазерных методов (§ 4.2). Выполнено тестирование предложенной методики на нестационарном течении в замкнутом неподвижном цилиндрическом контейнере с вращающейся крышкой и сравнение с численным расчетом, получено хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных. Одновременное применение ЛДА и Р1У позволяет получить информацию о временном масштабе пульсаций потока и ее характерные частоты (рис.11). На основании этой информации, применяя заданный временной интервал для осреднения полей скорости, полученных с использованием Р1У измерительной техники, можно определять изменение поля скорости за период флуктуации вихревой структуры.

Отличительной особенностью разработанной методики является то, что временные параметры для условного (фазового) осреднения определяются именно из пульсационных характеристик нестационарности в области, предназначенной для детального изучения кинематики концентрированных вихрей и режимов распада. На рис. 11. (б и в) показаны сечения 25 мгновенных трубок тока постоянного расхода £);, которые нанесены с равномерным шагом для кубического корня от значений расхода сопв^ы = тш(2) + [тах(0 -тт(<2)]х(//25)3. Частота представлена в безразмерной форме, определенной как

®к = , где - частота вращения крышки и / - измеренная ЛДА частота

моды к.

Рис. 11. Визуализация (а), эксперимент (б) и численный расчет (в) структуры течения в вертикальном сечении замкнутого цилиндра (г) при Яе = 3004, Я = 144 мм, Ь =2.

г)

0.63#2, Ш/ = 0.232

= 37741

/

Комплексная методика условного осреднения впервые была применена для диагностики течения в замкнутом цилиндре с вращающимся торцом (§ 4.3), где был экспериментально исследован переход от стационарного осесимметричного к нестационарному и несимметричному режимам течения для широкого диапазона изменения режимных параметров и проанализированы различные сценарии возникновения осесимметричной и асимметричной нестационарностей в ядре вихря.

Схематически экспериментальная установка и измерительный комплекс показаны на рис. 12. В качестве рабочей жидкости использовалась 80% водно-глицериновая смесь. Экспериментальные исследования были выполнены при температуре 22,3 °С и кинематической вязкости жидкости V = 49,4x10"6 м2/с, угловая скорость вращения крышки замкнутого цилиндрического контейнера, составляла от 0,83 оборотов в секунду при Яе = 2200 до 1,17 оборотов в секунду при Яе = 3100, а линейная скорость диска (на радиусе 144 мм) от 0,12 до 0,17 м/с соответственно.

BSA57N2

Наблюдения азимутальных волновых мод выполнены в горизонтальном сечении через прозрачное дно цилиндра с использованием поворотного зеркала.

Рис. 12. Схема экспериментального стенда. Показано взаимное расположение контейнера, ЛДА и Р1У измерительного оборудования.

Установлено, что переход к нестационарному режиму течения характеризуется возникновением азимутальных возмущений с характерными волновыми модами и частотами (рис. 13). Для выделения азимутальной моды малых возмущений из «мгновенного» поля скорости следует вычесть основное течение, которое определялось осреднением 100 Р1У образов скорости,

_ | то

измеренных в случайные моменты времени [/=— ^£/(/). Статистическое

осреднение полей скорости позволяло получить распределение средней скорости

в исследуемом сечении для каждого выбранного (А, И.е) - режима течения.

«Мгновенное» поле скорости было вычислено статистическим осреднением 20

___ ) 20

мгновенных полей скорости и(Т1:) = —]Г(Д7;), которые были измерены в

20 ,

соответствующие моменты времени с временной задержкой, кратной периоду колебаний Т^ исследуемой азимутальной волновой моды к. Поля скорости в экспериментах были получены для четырех или трех (для к = 4, 5) моментов времени внутри полного периода.

.' О Г = 774 Г = 772 г = 37-4

Рис. 13. Азимутальная волновая мода к= 3 в различные моменты времени, кратные четверти полного периода колебаний 774 при h = 3.5 и Re = 2500 (завихренность и возмущения скорости в горизонтальном сечении h/4).

Так как значения радиальной компоненты скорости и возмущения скорости существенно ниже значений азимутальной компоненты скорости, то наблюдать визуально азимутальные моды, используя обычные приемы визуализации и анализа структуры течения по трекам частиц, не представлялось возможным.

Поэтому на последнем этапе проводилось вычитание: и(Тк) =и~ЩТ\). Такой подход позволяет в тестируемом сечении извлечь малые отклонения от среднего распределения вектора скорости, соответствующие различным азимутальным волновым модам к = 3, 4 и 5.

Экспериментальные исследования структуры течения были выполнены для к е [1,0; 3,5] с шагом 0,1 в диапазоне Ие е [2000; 5000] с шагом 100. В экспериментах при фиксированном И измерения начинались с Яе = 2000 (заведомо стационарного режима течения), после чего число Рейнольдса увеличивалось. При Яе > 4500 в экспериментах наблюдалось хаотическое движение рабочей жидкости, при котором трудно извлечь доминирующие частоты и отделить их от шума. Таким образом, при каждом /; определялось наиболее низкое число Рейнольдса, при котором появляется определенная азимутальная волновая мода (рис. 14).

2000

Рис. 14. Диаграмма возникновения азимутальных волновых мод к (символы), сравнение с численным расчетом (Ое11^а1 е1 а1. 2006).

Впервые экспериментально обнаружены два возможных сценария развития неустойчивости: рост или затухание амплитуды пульсаций скорости при увеличении закрутки потока. Установлено, что в меридиональном сечении течения максимальная амплитуда пульсаций радиальной и осевой компонент скорости ожидаемо растет вместе с ростом закрутки потока (числа Рейнольдса), если частота вторичных возмущений оказывается меньшей первичных, или, наоборот неожиданно убывает, если частота вторичных возмущений оказывается большей чем первичная. Результаты исследования эволюции вихревого течения, выполненные на основе Р1У-измерений мгновенного поля скорости для разных структур концентрированных вихрей, смоделированных в цилиндрическом контейнере с вращающейся крышкой, позволили детально проанализировать явление перехода к нестационарному режиму и эволюцию вихревого течения при увеличении числа Рейнольдса.

Установлено, что осесимметричная волновая мода к = 0 сосредоточена вблизи оси вихря, совпадающей с осью цилиндра, в то время как азимутальные волновые моды А- = 3, 4 и 5 доминируют на расстоянии, превышающем половину радиуса цилиндра - ближе к периферии цилиндра (рис. 15).

хь-о-.м

ЙГ.-СНИ

-Ж

X

_МЛ

к.

б)

А.

Рис. 15. Визуализация волновых мод к =0 и к =4.

а) - поле скорости наложенное на поле завихренности в горизонтальном сечении цилиндра (Ь/4);

б) - спектральная плотность ЛДА реализации в двух точках: (Л/4; А/4) вблизи оси (вверху) и (ЗЛ/4; А/4) вдали от оси (внизу);

в) - изоповерхность скорости для волновых мод А=0 и к=4.

Полученные экспериментальные исследования подтверждают предположение о том, что начало перехода к нестационарному режиму течения не связано напрямую с явлением распада вихревой структуры, которое наблюдается в данной конфигурации. Так, например для А > 3 переход к неосесимметричному нестационарному режиму начинается раньше, чем формируется область распада вихревой структуры (рис. 14).

В Главе 5 приводятся результаты исследования формирования и идентификации различных видов распада вихря и винтовых вихревых структур. В §5.1 выполнена диагностика вихревого течения в замкнутом цилиндре большого удлинения. Поведенный в работах (Окулов 2004, Окулов и Соренсен 2007) теоретический анализ влияния спутного интенсивно закрученного течения на устойчивость мультиплетов показал, что в замкнутом цилиндре с вращающейся крышкой возможны режимы интенсивно закрученного потока жидкости не противоречащие условию стабильности мультиплетов (§ 5.2). Принимая во внимание этот анализ стабильности мультиплетов, была предпринята попытка обнаружить устойчивые мультиспиральные режимы

23

распада вихря. Исследование поля завихренности совместно с полем скорости позволяет в эксперименте более четко идентифицировать возникающую вихревую структуру и установить начало отклонения от осесимметричного режима течения.

В §5.3 представлены экспериментальные наблюдения формирования винтовых структур и распада вихря, генерируемых вращающейся крышкой в цилиндрическом контейнере большого удлинения. Установлено, что распад вихря в данной конфигурации ассоциируется с появлением устойчивых винтовых вихревых мультиплетов (рис. 16).

4000

3000

о С£

2000

1000

/

//

1 г г

/ / V У /

/ / ^ х

г1-

Верхний ряд: изоповерхность оригинального поля завихренности.

Нижний ряд: Изоповерхность завихренности с вычтенным спутным потоком. А - триплет; Б - дуплет; В -квадруплет.

Рис. 16. Диаграмма возникновения вихревых мультиплетов.

Обоснованы результаты экспериментальных наблюдений новых устойчивых мультиспиральных форм распада вихря, которые были визуализированы с помощью красителя в закрученном потоке, генерируемом в замкнутом цилиндре его вращающемся торцом. Основной упор был сделан на определение параметров и формирование режимов устойчивых

мультиспиральных распадов осевого вихря в цилиндрическом контейнере. В результате исследований закрученного течения в цилиндрическом контейнере установлено, что у рассматриваемого вихревого течения существуют режимы, которые являются осесимметричными, но осциллирующими во времени, и режимы, которые стационарны, но неосесимметричны (равномерное вращение мультиплетных структур).

Визуализация структуры течения, проведенная для неустойчивых режимов закрученного течения в цилиндре при его удлинениях h от 3.2 до 5.5 в двух различных экспериментальных установках, состоящих из циркулирующего потока, генерируемого вращающейся крышкой в закрытом цилиндрическом контейнере, где был явно выражен центральный концентрированный вихрь. Рабочей жидкостью была водно-глицериновая смесь (70-80 %) в первом и водопроводная вода во втором случаях. Кинематическая вязкость измерялась капиллярным вискозиметром при различных температурах и контролировалась в ходе эксперимента. Визуализация впервые позволила идентифицировать режимы как мульти-спиральные распады концентрированного приосевого вихря с образованием после распада винтообразных вихревых дуплетов, триплетов и квадруплетов (рис. 17).

v =1,01 х 10"6м2/с, R = 28 мм.

Рис. 17. Визуализация мультиплетов в двух различных экспериментальных

установках.

Визуализация воздушными пузырьками

v = 49,4 х 10"6 м2/с, R = 144 мм.

Визуализация красителем

Трассерами служили маленькие пузырьки воздуха диаметром 0,2-0,5 мм, собирающиеся на верхней крышке за счет растворенного в смеси воздуха (рис. 17, верхний ряд). Собственная скорость всплытия таких пузырьков в 80% водоглицериновой смеси примерно равна 0,5 - 1 мм/с, что дает оценку для полного времени всплытия пузырьков от дна до верхней крышки не менее 30 минут. Для исследуемых режимов течения при данной кинематической вязкости рабочей жидкости с помощью ЛДА были измерены характерные скорости в области концентрированной завихренности на удалении 0,5-0,7 радиуса от оси цилиндрического контейнера. Тангенциальная скорость составляла 0,05-0,07 м/с и 0,02-0,04 м/с за пределами этой области. Угловая скорость вращения рабочей жидкости в области формирования мультиплетов находилась в интервале 0,09 -0,11 с"1.

Второй тип визуализации был выполнен красителем (нижний ряд рис. 17). Концентрированным молоком заполнялась дно контейнера и затем, в ходе его размывания, краситель поднимался вверх увлекаемый потоком жидкости. Устойчивые вихревые структуры наблюдались в течении всего времени, до тех пор, пока краситель не размывался по всему замкнутому объему цилиндра перемешиваясь с рабочей жидкостью.

Результаты визуальных исследований были обоснованы восстановлением трехмерной структуры измеренного поля скорости на тех же режимах, где наблюдались мультиспиральные распады. Поле скорости было получено условным осреднением по 200 мгновенным полям скорости, после формирования стабильного режима течения (более 300 оборотов вращения диска). Экспериментальные результаты показали хорошее совпадение с теоретическим анализом стабильности, подтверждая, что трехмерный неосисемметричный распад вихря связан с возникновением вихревых мультиплетов.

В § 5.4 проведен анализ трехмерной структуры вихревого течения методом

POD {Proper Orthogonal Decomposition) - выделения главных ортогональных

энергетических компонент при статистической обработке экспериментальных

данных с пульсационными составляющими компонент вектора скорости (гЛ; v".-; » \ „ IV j), или их отклонениями от средней скорости, где п является временным

индексом полей скорости из N - общего количества анализируемых полей, а индекс j - пространственный индекс, соответствующий координатам точки измерения в данном снимке п. Все составляющие компонент вектора скорости снимков N размещаются в матрице U, где каждая колонка содержит все компоненты вектора скорости от всех измерительных точек в снимке: U = [г/'г/2 ... г/^]. Ковариационная матрица получается перемножением исходной и транспонированной матриц C = UTU. Решение задачи (СА'=Л'Л') на собственные вектора и собственные числа выполнено с помощью стандартной программы из широко распространенной библиотеки алгоритмов LAPACK. В силу симметричности матрицы С собственные значения неотрицательны.

Дополнительно упорядочим их по убыванию: Л1 >Л2 >...>À.N >0. Таким образом, имеем N собственных векторов и собственных значений для расчета

базисных векторов ортогонального разложения. ;_„=1_

/ = 1 N, где Л' - и-ый компонент собственного вектора, соответствующий

' ' и

собственному значению А', а норма простая квадратичная = + . Теперь каждое п-ое мгновенное поле скорости

исследуемого сечення может быть представлено в виде конечного ряда произведений пространственных базисных векторов с временными коэффициентами а", называемые реконструкционными коэффициентами. Они

определяются проекцией пульсационной части поля скорости на соответствующую моду разложения: а"=<рТ'-п"- Нестационарную

А'

составляющую мгновенного поля скорости можно представить как и» = £а"(р '■

ы\

Собственное значение А' пропорционально средней кинетической энергии турбулентных пульсаций для соответствующего РОЭ базиса. Разложение мгновенных полей скорости для визуализируемых режимов с мультиспиральным распадом вихря выделяет одну - доминирующую моду разложения, содержащую основную часть кинетической энергии. Для реконструированных режимов течения (рис. 18), упорядоченные нормированные собственные числа, вычисленные с помощью алгоритма ЬАРАСК, принимали значения: А.1 = 0,85 и 0,76; X2 = 0,019 и 0,026; X3 = 0,016 и 0,022 для триплета и квадруплета соответственно.

Моды, соответствующие собственным числам X2, А.3 и т.д., не вносят значительных изменений в структуру течения и обусловлены, в том числе, погрешностью измерения полей скорости методом Р1У. Доминирующая мода разложения, характеризующая пульсации области распада вихря, точно отождествляется с визуально наблюдаемым вращением мультивихревых структур. Спектральный анализ реконструкционных коэффициентов позволяет определить собственные частоты первой моды для рассматриваемых на рис. 18 режимов течения, которые составляют 0,27 и 0,52 Гц. После их деления на число вихревых структур, установленных при визуализации, полученные значения совпали с визуально определенными частотами вращения мультиплетов 0,09 и 0,13 Гц для Яе = 2200 и /; = 3,5; Яе = 3100 и /; = 5,3 соответственно.

В закрученном потоке экспериментально были найдены новые самоорганизующиеся винтообразные вихревые структуры типа триплет, дуплет и квадруплет, и впервые были определены условия и граница их возникновения в замкнутом цилиндрическом контейнере.

САМ2

САМ1

-0 5

Рис. 18. Восстановленное трехмерное поле скорости, показаны изоповерхности триплета и квадруплета. Частоты вращения мультиплетов 0,09 и 0,13 Гц (Яе = 2200, Ъ = 3,5; Яе = 3100, /; = 5,3) соответственно.

Установлено, что нестационарность этих режимов течения связана с равномерным вращением обнаруженных мультиплетных структур. Следовательно, вторая ветвь границы перехода к нестационарное™ (рис. 16) характеризуется неустойчивостью связанной с азимутальным изменением топологии и симметрии поля завихренности, а не топологии скорости в продольном сечении, как в случае первой ветви с осесимметричными осцилляциями пузыревидного распада вихря. Существование мультиспиральных форм распада вихря и устойчивых мультивихревых структур может стать отправной точкой для описания особых режимов работы вихревых установок, при создании концепции многоячеистого облакообразования в центре интенсивных тропических циклонов и моделировании торнадо с многовихревой структурой ядра и т.д.

6 Глава посвящена экспериментальным исследованиям вихревых следов и нестационарных процессов в проточных частях моделей ветро- и гидроагрегатов В § 6.1 рассмотрены особенности применения экспериментальной бесконтактной оптической диагностики, основанной на следующих основных технологиях - лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА), анемометрия изображений частиц - цифровая трассерная визуализация (Р1У) и скоростная визуализация, для исследования нестационарных вихревых следов в проточных частях моделей ветро- и гидроагрегатов. Анализируются и обосновываются параметры и условия проведения экспериментальных исследований нестационарных потоков жидкостей с использованием лазерной анемометрии и

скоростной видеосъемки. Предварительная оценка пространственно-частотных распределений вихревых структур показала, что за моделью рабочего колеса гидротурбины в потоке присутствуют частоты: центрального вихря; межканальных вихрей - пульсирующих в пространстве между лопастями рабочего колеса и представляющих собой вихревые трубки различного диаметра и формы; вихрей Кармана - сходящих с выходной кромки лопастей рабочего колеса. Частота схода вихрей Кармана 1 ...3 кГц.

Представлена методика экспериментальных исследований аэродинамики ротора оптико-лазерными методами для восстановления трехмерного поля скорости и пульсационных характеристик в дальнем и ближнем следе. Приводится оценка ограничений размеров и расположения ротора модели ветрогенератора и влияния пограничного слоя водяного канала (§ 6.2). Рассматриваются конфигурации измерения полного вектора скорости методом стерео Р1У, размещение и калибровка измерительного оборудования (рис. 19), а также реконструкция измеренного 3-х компонентного поля скорости с учетом фазового осреднения.

Поверхность воды

Направлена (хлока

Камера

0.5 м I I

5 х 0.126 м

Пазеркык меж

Л^сриь-й мож

0.5 м

3 х 0.075 и

Рис. 19. Экспериментальный стенд для исследования кинематических характеристик вихревого следа модели ротора ветрогенератора.

Г0!

Лазер

0.7м

Лазерный ио*

Анализируются результаты экспериментальных исследований мгновенной структуры трехмерного поля скорости течения в продольном сечении водяного канала за трехлопастным ротором и ее эволюция во времени для различных режимов работы ротора турбины с быстроходностью 1=3-8. Значение скорости набегающего потока в месте расположения ротора (V = 0,5 м/с) и ее колебания в ходе эксперимента не превышали 3 %.

Диаметр ротора составлял 2Я = 0,376 м, длина лопасти ротора - 0,159 м. Хорда лопасти и угол ее установки были рассчитаны по теории Глауэта для оптимального ветряка с быстроходностью 1 = 5, где 1 = О. - угловая

скорость вращения ротора. Регулировка угла установки лопаток не предусматривалась, их положение было выставлено для оптимального режима 1=5 единожды и было фиксированным для всех тестируемых режимов.

Числа Рейнольдса 1*е = рГШЬ/ц, где р и ц - плотность и динамическая вязкость рабочей жидкости - водопроводной воды, Ь - длина хорды лопасти (1см) в проведенных экспериментах находятся вблизи 20 ООО для быстроходности 1 = 5 при рабочей температуре 20 °С.

В § 6.3 приведены примеры, трехмерных распределений мгновенных полей скорости для различных режимов работы ротора турбины с быстроходностью 1 = 3-8. Скоростной видеосъемкой проведена визуализация флуоресцентным красителем вихревого следа позади модели ротора ветрогенератора (рис. 20).

Рис. 20. Структура вихревого следа для различных параметров быстроходности.

л=6 л=7

Представленные данные измерений отчетливо диагностируют сложную вихревую систему в следе за ротором (осевой вихрь и концевые вихри) для различных быстроходностей. Показано, что вихревой след размывается после двух полных оборотов вращения ротора.

ч/У

,оасас*

ч /

г/Я

Восстановлена мгновенная структура трехмерного поля скорости течения в продольном сечении водяного канала за трехлопастным ротором и ее эволюция во времени. На рис.21 приведены распределения осевой (и), радиальной (у) и окружной (ш) компонент вектора скорости в вихревом следе позади модели ротора ветрогенератора (слева) и профили а — осевой (и), б — радиальной (у) и в— окружной (ш) компонент скорости перед ротором (1), при его прохождении (2) и далеко в следе за ним (3) для быстроходности X = 5.

■л/У

^с^щооОС ПК

Рис. 21. Поле скорости позади ротора и профили в различных сечениях.

Для распределений компонент скорости и и V в плоскости лазерного ножа сечения ядер концевых вихрей хорошо фиксируются цепочкой неоднородностей дипольного вида следующих от конца лопасти в осевом направлении вниз по течению. Очень слабое их проявление, а иногда и полное отсутствие, для окружной компоненты скорости н> объясняется исчезновением окружной скорости на границе следа за ротором в области существования концевых вихрей. Кроме концевых вихрей для распределений компонент и и хорошо фиксируется наличие вихревой пелены, сходящей с острой кромки лопастного профиля вдоль всей его длины. Это отражается периодичным изменением значения скоростей примерно с одинаковым шагом в осевом направлении вниз по течению за лопаткой. Вдоль роторной оси присутствует зона концентрации вращения течения, что соответствует центральному колоннообразному вихревому шнуру в следе за ротором.

Полученные результаты подтверждают многие основные положения существующих теорий ротора (§ 6.4). Прежде всего, это относится к теории

Фруда, которая для расчетной быстроходности 5 оптимального колеса тестируемой ветровой турбины предполагает двойное замедление осевой скорости в дальнем следе по сравнению с его замедлением на турбине ( a/V для X = 5 на турбине (точки) замедляется на 1/3, а дальнем следе на 2/3). Следующим элементом классических теорий является предсказание расширения следа за ветровыми турбинами при оптимальном режиме примерно в 1.22 раза. Действительно, для X = 5 на рис. 21 по мере удаления от турбины радиус концевых вихрей увеличивается практически до нижней горизонтальной границы области наблюдения приблизительно отстоящей от оси вращения на 1.25R. Дополнительно было установлено, что изменение скорости набегающего потока с 0,38 м/с до 0,5 м/с, что соответствуют флуктуациям скорости — порывам ветра и, следовательно, изменению числа Рейнольдса на 25% (с 19 ООО до 25 ООО) не вносит структурных изменений в характеристики вихревого следа при фиксированной быстроходности. В частности, шаг концевых вихрей остается постоянным на расстоянии, более 2,5 R вниз по потоку.

Экспериментальные исследования трехмерной структуры и пульсационных характеристик вихревого следа позади роторных систем, его эволюции и распада, позволят сформулировать условия появления неустойчивости в системах винтовых вихрей, которые необходимо учитывать при проектировании и оптимизации рабочих колес осевых турбин.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

1. Проанализированы возможности применения оптико-лазерных измерительных технологий для исследования развития нестационарности в закрученных потоках. Установлено, что при исследовании осесимметричных стационарных режимов закрученного течения результаты визуализации и измерения поля скорости, выполненные PIV-методом, дают хорошие результаты для сравнения с численным расчетом, однако приводят к значительному искажению картины течения при нестационарных режимах.

2. Для изучения сложного нестационарного движения в закрученных потоках предложен и обоснован метод комплексной лазерной диагностики, включающий доплеровскую анемометрию и визуализацию, обеспечивающий измерение кинематических параметров реакции исследуемой среды на управляемое внешнее воздействие, оценку и выбор пространственно-временных масштабов, необходимых для адаптивной обработки сигналов и пространственное позиционирование зондирующего поля.

3. Разработаны и реализованы лазерные доплеровские измерительные системы для гидродинамических исследований вихревых структур на основе полупроводникового лазера, а также автоматизированный широкоформатный источник когерентного излучения на основе полупроводникового лазера с расширенными функциональными возможностями, позволяющими задавать различные алгоритмы работы. Разработанные приборы внедрены на крупных предприятиях России и высших учебных заведениях, в том числе, вошли в состав

Государственного эталона воздушного потока ГЭТ 150-85. Измерители скорости лазерные доплеровские ЛАД-0** утверждены типом средств измерений и внесены в Государственный реестр средств измерений.

4. Разработана эффективная экспериментальная методика комплексной лазерной диагностики, направленная на адаптацию и применение локальных и полевых оптико-лазерных методов. Совместное их использование при диагностике осциллирующих течений позволяет существенно улучшить как временное, так и пространственное разрешение измерений, получить информацию о временном масштабе пульсаций потока и ее характерные частоты и определить изменение поля скорости за период флуктуации вихревой структуры.

5. Впервые экспериментально исследована структура вихревого течения, выполненная условным осреднением PIV мгновенного поля скорости в замкнутых цилиндрическом и кубическом контейнерах с вращающейся крышкой в широком диапазоне изменения режимных параметров. Впервые показано, что в кубическом и цилиндрическом контейнерах при возрастании числа Рейнольдса существенно различаются не только сценарии развития закрученного потока, но и моменты возникновения и роста пульсаций скорости в потоке (в два раза по числу Рейнольдса). Главные различия - отсутствие в кубическом контейнере стационарного режима течения и пузыревидного осесимметричного распада вихревой структуры при низких числах Рейнольдса.

6. Впервые экспериментально установлено, что переход к нестационарному режиму течения в замкнутом вихревом течении характеризуется возникновением азимутальных возмущений с характерными волновыми модами и частотами, при этом осссимметричная волновая мода к = 0 сосредоточена вблизи оси вихря, совпадающей с осью цилиндра, в то время как азимутальные волновые моды к = 3,4 и 5 доминируют ближе к периферии цилиндра. Установлено, что существуют режимы, которые являются осесимметричными, но осциллирующими во времени и режимы, которые стационарны, но неосссимметричны, что связано с равномерным вращением обнаруженных мультиплетных структур.

7. Исследование структуры течения в замкнутом цилиндре при его относительном удлинении h е [3.2, 5.5] впервые позволило идентифицировать эти режимы как мульти-спиральные распады концентрированного приосевого вихря с образованием после распада винтообразных вихревых дуплетов, триплетов и квадруплетов. Результаты визуализации были подтверждены восстановленной трехмерной структурой поля скорости, на тех же режимах, где наблюдались мульти-спиральные распады.

8. Впервые оптико-лазерными методами проведены экспериментальные исследования трехмерной структуры и пульсационных характеристик вихревого следа и его распада позади роторных систем. Проведенные исследования не только позволили диагностировать мгновенную структуру трехмерного поля скорости в продольном сечении течения за трехлопастным ротором, но подтвердить и обосновать предположения и гипотезы классической теории ротора.

Данная работа определила научное направление, связанное с разработкой методов и устройств оптико-лазерной диагностики формирования и распада винтовых вихревых структур в замкнутых интенсивно закрученных течениях и вихревых следов позади ротора ветро- и гидроагрегатов, что имеет важное научное и прикладное значение, как для экспериментальной вихревой гидродинамики, так и промышленных технологий, связанных с необходимостью точных бесконтактных измерений кинематических параметров движущихся объектов.

Современная комплексная методика оптико-лазерной диагностики нестационарных вихревых течений, основанная на одновременном использовании локальных и полевых измерителей скорости, обеспечивает детальное понимание условий формирования и распада вихревых структур.

Данное направление позволяет выработать рекомендации по определению рабочих режимов, при которых возможно формирование устойчивой мультиспиральной системы вихрей. Полученные результаты расширяют знания о механизмах возникновения и развития неустойчивости системы вихрей.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Рецензируемые журналы, входящие в перечень ВАК:

1. Бакакин Г.В., Меледин В.Г., Наумов И.В. Широкоапертурный прецизионный фотоприемник // Приборы и техника эксперимента, 1999. - № 1. С. 100-104.

2. Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г., Наумов И.В. Лазерная диагностика низкоскоростных закрученных потоков // Автометрия, 2000. - № 5. С. 30-39.

3. Окулов В.Л., Меледин В.Г., Наумов И. В. Экспериментальное исследование закрученного потока в кубическом контейнере // Журнал технической физики, 2003. Т. 73,-№ 10. С. 29-35.

4. Наумов И.В., Окулов В.Л., Майер К.Е., Соренсен Ж.Н., Шен В. LDA-PIV диагностика и 3-х мерный расчет пульсирующего закрученного потока в цилиндрическом контейнере // Теплофизика и аэромеханика, 2003. Т. 10(2). С. 143-148.

5. Аникин Ю.А., Наумов И.В., Меледин В.Г., Окулов В.Л., Садбаков О.Ю. Исследование пульсационных характеристик закрученного потока в кубическом контейнере // Теплофизика и аэромеханика, 2004. Т. 11(4). С.571-576.

6. Садбаков О.Ю., Окулов В.Л., Наумов И.В., Меледин В.Г., Аникин Ю.А., Мостовский Н.П., Ильин С.Я. Лазерная доплеровская диагностика структуры потока за рабочим колесом гидротурбины на оптимальных и форсированных нагрузках // Теплофизика и аэромеханика, 2004. Т. 11 (4). С. 577-582.

7. Окулов В.Л., Наумов И.В., Соренсен Ж.Н. Вихревой триплет // Доклады Академии наук, 2006. Т. 409, - № 3. С. 333-337.

8. Sorensen J.N., Naumov I., Mikkelsen R. Experimental investigation in three-dimensional flow instabilities in a rotating lid-driven cavity // Experiments in Fluids, 2006. Vol. 41, -№ 6, p. 425-440.

9. Рахманов В. В., Бакакин Г. В., Главный В. Г., Меледин В. Г., Наумов И. В. Управляемый высоковольтный стабилизированный источник питания фотоэлектронного умножителя // Приборы и техника эксперимента, 2006. - № 5. С.90-92.

10. Sorensen J. N., Naumov I., Mikkelsen R. Experiments on three-dimensional instabilities in a confined flow generated by a rotating lid // Journal of Physics: Conference Series, 2007. Vol. 64, p. 012013 (1-11).

11. Окулов В.JI., Наумов И.В., Соренсен Ж.Н. Особенности оптической диагностики пульсирующих течений // Журнал технической физики, 2007. Т. 77, - № 5. С. 47-57.

12. Наумов И.В., Окулов В.Л., Соренсен Ж.Н. Два сценария развития неустойчивости в интенсивно закрученном течении // Письма в ЖТФ, 2007. Т. 33, -№18, С.32-39.

13. Окулов В.Л., Наумов И.В., Соренсен Ж.Н. Самоорганизующиеся вихревые мультиплеты в закрученном течении // Письма в ЖТФ, 2008. Т. 34, - № 15. С. 8995.

14. Sorensen J.N., Gelfgat A.Yu., Naumov I.V., Mikkelsen R.F. Experimental and numerical results on three-dimensional instabilities in a rotating disk-tall cylinder flow // Physics of Fluids, 2009. Vol. 21, p. 054102-054106.

15. Окулов В.Л., Наумов И.В., Майер K.E. Обоснование визуальной диагностики мультиспиральных распадов вихря // Доклады Академии наук, 2010. Т.435, - № 1,С. 40-45.

16. Наумов И.В., Окулов В.Л. Многоспиральные вихри // Наука из первых рук, 2010. -№3(33), С. 32-34.

17. Наумов И.В., Окулов В.Л., Соренсен Ж.Н. Диагностирование пространственной структуры вихревых мультиплетов в закрученном течении // Теплофизика и аэромеханика, 2010. Т. 17 (4). С. 585-593.

18. Sorensen J. N., Naumov I. V., Okulov V. L. Multiple helical modes of vortex breakdown.// Journal of Fluid Mechanics, 2011. Vol. 683, p. 430-441.

19. Велте K.M., Окулов В.Л., Наумов И.В. Режимы обтекания вихревого генератора // Письма в ЖТФ, 2012. Том 38, - №. 8. С. 54-62.

20. Наумов И.В., Рахманов В.В., Окулов В.Л., Велте К.М., Майер К.Е., Миккельсен Р.Ф. Диагностика течения за моделью ротора трехлопастной турбины // Теплофизика и аэромеханика, 2012. Т. 19 (3). С. 267-278.

Патенты РФ:

21. Наумов И.В. Устройство бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений // Патент РФ № 121082 от 10.10.2012.

22. Куликов Д.В., Двойнишников С.В., Аникин Ю.А., Меледин В.Г., Наумов И.В., Кротов С.В., Главный В.Г., Рахманов В.В., Бакакин Г.В., Павлов В.А., Шпольвинд К.В., Кабардин И.К., Чубов А.С. Лазерное устройство для измерения воздушного зазора электрической машины // Заявка на патент РФ №2011128566, приоритет от 08.07.201 L г. - решение о выдаче патента на изобретение от 22.06.2012,,

Статьи в сборниках научных трудов:

23. Okulov V.L., Naumov I.V., Shen W.Z., Sorensen J.N. Triplet of Helical Vortices // Hamiltonian Dynamics, Vortex Structures, Turbulence (Eds. J. Borisov et al.) IUTAM Book series Vol.6, Springer 2008, p. 281-290.

24. Meledin V., Anikin Yu., Bakakin G., Glavniy V., Kulikov D., Naumov I., Okulov V., Pavlov V., Rakhmanov V., Sadbakov O., Mostovskiy N., Ilyin S. Laser Doppler semiconductor anemometry of vortex flow behind the vane wheel rotor of the water turbine // Optical Methods of Flow Investigation, (Eds. Y.N. Dubnistchev, B. S. Rinkevichyus) SPIE Vol. 6262, 2006, p. 123-133.

25. Meledin V.G., Naumov I.V., Pavlov V.A. An experimental investigation of the flow produced in a rectangular container by rotating disk using LDA // Optical Methods and Data Processing in Heat and Fluid Flow. Chapter 3. (Eds. C.Greated). -Professional Engineering Publishing Ltd. - Suffolk, UK, 2002. p. 25-37.

26. Кабардин И.К., Наумов И.В., Миккелсон Р.Ф., Велте К. М. Исследование вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора // Современная наука: идеи, исследования, результаты, технологии, 2012. - №2 (10), Киев: «НПВК Триакон», С. 344-349.

27. Sorensen J. N., Okulov V., Naumov. I., Varlamova E. Comparison of rotating flows with vortex breakdown in cylindrical and quadratic containers // Proc. 5th World Conf. on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, 2001. Eds. G.P. Celata et al. Vol.3, p. 2435-2440.

28. Meledin V., Anikin Yu., Bakakin G., Glavniy V., Dvoinishnikov S., Kulikov D., Naumov I., Okulov V., Pavlov V., Rakhmanov V., Sadbakov O., Ilyin S., Mostovskiy N., Pylev I.. Laser Doppler Diagnostic of Flow in Draft Tube behind Hydroturbine Runner // Turbomachines: Aeroelasticity, Aeroacoustics and Unsteady Aerodynamics, (Eds. by V.A. Skibin, V.E. Saren, N.M. Savin, S.M. Frolov) Moscow: Torus Press Ltd., 2006. p. 446-457.

29. Kuznetsov I.L., Morkin O.V., Mostovskiy N.P., Meledin V.G., Naumov I.V. Applying of specialized optical laser and video systems for study of three-dimensional flows in hydraulic turbines // Proc. of International conference "HYDRO-2006 Maximizing the benefits of Hydropower". - Porto Carras, Greece, 25-28 September 2006. -p.1-8.

30. Naumov I.V., Sorensen J.N., Okulov V.L., Lagrangian visualizations and Eulerian diagnostics of vortex breakdown // Presentations Euromech 448 "Vortex dynamics and field interactions" - September 6-10th, Paris, France - 2004. p. 1-13.

31. Sorensen J.N., Naumov I., Mikkelsen R. Experiments on Three-Dimensional Instabilities in a Confined Flow Generated by a Rotating Lid // Proc. Second International Symposium on Instability and Bifurcations in Fluid Dynamics, 2006, Technical University of Denmark, Copenhagen, Denmark, p. 143-154.

32. Наумов И. В., Окулов В. JL, Sorensen J.N. Особенности пульсационных режимов течения в простейшей модели вихревого аппарата // CD, per. № 0320802185: Труды III межд. конф. «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», 2008. МЭИ, Москва. Ст. № 210, 10 с.

33. Okulov V.L., Naumov I.V., Kabardin I., Mikkelsen R., Sorensen J.N. Experimental investigation of the flow behind a water model of wind turbine // The Science of Making Torque from Wind 2012, Oldenburg, Gemiany. http:/7www.forwind.de/makinutorquc/Prescntations/7-2.pdf

Подписано к печати б декабря 2012 г. Заказ № _57 Формат 60/84/16. Объем 2 уч.-изд. лист. Тираж 140 экз.

Отпечатано в ФГБУН Институте теплофизики СО РАН 630090, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

НАУКИ

ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ ИМ. С.С. КУТАТЕЛАДЗЕ СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

05201350730 .

НАУМОВ Игорь Владимирович

ФОРМИРОВАНИЕ И ОПТИКО - ЛАЗЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА ВИНТОВЫХ ВИХРЕВЫХ СТРУКТУР В ЖИДКОСТИ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты:

доктор физико-математических наук, доцент

Окулов Валерий Леонидович

доктор технических наук, старший научный сотрудник Меледин Владимир Генриевич

Новосибирск - 2012

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................5

ГЛАВА 1 Диагностика вихревых течений ..........................................17

1.1 Вихревые течения в технических приложениях..........................................16

1.2 Аэродинамика ротора и структура вихревого следа......................................19

1.3 Вихревые течения в проточной части гидротурбины ...................................24

1.4 Феномен распада вихря........................................................................30

1.5 Экспериментальная диагностика вихревых течений.....................................32

ГЛАВА 2 Методы и устройства оптико - лазерной диагностики винтовых вихревых структур..........................................................................43

2.1 Полупроводниковый лазер - перспективный источник когерентного света в лазерной диагностике вихревых потоков......................................................44

2.1.1 Влияние модового состава п/п лазера при диагностике градиентного нестационарного вихревого течения..........................................................................................45

2.1.2 Модуляция и управление п/п лазером при исследовании градиентных вихревых потоков.......................................................................................................50

2.2 Влияние диаграммы рассеянного излучения взвеси калибровочных частиц на диагностику вихревых течений...................................................................54

2.2.1 Исследование рассеивающие свойства взвеси типовых засеивающих гидропоток частиц..........................................................................................................60

2.2.2 Стенд для исследования распределения интенсивности рассеянного света от угла регистрации..................................................................................................63

2.3 Стробируемый лазерный нож на основе п/п лазерной матрицы - осветитель винтовых вихревых структур.......................................................................68

2.3.1 Синхронизация когерентного осветителя и системы регистрации изображений .....72

2.4 Детектирование и обработка сигналов лазерного доплеровского анемометр .....76

2.5 Практическая реализация п/п ЛДИС для научных и промышленных исследований вихревых потоков....................................................................................87

2.5.1 Внедрение полупроводниковых лазерных доплеровских измерителей скорости......99

2.6 Выводы по Главе 2............................................................................ 104

ГЛАВА 3 Возникновение и развитие неустойчивости в ограниченном закрученном течении....................................................................106

3.1 Экспериментальные установки для формирования и исследования эволюции вихревых структур.................................................................................107

3.1.1 Кубический контейнер.............................................................................. 112

3.1.2 Цилиндрический контейнер......................................................................118

3.2 Экспериментальные исследования возникновения и развития трехмерной неустойчивости в кубической и цилиндрической конфигурациях ограниченного вихревого течения.................................................................................. 125

3.2.1 Возникновение и развитие трехмерной неустойчивости в кубическом контейнере ................................................................................................................... 125

3.2.2 Возникновение и развитие трехмерной неустойчивости в цилиндрическом контейнере.................................................................................................... 135

3.3 Сравнение эволюции вихревого течения для контейнеров различной геометрии .......................................................................................................... 143

3.4 Выводы по Главе 3 ............................................................................. 147

ГЛАВА 4 Комплексная оптико-лазерная диагностика винтовых вихревых структур......................................................................................148

4.1 Определение ограничений традиционных методов диагностики вихревых потоков .......................................................................................................... 149

4.2 Разработка эффективной экспериментальной оптико-лазерной методики........156

4.3 Исследование развития неустойчивости вихревого течения в замкнутом цилиндре ................................................................................................................166

4.4 Выводы по Главе 4............................................................................ 192

ГЛАВА 5 Экспериментальное исследование вихревых мультиплетов и мультиспирального распада вихря.................................................. 194

5.1 Диагностика неустойчивости интенсивно-закрученного вихревого течения в замкнутом цилиндре большого удлинения............................................... 195

5.2 Исследование влияния спутного интенсивно закрученного потока на распад вихря и устойчивость винтовых мультиплетов..................................................206

5.3 Экспериментальное исследование пространственной структуры вихревых мультиплетов в закрученном течении.....................................................211

5.4 Исследование трехмерной структуры вихревого течения методом выделения главных ортогональных компонент (POD) при статистической обработке экспериментальных данных.................................................................232

5.5 Выводы по Главе 5............................................................................245

ГЛАВА 6 Экспериментальные исследования вихревых следов и нестационарных процессов в проточных частях моделей ветро- и гидроагрегатов............................................................................246

6.1 Обоснование применения оптико-лазерной техники в практике исследования рабочих колес осевых турбин ..................................................................247

6.1.1 Экспериментальная методика исследования динамики ротора оптико-лазерными методами.......................................................................................................248

6.1.2 Обоснование проведения экспериментальных исследований кавитационных и нестационарных гидропотоков с использованием лазерной анемометрии и видео...........251

6.2 Экспериментальный стенд исследования вихревого следа и пульсационных характеристик модели ротора ветрогенератора..............................................255

6.3 Восстановление трехмерного поля скорости и пульсационных характеристик вокруг и позади ротора - в ближнем и дальнем следе......................................270

6.4 Влияние быстроходности на характеристики модели ротора ветрогенератора ...........................................................................................................282

6.5 Выводы по Главе 6............................................................................294

Заключение.................................................................................296

Список используемых источников..................................................300

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Работа посвящена экспериментальному диагностированию неустойчивости вихревых течений, что очень актуально для описания и понимания отдельных природных явлений и многих технологических процессов с закрученными потоками. Сегодня интенсивно идет поиск новых технических решений для улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов и судов, оптимизации турбомашин. Создаются новые технологии в энергетике, связанные с возобновляемыми источниками энергии, гидроэнергетикой, высокопроизводительным и низко эмиссионным сжиганием топлива, а также разрабатываются вихревые аппараты на базе микромасштабных реакторных и теплообменных систем, улучшаются химические и тепло-массообменные технологии. Новые перспективные вихревые технологий получения и преобразования энергии являются чрезвычайно актуальными и во многом определяют конкурентоспособность на мировом рынке. Успешное решение этих актуальных проблем и создание техники нового поколения напрямую зависит от разработки нового оборудования и методов диагностики закрученных течений широко применяющихся в энергетике, на транспорте, в машиностроении и пр. Увеличение точности диагностики различных технологических течений необходимо как для описания режимов работы и совершенствования вихревых технологий, так и для разработки и совершенствования современных методов их расчета.

В частности, исследование динамики вихревого следа любых роторных машин, в том числе, осевых ветротурбин, гидротурбин, судовых винтов и вертолетов с целью минимизации его негативного воздействия является одной из приоритетных задач. Важным фактором, оказывающим кардинальное влияние на структуру течения в вихревых реакторах, является явление распада вихря (•vortex breakdown). Феномен распада вихря обусловлен внезапной перестройкой структуры течения, что существенно влияет на технологический процесс. Но и сам распад вихря весьма чувствителен к внешним возмущениям, и для исследования режимов его формирования необходимо применять самые передовые бесконтактные оптико-лазерные методы.

Широко распространенными оптическими лазерными методами бесконтактной диагностики скорости различных течений жидкости и газа являются лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА), измеряющая скорости сопутствующих потоку частиц в фиксированной точке течения - измерительном объеме, и цифровая трассерная визуализация, выполняющая анализ структуры потока по трекам частиц - PIV {particle image velocimetry) и PTV {particle tracking velocimetry).

Методы Р1У - следящие за треками маркирующих частиц - дают на эталонных вихревых течениях до 10% погрешности, для сложных нестационарных градиентных течений погрешность достигает 20%. Пока это не достаточно для решения сложных практических задач. С другой стороны, методы ЛДА, обладая высоким пространственным и временным разрешением, предполагают последовательность измерений от точки к точке. Они требуют квазистационарности и стабильности исследуемого физического явления во время измерения, что не всегда представляется возможным в ходе эксперимента и обычно не характерно для технологических процессов. Для решения актуальных задач диагностики пульсирующих интенсивно закрученных течений в промышленности необходима разработка новых или совершенствование данных методов, которые позволят выполнять более точные синхронные измерения.

Оптико-лазерные измерительные системы в теплофизике и гидродинамике - динамично развивающаяся область знаний и технологий. ИТ СО РАН занимает одно из лидирующих мест в России и в мире по разработке указанных систем. Это касается как лазерных доплеровских анемометров ЛДА, созданных на основе полупроводниковых лазеров и позволяющих проводить точные измерения даже в замутненных потоках, так и полевых измерителей скорости типа Р1У. Разрабатываемые системы диагностики одно- и двухфазных потоков соответствуют мировому уровню, а по ряду показателей превосходят его. Данные наши исследования и разработки соответствуют приоритетным научно-техническим направлениям Российской Федерации.

Цель и основные задачи работы.

Создание экспериментальных методов диагностики исследования вихревых течений, обеспечивающих синхронные бесконтактные измерения кинематических характеристик в сложных нестационарных интенсивно закрученных натурных или модельных потоках жидкости, с целью детального понимания физических механизмов развития неустойчивости и распада концентрированных вихрей.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Систематизация сведений об исследуемой проблеме, аналитический обзор зарубежных и отечественных научных информационных источников, сравнительный анализ и обоснование методов исследования нестационарных процессов и вихревых течений.

2. Разработка методики измерения трехмерного поля скорости и пульсационных характеристик потока жидкости для исследований динамики винтовых вихревых структур оптико-лазерными методами.

3. Разработка устройств бесконтактной оптико-лазерной диагностики в гидродинамическом эксперименте и их практическая реализация в измерительных комплексах.

4. Экспериментальные исследования нестационарных вихревых течений, генерируемых различными закручивающими устройствами.

Цель работы определяет следующие основные направления исследования:

1. Экспериментальное исследование развития неустойчивости локализованных в пространстве, замкнутых интенсивно закрученных течений.

2. Сравнение сценариев развития трехмерной неустойчивости в различных конфигурациях замкнутого потока жидкости.

3. Исследование механизма распада вихревой структуры и факторов, влияющих на формирование различных форм распада.

4. Изучение эволюции и распада вихревых следов при вариации параметров течения за моделями осевых турбин.

Методы и подходы исследования. В ходе выполнения работ применены подходы экспериментальной бесконтактной оптической диагностики нестационарных вихревых потоков жидкости в различных приложениях, основанных на лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА), анемометрии изображений частиц - цифровой трассерной визуализации (Р1У) и скоростной визуализации.

Экспериментальное моделирование вихревых течений и диагностика оптико-лазерными методами позволили получить достоверные количественные данные об исследуемых физических процессах. В частности, при лазерно-доплеровской диагностике течений погрешность измерения скоростей не превышала 2 %, а при диагностике течений с помощью стереоскопической системы цифровой трассерной визуализации (Р1У) была менее 5 %.

Научная новизна.

В работе впервые разработаны и реализованы новые подходы в диагностике сложных нестационарных течений, вихревых структур, а также вихревых следов, определенных через мгновенное трехмерное поле скорости за вихрегенератором; обработке информации в оптических системах регистрации динамики винтообразных вихрей и распада вихревой структуры.

Предложена методика условного осреднения для оптико-лазерной диагностики вихревых структур, обеспечивающая адаптацию локальных и полевых оптико-лазерных

методов и успешное детальное исследование эволюции вихревых структур и трехмерного поля скорости закрученного течения жидкости в следе за вихрегенератором.

Впервые установлено, что сценарии перехода от стационарного к нестационарному режиму течения и развитие неустойчивости существенно отличаются для замкнутых контейнеров круглого и прямоугольного сечений.

Показано, что неустойчивости в интенсивно закрученных замкнутых течениях могут развиваться как с увеличением, так и затуханием пульсаций скорости потока. Получены количественные экспериментальные данные о развитии неустойчивости интенсивно закрученного вихревого течения.

В работе впервые экспериментально обнаружено и показано существование мультиспиральных распадов вихря, возникающих в результате распада устойчивой комбинации вихревых мультиплетов с циркуляцией одного знака.

Впервые экспериментально подтверждено существование двух новых форм -триплетного и квадруплетного распада вихря. Ранее были известны семь разных форм распада вихря, шесть из которых описывали различные деформации ядра вихря, и только одна соответствовала разделению вихревого ядра на два - двуспиральный распад.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе полученных результатов и выводов разработаны и реализованы функциональные узлы измерительных систем. Созданы действующие макеты и стенды. Разработанные измерительные системы применяются в исследованиях гидродинамики закрученных низкоскоростных потоков и импульсного знакопеременного движения светорассеивающих поверхностей. Сфера применения может быть расширена на другие области научного эксперимента и промышленного производства. Результаты работы внедрены и используются в на крупнейшем предприятии отечественного гидротурбостроения ОАО «Силовые машины -JIM3», крупным практическим результатом явилось оснащение Государственного специального эталона единицы скорости воздушного потока ГЭТ 150-85 новейшим лазерным измерительным комплексом «ЛАД-015» (Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И.Менделеева, г. Санкт- Петербург), в ряде научных и учебных организаций России: Институте гидродинамики (диагностика вихрей и внутренних волн), в Институте теплофизики СО РАН (тепломассообмен, безопасность атомной энергетики, нанотехнологии), Пермском государственном университете (исследования конвекции), Пермском государственном техническом университете, Томском государственном университете, Исследовательском центре проблем энергетики КазНЦ РАН и Казанском государственном техническом университете им А.Н. Туполева, Новосибирском государственном университете.

Практическая ценность представленных результатов подтверждается успешным применением разработанных устройств, методов и подходов в конкретных работах, а так же в российских и международных проектах. Измерители скорости лазерные доплеровские ЛАД-0** утверждены типом средств изме