Нестационарное течение газа в соплах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

РГб Ой

1 5 ДЕК 1ЬЬо

На правах рукописи

ЮШКО СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ^

НЕСТАЦИОНАРНОЕ ТЕЧЕНИЕ ГАЗА В СОПЛАХ

01.02,05—Механика :кидкости, газа п плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соисванпо ученой степени кандидата технических пауз

Казань 1986

Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете.

Научный рукозодитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

— доктор технических наук, профессор А. В. Фафурин.

— доктор технических наук, профессор В. А. Костерин,

кандидат технических наук, доцент А. А. Овчинников.

— Акционерное Общество научно-исследовательский и конструкторский институт центробежных и роторных компрессоров (г. Казань)

Защита состоится , гцежф/лд_1996 года в^^_.часов

на заседании диссертационнбдосо^бта Д. 063.43.01 в Казанской государственном техническом университете по адресу: г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ (КАИ).

Автореферат разослан . <36 * г 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063. 43. 01, доктор

технических наук, профессоров ■ /к. П. Козлоо

рсА- ■

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Нестационарная природа широкого круп1 течений жидкости и газа всегда привлекала значительное внимание исследователей. Данный интерес обусловлен большой распространенностью нестационарных турбулентных течений во многих технических устройствах таких как: реактивные двигатели, пневматические и гидравлические системы регулирования и управления, системы водо и газо снабжения и т. д. Кроме того, проблема расчета нестационарных турбулентных потоков остается на данный момент открытой и для ее успешного решения необходима надежная обширная экспериментальная информация. Более полное понимание таких нестационарных течений жидкости и применение этих знаний в новых технических проектах обеспечит существенные улучшения их характеристик надежности и стоимости.

Цель лаботы. I. Разработать и создать автоматизированный газодинамический стенд на базе персонального компьютера типа IBM PC AT 286 для изучения стационарных и нестационарных турбулентных возг/шных потоков с продольным отрицательным градиентом давления.

2. Решить ряд технических и методических вопросов, связанных с измерениями мгновенных н усредненных значений скорости потока методом термоанемометрии.

3. Разработать и создать программное обеспечение для управления работой стенда и расчета необходимых газодинамических параметров течения.

4. В условиях стационарного и нестационарного потоков для конического сопла и сопла, выполненного по кривой Витошинского провести измерения полей усредненных н пульсационных величин скорости потока, а также их энергетических спектров.

5. Провести обобщение полученных результатов и проследить влияние факторов ' нестационарностн и продольного градиента давления на усредненную и пульсационнуго структуры течения.

Научная новизна. Создан автоматизированный газодинамический стенд на базе персонального компьютера типа IBM PC AT 2So для исследования нестационарных турбулентных течений (НТТ) в хонфузорах методом термоанемомегрии. В результате подробного экспериментального исследования НТТ в соплах получена информация о характере и степени влиягля • гидродинамической нестационарности на усредненную и

, пульсациониую структуры течения. Показаны пути оценки данного влияния.

На защиту выносятся; экспериментальная установка, методика и результаты исследований НТТ в соплах.

Прг.кт ичеекая ценность. Новые данные, полученные в результате экспериментальных исследовании НТТ в соплах, дополняют уже имеющуюся информацию по нестационарным течениям. От; мог^т служить основой при обобщении НТТ с целыо выявления основных .закономерностей влияния нестациокарности на структуру течений. Кроме того, результаты данных исследований могут быть использованы для выбора математической модели при проектировании и расчете технических устройств, газодинамические процессы в которых носят нестационарный характер. Исследования, проведенные в сопле Витошинского, позволяют использовать его в качестве образцового средства при измерении расхода газа в нестационарных условиях.'

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях Казанского государственного технологического университета (КГТУ), Тульского государственного университета (ТГУ), АО Нижнекамскнефтехим, семинарах на кафедре "Автоматизации н информационных технологий" КГТУ.

Публикации. По результатам работы автором опубликовано дье статьи в периодической печати и тезисы трех докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы. Полный объем диссертации 180 страниц, основного текста 105 страниц, 156 рисунков, 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОД ЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении раскрыты актуальность, научная новизна и практическая значимость работы. Дана общая характеристика способов и средств исследований нестационарных турбулентных течений.

В пер;,ой главе дана общая характеристика НТТ в соплах. Сделан аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы, посвященной проблеме как стационарных градиентных, так и нестационарных без градиентных течений. Отмечены пути их обобщения, оценки и классификации. Показано, что к настоящему времени проведен ' ряд аналитических и экспериментальных исследований НТТ. Однако, недостаточность и противоречивость существующей экспериментальной

информации по нестационарным турбулентным течениям вообще и почти полное ее отсутствие по течениям в соплах затрудняет понимание общих закономерностей переноса массы и препятствует построению физически обоснованных моделей течения. •

Во второй_главе дано описание экспериментальной установки,

информационно-измерительной системы, изложены методики проведения статических и динамических калибровок средств измерений, а также методики проведения самих измерении, выполнена оценка точности экспериментальной информации.

Исследования проводились на газодинамическом стенде разомкнутого

Воздух через образцовое сопло (1), лыполнемпоо по кривой Ентошпнского, засасывался из комнаты центробежным насосом (14) и минуя предвключепный участок (2), исследуемый конфузораый насадок (3), рабочий участок (4), пульсатор (11) и байпас выбрасывался нарушу. Максимальная производительность насоса составляла 100 г/сел*. Лул;.с;щни потока создавались вращающейся заслонкой (11). Ост, заслонки посредством муфт типа (9) соединялась через понижающий редуктор (¡-,) с валом дзигателя постоянного тока (10). Величина оборотов вала двигателя регулировалась напряжением от блоков питания (12) и (13). Измелемте расхода воздуха через установку и амплитуды пул^ннй йогом1, осуществлялось с помощью байпаса. Для поддержания чистоты иому\;: г.

установке на сопло Витошинского (1) устанавливалась мелкая стальная сетка (32). В ходе исследовании данная установка перестраивалась согласно целям эксперимента. Так, при изучении структуры' потока в коническом сопле, исследуемый конфузор (3) устанавливался перед рабочим участком (4)/ Между ним и соплом (1) помещалась цилиндрическая труба (2) с внутренним диаметром 50 мм и длиной 80 калибров. Труба выполняла роль участка начальной стабилизацт. потока. В ходе исследований структуры потока в сопле Витошинского (1), труба (2) исключалась из схемы, а само сопло монтировалось непосредственно к рабочему участку (4). При этом, защитная сетка (32) отсутствовала. Измерение скорости потока осуществлялось термоанемометром постоянной температуры типа Дон-ГУ ТА-15 (19) в комплекте со специально-изготовленным однониточным Г-образным датчиком. Измерение мгновенных значений перепада давления в сопле Витошинского осуществлялось датчиком типа Сапфир-22 ДД-ВН (26). Все приборы имели аналоговый электрический выход и через нормирующие усилители (23) подавались на вход 10-ти разрядного интерфейса связи (24), а с него- через соответствующие порты ввода вывода- в компьютер (25). Для синхронизации записи показаний приборов с вращением заслонки пульсатора в.состав экспериментального комплекса была включена система синхронизации записи, состоящая из магнитного датчика 'Теркон" (7), постоянного магнита и двух источников питания (5, 6). Командная линия горкома соединялась с компьютером и управляла записью показаний.

Измерения параметров потока производились в горле сопла Витошинского и в трех сечениях конического сопла ( d4y ~ 50 мм, dMt =30 мм, L=72 мм) на расстояниях 5 мм, 36 мм и 51 мм от начала геометрического сужения. Каждый раз перед проведением экспериментов термоанемометрнческнй mUhhik и датчик "Сапфир" калибровались. Калибровка "Сапфира" производилась по образцовому микроманометру МКВ-250 (29) с классом .точности 0.02%, калибровка термоанемометрического датчика- по "Сапфиру". Для управлением стендом на этапах калибровки средств измерений и непосредственно в ходе экспериментальных исследовании был создан пакет управляющих программ с широким набором графических меню. Все программы были написаны на языке Turbo С и ассемблера. Созданная система позволяла производить запись до 200000 точек с частотой от 30 Гц до 20 кГц по одному каналу.

В ' третьей ' rjinpe представлены результаты экспериментальных исследовании прн стационарном течении газа. Исследования были

выполнены и горле сопла Знтошпнского для десяти чисел Ке и диапазоне 50000+105000 и и трех сечениях гоничсского сопли для четы,-¡« чисел Яе в диапазоне 72000+104000. Результаты, полученные на данном этапе' исследовании, сравнивались с результатами других автороо, что служило своеобразно!! проверкой надежности использования того или иного метода измерении. В ходе исследований измерялись профили усредненной и пульсацнонной скоросги потока, а также энергетические спектры турбулентных пульсаций. Находились интегральные характеристики профилен скорости: толщины вытеснения и потери , импульса, формпарамстр, коэффициент расхода. Методом Клаузера, используя данные работы Клайна и Рейнольдса," определялось значение коэффициента трения.

0.930 —»

0.975

0.970

Рис.2. Зависимость коэффициента расхода от скорости поток» на оси.

Поток в горле сопла Витошкнского имел обширную область с достаточно равномерным профилем скорости (неравномерность до 0.2%) и низким уровнем турбулентности (менее 2%), что позволяло использовать его для калибровки термоанемометричеекого датчика. Увеличение скорости потока рис.2 приводило к подавлению пограничного слоя и, как следствие, увеличению коэффициента расхода сопла. На рис.3 приведены для сравнения экспериментальный профиль скоросги в первом сечении конического сопла, профиль скорости соотзшстьующий закону 1/7, профили скорости в трубе, полученные Лауфером.

Рис.3. Профили скорости в первом сечении конического сопла.

Хорошее согласование всех профилей свидетельствует о слабом влиянии отрицательного градиента давления в данном сечении. Во втором и третьем сечениях это влияние становилось значительным и приводило к подавлению пограничного слоя и увеличению степени заполненности профиля скорости.

Рис.4. Коэффициент трения в трех сечениях конического сопла.

В первом сечении конического сопла экспериментально определенные значения коэффициента трения СГ" хор-Лио согласовались с законом Кармана для трубы (рис.4 пунктирная лини«). На рисунке нанесены,

й

экспериментапьно полученные КлаГшом и РеГшольдсом, значения С{' при близких градиентах давления. Для третьего сечения на гра фик нанесено значение коэффициента трення, полученное В.И. Понявиным в результате расчета по к-с модели течения в данном сопле. Видно хорошее качественное и количественное согласование.

В работе отмечено, что продольный градиент давления приводил к увеличению квадрата пульсационной скорости в области непосредственно прилегающей к стенке и почти не менял ее в остальной части течения. Степень турбулентности же значительно падала по всему сечению сопла за исключением области у стенки, где она оставалась практически постоянной (рис.5).

Рис.5. Профиль степени турбулентности в трех сечениях коническою

сопла. 1 .

В четвертой главе приведены результаты исследований при нестационарном течении газа. Экспериментальные исследования кинематической структуры КТТ в коническом сопле и в сопле Витошинского проводились при следующих, режимных параметрах: ТГеП1 — 110000, [=7.32 Гц, р=15%- в сопле Витошинского и ГСс.„ =¡83000, Т=7А Гц, Р=9.2% и Яега = 87000,Гц, р=7.3% - в коническом сопле. Для выявления зффектоз, возникающих в результате ¡г.г.кшул на поток гидродинамической несгашюнарносги, тот Или иной параметр, полученный в условиях пульсирующего потока, относился к своему квазистационарному значению. На рис.6 представлено изменение по периоду относи тельного коэффициента расхода и горле сопла

Витошинского. Здесь же нанесена кривая изменения скорости потока на оси канала. Видно, что в фазе замедления коэффициент расхода меньше своего квазнстационарно! о значения, а в фазе ускорения иыше. Максимальное отличие коэффициентов наблюдалось в точке минимума расхода и только ускорение потока приводило к выравниванию их значений. Такое поведение коэффициента расхода объясняется меньшей заполненностью профилей скорости относительно их квазистацномарных аналогов в фазе замедлении и большей заполненностью в стадии ускорения потока. Кроме уого, можно видеть, что перестройка усредненной структуры потока, которую характеризует коэффициент расхода, происходила с некоторым отставанием по фазе от изменяющихся внешних условий.

Рис.6. Относительный коэффициент расхода в сопле Витошинского.

Среднее за период значение коэффициента расхода отличалось от своего квазистационарного значения не более чем аа 0.03%, мгновенные же значения до .0.4%. При точном определении расхода газа данную погрешность необходимо учитывать. Аналогичные результаты были получены и в коническом сопле. При этом, эффекты,- вызванные гидродинамической нестационарностью, усиливались с ростом степени турбулентности потока, частоты к амплитуды пульсаций расхода. Отрицательный градиент давления приводил к подавлению этих эффектов /рнс.7).

Рнс.7. Относительный коэффициент расхода в коническом сопле.

Рис.8 представляет изменение по периоду относительной толщины ламинарного подслоя в первом и третьем сечениях конического сопла.

5д/5сг К" ! ! 1 1

Толщина вязкого подслоя.

1

1 1

. _г\ • 3 /— / 1 >Л (

---ГЛ -""■>, 1

» г |

0.0 0.4 0.8 1.2

РиС.8. Относительная толщина ламинарного подслоя в первом и третьем сечениях конического сопла.

При определении положения границы подслоя исполь^озачея статистический подход, изложенный в работах Репик, Пономаревой. Е первом сечении обращает на себя внимание тот фа.а, что в точче минимума расхода вязкий подслой, по-видимому, теряя устойчивость, существенно утолщался. Градиент да рдения' успокаивал поток и в 1реп»ем сечении данное явление не просматривалось так жркс. На рис.У

представлено изменение по периоду' относительного коэффициента трения у в первом и третьем сечениях конического сопла. Ускорение потока 'приводило к повышению коэффициента фения относительно его квазистационарного значения, а замедление- наоборот к его уменьшению. Пр)г этом, как и в случае с коэффициентом расхода, наблюдалось некоторое отставание по фазе колебаний трения от колебаний расхода. Градиент давления приводил к подавлению эффектов, вызванных гидродинамической нестационарное! ью.

Рнс.9. Относительный коэффициент трения в коническом сопле.

Если аппроксимировать профиль касательных напряжений по пограничному слою , кубической параболой, то при определении ее коэффициентов встает вопрос о нахождении производной трения на стенке. Исходя из уравнения движения, можно получить следующую параметрическую зависимость для нестационарного градиентного течения несжимаемой жидкости.

(("Я! ,5 . 5 2 да ' 5 2 ди

На рис, 10 представлено изменение пс периоду производной трения на стенке « первом сечешш коническою сопла. Сплошной линией отмечены .значения, определенные с учетом параметра гидродинамической нсстацпипариисги, пунктиром- без учета данного параметра. Видны улракгепные качественные и количественные отличия. При этом, в третьем еочпши отличия становились существенно меньше.

Рис.10. Производная трения на стенке конического сопла.

В ходе исследований было выявлено, что в фазе замедления профиль пульсационной скорости ложился выше своего квазисташюиарного аналога, а в фазе ускорения несколько ниже. При этом, наибольшие отличия наблюдались в точке минимума расхода. Данная картина перекликалась с той, которая была получена при исследованиях усредненной кинематической структуры течения. По-видимому увеличение доли кинетической энергии пульсационной составляющей скорости в общем энергетическом балансе в фазе замедления потока приводила к падению доли кинетической энергии от усредненных по времени и по фазе составляющих скорости, что делало их профили менее заполненными. В фазе ускорения наблюдалась обратная картина.

Если рассмотреть поведение степени турбулентности вдоль оси сопла, рис.11 можно отметить характерные отличия этой величины от квазистационарных значений. Отличия существеннее в нервом динамическом режиме, где частота и амплитуда наложенных пульсаций были наибольшими. Градиент давления приводит к подавлению эффектов, вызванных гидродинамической нестационарностыо.

Было замечено, что примерно а середине ламинарно! о подслоя у/Я=0.0029, рис. 12 квадрат пульсационной скорости колебался синфашо со скоростью потока на оси. С удалением от стенки синфазность нарушалась.

0.08

0.04

0.00

Точки - каишстлшкхшр' Лш»1» - исстац. режим.

X, мм

-г

0 20 40 60

Рис. П. Степень турбулентности вдоль оси конического сопла.

Рис. 12. Квадрат пульсационнон скорости в первом сечении конического сопла на разных расстояниях от стенки.

Данный факт говорит в поддержку того, что турбулентность, зарождаясь у стеики, распространяется к оси канала. При этом время, распространения, так называемой, новой турбулентности - есть измеримая величина. И если период колебаний расхода окажется меньше данного ироме&утеи прсмени, течение может стать замороженным.

Рис. 13. Низкочастотный спектр пульсации скорости.

Рнс.14. Высокочастотные спектры пульсации скоросш.

На рис.13 представлены низкочастотные ■энер(етическио спеьчры пульсаций скорости потока п первом сечении коническою сопл; примерно па границе ламинарного подслоя. Энергетические пики на частотах ! 10 Гц и 47 Гц характеризуют, по-видимому, частоту обновлен»:! ламшири^то подслоя. Высокочастотные спектры, рис.14, сохраняли подоб:"«; по ч:.с(те своим стационарным аналогам как в первом, так и а трсг^..! сечет. конического сопла. На обоих рисунках моасно замети <ь •.пр;и;терш 'е количественные и качественные отличия спектров пульсат:;! с^орост, полученных в стационарном и пульсирующем потоках. Огршш^ьны:"!

градиент давления приводил к исчезновению отличий, и в третьем сечении сопла все спектры, практически, совпадали. Кроме того, можно отметить, что в области частот больших 2 кГц энергия турбулентных пульсаций скорости затухала интенсивнее закона -5/3.

• Сложность и многообразие нестационарных процессов, с которыми приходится сталкиваться па практике, заставляет выработать определенные критерии, по которым можно классифицировать и предсказывать характер влияния гидродинамической нестационарностн на структуру течения. Анализ микроструктуры нестационарных турбулентных течений в трубах позволил М.М. Григорьеву разработать методы их классификации. Результаты, полученные в данной работе, рис.15, в целом хорошо согласовались с выводами по этой классификации.

Рис. ¡5. Классификация НТТ по результатам исследований.

Однако, отсутствие достаточного статистического материала или надежной информации о балансе кинетической энергии турбулентности в нестационарных градиентных течениях не дает пока полной ясности по данному вопросу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Создан автоматизированный газодинамический стенд для исследований стационарных и нестационарных течений в конфузорных каналах.

2. Разработана и опробирована методика термоанемометрических исследований кинематической структуры стационарных и нестационарных потоков в соплах.

3. Подтверждено, что в условиях стационарного потоку продольный отрицательный градиент давления приводит к увеличению степени заполненности профиля скорости и уменьшению относительных толщин вытеснения, потери импульса и вязкого подслоя.

4. Установлено, что в условиях стационарного потока отрицательный градиент давления оказывает слабое влияние на интенсивность турбулентности Ти в области границы вязкого подслоя и подавляет ее в остальной части течения. При этом, величина квадрата пульсацнонной скорости в области близкой к оси сопла падает и существенно возрастает в области границы вязкого подслоя.

5. Установлено, что гидродинамическая нестационарность влияет как на усредненную так и на пульсацноннуго структуры течения. При этом, ускорение потока во времени аналогично по действию ускорению потока в пространстве. Однако, в областях близких к точкам минимума и максимума расхода наблюдаются эффекты, обусловленные инерционностью процесса перестройки кинематической структуры течения.

6. Результаты экспериментальных исследований; проведенных в данной работе, позволяют сказать, что явления, наблюд.-^мче при исследовании кинематической структуры нестационарных турбулентных течений в соплах, определяются процессами, происходящими на уровне их микроструктуры.

7. Установлено, что отрицательный продольный градиент давления подавляет эффекты, вызванные гидродинамической нестацнонарностыо, повышая тем самым устойчивость потока.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Яе- число Рейнольдса по диаметру канала, Не"*- число Рейнольдса по толщине потери импульса 8**, СГ- коэффициент трения,, а-, коэффициент расхода, и- скорость потока, N время, у- поперечная координата от стенки, безразмерная координата, 3- толщина пограничного слоя, х, г-

цилиндрические координаты, R-радиус канала, D- диаметр канала,

классификационный параметр, f, ß- частота и относительная амшштудг наложенных пульсаций, ïï.- средняя за период динамическая скорость, Т-п ер и од наложенных пульсации, С- спектральная плотность, х- касательное напряжение, Z- параметр гидродинамической нестационарности, X-парамегр продольного градиента давления.

Индексы: w- стенка, 0- на оси канала, m- среднерасходная, д- в условиях пульсирующего потока, ст- в условиях стационарного потока. Снмпол { ) означает усреднение по ансамблю, черта сверху - усреднение по

«ремеми.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1) Муслимов P.A., Фафурин В.А., Юшко C.B., Понявнн В.И., Стрельников A.B. Особенности измерении нестационарного расхода соплом Внтошннского. II 4 - я конференция по интенсификации нефтехимических процессов "Нефтехимия - 96". Тез. докл. Нижнекамск, 1996. с. 166 » 168.

2) Фафурин В.А., Юшко C.B., Понявин В.И. Газодинамический стенд для изучения нестационарных турбулентных потоков..// Школа молодых ученых. Тез. юкл. Тула, 1996. с. 11 - 78.

3) Фафурин В.А., Юшко C.B., Понявин В.И., Муслимов -P.A. Измерение нестационарного расхода соплом Витошннского. // Авиационная техника. - Казань, 1996. N 4.

4) Юшко C.B. Экспериментальное :сследование нестационарного течения газа в соплах. //Тепло- и массообмен в химической технологии. Казань 1995. с. 124- 131.

5) Юшко C.B. Уравнение для плотности вероятности скорости потока при нестационарном турбулентном течении несжимаемой, жидкости в канале переменного сечения.// Школа молодых ученых. Тез. докл. Тула, 1996. с. 229 -230.

степень турбулентности потока, К =

f-D

«о

U.

C.B. Юшко

__Тира1

Офсетная типография КГТУ 420015, г.Казань, ул.К.Маркса, 68.