Управление отрывом потока в диффузорных каналах. Экспериментальное исследование тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Дедовская Наталия Николаевна

Управление отрывом потока в диффузорных каналах. Экспериментальное исследование

Специальность 01.02.05 - механика жидкости газа

и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2005

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И.Баранова» Федерального Агентства Промышленности.

Научный руководитель доктор физико - математических наук,

Слободкина ФА.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор,

главный научный сотрудник ЦАГИ, Гиневский А.С. кандидат технических наук, ведущий конструктор ОАО «ОКБ Сухого» Калачев Е.Н.

Ведущее предприятие:

Институт Проблем нефти и газа РАН и Министерства образования Р Ф

Защита состоится «_»_2005г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.200.03 на соискание ученой степени кандидата технических наук при Российском государственном университете нефти и газа имени И.М.Губкина по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, д.65, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М.Губкина.

Автореферат разослан «_»_2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент

М.Н.Кравченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Диффузорные (расширяющиеся) каналы используются для преобразования кинетической энергии потока в энергию давления. При плавном переходе от сечения меньшей площади к сечению большей площади они должны обеспечивать минимальные потери давления. Известно, что для получения минимальных потерь полного давления необходимо проектировать диффузорные каналы без отрыва потока с минимально возможным углом раскрытия, что требует их значительной протяженности. Однако на практике требуется сокращение длины диффузоров и увеличение степени расширения потока в них. Увеличение степени расширения может сопровождаться чрезмерным ростом гидравлических потерь вследствие возникающего отрыва потока.

Диффузорные каналы являются часто используемым элементом в проточных частях различных технических устройств. Например, в стационарных компрессорах и в двигателях, используемых на газоперекачивающих станциях, обязательно используются кольцевые диффузоры между компрессорами высокого и низкого давления, между компрессором и камерой сгорания, на выходе из турбины.

Одним из основных направлений работ по улучшению показателей газоперекачивающей станции является уменьшение потерь энергии в выпускном тракте за последней ступенью турбины. Одним из путей для достижения этой цели является снижение потерь давления. Это может быть обеспечено в результате повышения эффективности преобразования кинетической энергии в диффузорном выпускном тракте.

В других технических устройствах (испытательных стендах, энергетических установках, системах трубопроводов) широко применяются конические диффузоры.

Имеющийся большой материал по исследованию конических диффузоров и обобщения экспериментальных данных для них, создают возможность сравнительного анализа различных схем. Однако в большей части работ исследования проводились при скорости потока на входе не превышающей приведенной скорости В связи с этим в работе проводится исследование

как кольцевых, так и конических диффузоров.

При разных режимах работы устройств, в которых используются диффузорные каналы, происходит изменение параметров, в частности скорости потока.

Для создания выпускных трактов и переходных устройств допустимых габаритов, отвечающих требованиям транспортировки газа и преобразования его кинетической энергии с наивысшей эффективностью, необходимо знать свойства диффузорных каналов различных типов.

Кольцевые диффузорные каналы, как правило, содержат стойки и имеют на входе неравномерный поток, что приводит к снижению эффективности диффузорных каналов. Таким образом, при разработке конструкции диффузоров должны учитываться конкретные условия, в которых они используются. Расчеты диффузоров, проводимые по современным методикам, учитывающим вязкость газа, позволяют определять в стационарной постановке положение сечения отрыва в кольцевом осесимметричном диффузорном канале, не имеющем на входе окружной и радиальной неоднородности потока, что не всегда реализуется в реальных условиях. В связи с этим может наблюдаться расхождение расчетного и реального положения линии отрыва и, соответственно, эффективности диффузорного канала и величин скорости потока на выходе. Ввиду ограниченности экспериментальных данных по продувкам кольцевых диффузорных каналов с большими углами раскрытия, а также конических диффузоров в условиях неравномерного потока на входе, представляет интерес проведение соответствующих экспериментальных исследований с целью определения влияния указанных реальных характеристик течения на эффективность диффузоров для возможного их использования при разработке технических устройств с диффузорными каналами и методик расчета. Сокращение длины диффузорного канала, возможно путем увеличения степени расширения с параллельным использованием управления отрывом пограничного слоя.

Цель работы: Определение на основе эксперимента количественных показателей, характеризующих эффекты совместного воздействия генераторов вихрей и профилирования диффузорных каналов на их аэродинамические характеристики. Обобщение полученных данных для использования при расчете и проектировании каналов минимальной длины, обеспечивающих минимальный уровень потерь.

Задача работы:

Исследование свойств отрывных течений, возникающих в диффузорных каналах и воздействие на отрыв известными способами управления.

Научная новизна.

Изучена структура потока в канале кольцевого диффузора, имеющего большой угол раскрытия, и найдены возможности предотвращения отрыва потока в нем путем воздействия на поток с помощью генераторов вихрей.

Изучено воздействие на отрывное течение в коническом диффузоре, имеющем угол раскрытия конуса 16°. Исследовано влияние окружной и радиальной неоднородности на структуру потока в канале диффузора и присутствующий в нем отрыв потока. Исследованы параметры и структура течения в широком диапазоне значений приведенной скорости потока, при подробных измерениях параметров потока и с использованием визуализации течения для наблюдения за изменением структуры потока.

Проведено экспериментальное исследование аэродинамических характеристик моделей кольцевых и конических диффузоров, имеющих отношение площадей п=Рвьи/Рв*=2 для кольцевого и 4.3 для конического каналов. Исследования проводились при широком диапазоне значений приведенной скорости потока на входе

По результатам исследования показано, что исходные характеристики различных исследованных диффузоров согласуются с известными данными по смягчению потерь на удар для соответствующих эквивалентных углов раскрытия диффузоров.

В кольцевом диффузоре производилось воздействие на отрыв потока методами управления без подвода энергии:

1-е помощью генераторов вихрей, имеющих форму прямоугольных пластин,

2-изменением формы (радиуса кривизны) наружной обечайки на входе в диффузор

3-совмещением указанных способов.

В представляемой работе впервые показано, что при профилировании входной части диффузоров потери полного давления могут быть снижены в 1.52 раза за счет сокращения размеров вихрей в отрывном течении. Показано, что при установке генераторов вихрей также происходит снижение потерь за счет сокращения масштаба и изменения природы вихрей. За счет оптимизации генераторов вихрей, их расположения и при профилировании входа удается снизить потери в кольцевом диффузоре в 5-6 раз. Это соответствует возможности сокращения длины такого диффузора при той же степени расширения в 2.5-3 раза.

•.В кольцевом диффузоре впервые обнаружено, что зоны отрыва потока на периферии чередуются с зонами безотрывного течения с периодом ~60° по окружности. Наблюдается отрыв потока на втулке, имеющий такой же периодический характер. Зоны отрыва на втулке смещены относительно зон отрыва на периферии на ~30°по окружности.

• .Определены наилучшие значения относительных размеров генераторов вихрей на периферии и их расположение относительно входа в диффузор.

• .Показано, что отрывное течение в коническом диффузоре стабилизировано в пространстве, имеет установившийся пространственный характер и содержит зоны отрыва и зоны присоединенного течения. Такой характер течения связан с незначительными возмущениями потока, возникающими перед входом в диффузор.

• .Возмущения потока различного вида, создаваемые перед входом в конический диффузор с большим углом раскрытия, воздействуя на структуру пограничного слоя на стенке входного канала и слоя смешения потоков наружного и внутреннего контуров, способствуют формированию устойчивого отрывного течения в диффузоре.

Практическая ценность. Автором изучены экспериментальным путем сложные течения, поскольку они в настоящее время не могут моделироваться численно в такой степени представительности, как по данным проведенных измерений и визуализации структуры потока.

Полученные конкретные характеристики диффузоров: потери полного давления, кпд диффузора, степень неоднородности потока, представляют непосредственную ценность и могут быть использованы при проектировании диффузорных каналов и проведении практических расчетов диффузорных течений.

Полученные результаты по управлению течением путем профилирования проточной части и использованием генераторов вихрей содержат конкретные рекомендации по проектированию диффузорных каналов, которые могут быть непосредственно использованы.

Большой объем материала по визуализации течения в кольцевых и конических диффузорах с различным профилированием, с генераторами вихрей и без них, дает наглядные представления о сложной аэродинамике течения в диффузорах. Достоверность

Результаты работы основываются на данных экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования проводились на специализированных стендах, оборудование которых позволяло проводить измерения параметров потока в исследованных моделях диффузоров с необходимой точностью.

Измерение режимных параметров, расхода и давления на входе в исследованные модели проводилось с помощью средств измерений стендов, обеспечивающих точность измерения расхода ± 0.7-1 %, полного и статического давления ± 0.3-0.5 % .

Структура потока определялась с помощью радиальных гребенок полного давления и при измерении содержала свыше 3000 значений измеряемых параметров в сечении. При экспериментах контролировался эффект воздействия гребенок на поток.

Структура потока у стенок каналов фиксировалась с помощью капле -масляной визуализации. Результаты визуализации сопоставлялись с результатами измерений.

Обработка результатов измерений производилась методами прикладной газодинамики.

Защищаемые положения Автор выносит на защиту:

результаты экспериментального исследования аэродинамических характеристик и структуры течения в диффузорных каналах кольцевой и конической конфигурации при относительных длинах диффузоров (1/Ь)кол»ц==2.85, (Швх)1(ой==3.84, в диапазоне чисел А.вх=0.3... 0.9,0.95 Значения числа находились в широком диапазоне: минимальное

число Рейнольдса Яеовх тш =10.4-105 было одинаковым для двух диффузоров (Хвх=0.3), максимальное число Яеввх тах определялось запиранием канала на входе в диффузор и для диффузора1 а для диффузора2

- йвтах =3.27-106 (Х.,х=0.95);

- результаты экспериментального определения повышения эффективности рассмотренных каналов с помощью генераторов вихрей;

- результаты оптимизации размеров, количества, расположения, способа установки генераторов вихрей;

- результаты экспериментального определения особенностей структуры отрывного течения в диффузорах различных типов, а также при наличии воздействия на течение;

- результаты анализа аэродинамических особенностей течения' отрыв потока, образование трехмерных структур, формирование радиальной и окружной неоднородностей потока.

Апробация работы. По результатам исследования параметров течений в диффузорах были сделаны 6 докладов:

• на Всесоюзных научно-технических совещаниях по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений, организатором которых была Акадмия Наук Эстонской ССР - 3 доклада:

1.Ледовская Н.Н.«Воздействие турбулизаторов потока на отрывное течение в диффузоре»

Турбулентные струйные течения. Тезисы докладов 1У Всесоюзного научного совещания по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений, часть 2, АН ЭССР, Таллинн, 1982, с. 164-171.

2.Ледовская Н.Н.«Экспериментальное исследование трехмерной структуры отрывного течения в осесимметричных кольцевых диффузорах» Турбулентные струйные течения. Тезисы докладов У Всесоюзного научного совещания по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений, часть 1, АН ЭССР, Таллинн, 1985, с. 156-164.

3.Ледовская Н.Н.«Влияние ступенчатой неравномерности потока на входе в конический диффузор на трехмерную структуру отрывного течения» Турбулентные струйные течения. Тезисы докладов У1 Всесоюзного научного совещания по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений, часть 1, АН ЭССР, Таллинн, 1989,с.86-88.

• Доклад на VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике, организованном Академией Наук Узбекской ССР, проходившем в сентябре 1986 г. в городе Ташкенте:

4.Васильев Ю.Н., Дедовская Н.Н.«Экспериментальное исследование трехмерной структуры отрывного течения в коническом диффузоре в условиях равномерного и неравномерного полей скоростей на входе» Тезисы докладов на VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике, Ташкент, 2430 сентября, 1986, с. 156.

Доклад на Международной научной конференции «Двигатели XXI века» посвященной 70-летию ЦИАМ им.Баранова.

5.Ледовская.Н.Н.«Ячеистые структуры в каналах диффузоров и в проточной части сверхзвуковых ступеней компрессора» Материалы международной научной конференции «Двигатели XXI века», 1-я часть, Москва,5-7 декабря, 2000. с.110-111.

Доклад на Четвертой междунардной школе-семинаре «Модели и методы Аэродинамики» Украина, Евпатория, июнь 2004г.

6.Ледовская Н.Н.

Экспериментальное исследование структуры отрывного течения в диффузорных каналах. Материалы Четвертой международной школы-семинара, Украина, Евпатория, 2004г.

Публикации. Материалы исследования были опубликованы в 3-х статьях, напечатанных в трудах ЦИАМ, в Инженерно-физическом журнале, в журнале Компрессорная Техника и Пневматика, в материалах VI Всесоюзного съезда по теоретической и прикладной механике.

¡.Дедовская Н.Н.

Некоторые способы повышения эффективности кольцевого диффузора с большим углом раскрытия. Труды ЦИАМ, №1112, Москва,стр1-13, 1984г.

2.Дедовская Н.Н.

Экспериментальное исследование трехмерной структуры отрывного течения в осесимметрйчных кольцевых диффузорах. Инженерно-физический журнал, Минск, август 1986г, том 51, №2, стр. 321-328.

3.Дедовская Н.Н.

Ячеистые структуры в каналах диффузоров. Компрессорная Техника и Пневматика. Москва, №12,2002г, стр4-9.

Объем и структура работы. Работа содержит введение, три главы, выводы и список литературы. Список литературы насчитывает 44 наименования. Общий объем работы (включая 113 страниц текста и 74 страницы рисунков) составляет 187 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертационной работе обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи исследования, обсуждаются научная новизна и практическая значимость полученных результатов, излагаются краткое содержание работы и положения выносимые на защиту.

Первая глава содержит описание объектов и методики исследования, установок на которых проводилось исследование. Там же приводятся схемы препарирования исследуемых объектов, описываются методики измерений и обработки измеренных данных.

Проведены исследования структуры течения в двух кольцевых осесимметричных диффузорах с отношением площадей n=FBbIX/FBx=2 (рис.1). Каналы диффузоров образовывались наружной обечайкой и центральным телом. Внутренняя поверхность наружной обечайки в дальнейшем называется периферией, наружная поверхность центрального тела в дальнейшем - втулка. Диффузоры имели одинаковые углы раскрытия наружной обечайки (периферии) у=16°,. отличались на периферии радиусами перехода от цилиндра к конусу: диффузор 1 с R| =40мм ( R=R/HBX=1 ,03)и диффузор 2 с R2 =288мм ( R=R/HBX=7.4).

Модели имели входной участок, который представлял собой кольцевой канал постоянной высоты длиной На периферии вход

имел форму лемнискаты. Центральное тело на входе было скруглено радиусом R= 190мм и на всем протяжении модели имело форму цилиндра, крепившегося к корпусу модели с помощью шести стоек обтекаемой формы, равно расположенных по окружности в выходном канале за поясом измерений на расстоянии L =2.7 НВы*. Выходной участок имел постоянную высоту Нвых =71мм и длину LBbK=6.7 НВЬ1Х . Расход воздуха изменялся в диапазоне GB=3.8... 12кг/с.

Модели кольцевых диффузоров имели достаточно подробное препарирование инерционными приборами. Схема препарирования показана на рис.1. Вдоль тракта моделей в десяти сечениях, расположенных так, как показано на схеме препарирования имелись приемники статического давления на наружной обечайке и на центральном теле. В каждом сечении на периферии и втулке находилось по 3 приемника, равно расположенные по окружности. В расширяющейся части диффузора таких сечений было - 4. Вдоль образующей диффузоров в 10 - ти точках на периферии и в 10 - ти точках на втулке также измерялось статическое давление. Изменение статического давления по тракту должно было показать положение начала отрыва потока. Производилось измерение пульсаций статического давления на периферии и полного давления по высоте канала на выходе из диффузоров малоинерционными датчиками.

Для оценки работы диффузоров в процессе исследования измерялись поля полного давления по окружности и высоте канала при входе в диффузор и на выходе их него. Для измерения полей полного давления использовались многоточечные радиальные гребенки. Для измерений во входном канале использовались 6 гребенок, имеющих по 8 приемников,

расположенных по радиусу так, как показано на схеме препарирования, представленной на рис.1. Гребенки в выходном канале (6 штук) имели по 12 приемников, расположение которых по высоте выходного канала, что указано так же на рис.1. Гребенки полного давления во входном и выходном каналах были равно расположены по окружности в поворотных кольцах. Специальные механизмы поворота колец позволяли их перемещать по окружности на угол 57° и устанавливать в 19 положений с интервалом 3°. Такая методика измерения полного давления позволяла получать в сечении на входе 912 значений полного давления, а в выходном сечении 1140 значений.

Дополнительные измерения миниатюрными гребенками полного давления обеспечивали определение толщины пограничного слоя на входе и полей полного давления вблизи периферийной стенки в трех сечениях внутри диффузора.

Измерения полного давления на входе и выходе, давления на стенках во всех сечениях производились с помощью групповых регистрирующих манометров.

Для измерения пульсаций давления в выходном канале использовался датчик ДК-5, а также датчики, имеющие более широкие частотные диапазоны. Показания датчиков фиксировались с помощью шлейфового осциллографа и записывались на магнитную ленту. Пульсации полного давления на выходе из диффузоров измерялись с помощью малоинерционных датчиков давления, установленных в специальные устройства, имеющие приемные отверстия на различных радиусах. Регистрация их показаний производилась с помощью магнитофона. Частотный диапазон производившихся измерений составлял 1000Гц и для измерений пульсаций статического давления ограничивался свойствами датчика, а для измерений пульсаций полного давления ограничения вносились присоединенным объемом, имевшимся перед приемной частью датчика. Пульсации полного давления на выходе из диффузоров измерялись по окружности и по радиусу с помощью пьезоэлектрических датчиков «епсЪусо».

Диффузоры исследовались в широком диапазоне значений К-еВвх=(1/Ц-)хри„хОаХ , которое представляет собой безразмерный критерий подобия Рейнольдса, подсчитанный по диаметру входного участка - Ввх Изменялась в широком диапазоне приведенная скорость потока на входе под которой понимается отношение скорости газа к критической скорости

Минимальное число Рейнольдса Кервх тш =10.4-105 было одинаковым для двух диффузоров (Хвх=0.3). Максимальное число Иеовх шах определялось запиранием канала на входе в диффузор. Для диффузора 1 К.етах =3.1-106 (Хвх=0.9), адлядиффузора 2 - Яегоах =3.27-106(Явх=0.95).

На трех режимах, по расходу воздуха, соответствующих приведенной скорости были измерены поля полного давления на входе и выходе и толщина пограничного слоя при входе в диффузор в трех точках по окружности.

Эксперимент для исключения взаимного влияния измеряющих приборов проводился в 4 этапа:

1 - измерение полей полного давления на входе в диффузор,

2 - определение толщины пограничного слоя,

3 - определение характеристик диффузора и положения линии отрыва,

4 - измерение полей полного давления на выходе из диффузора. После измерения полей полного давления на входе в диффузоры измерялись поля полного давления на выходе и характеристики диффузоров при отсутствии гребенок, измеряющих полное давление и толщину пограничного слоя на входе. Дальнейшее исследование работы диффузора проводилось при невозмущенном потоке на входе.

Были определены характеристики диффузоров. Для этого определялся коэффициент восстановления полного давления диффузора стДИф =Р*ВЫХ /Р*«х » где полное давление на выходе, полное давление на входе при

нескольких значениях скорости на входе.

Оценка эффективности диффузора производилась по величине (1-адиф)- Полное давление на входе определялось путем осреднения результатов измерения радиальными гребенками по окружности и по высоте канала (рис. 1). Так как на каждом из 8 радиусов по окружности измерялось в 114 точках с интервалом по азимуту то осреднение производилось по формуле:

где - среднее значение полного давления на входе на каждом из

радиусов,

Р*')(ф) - измеренное полное давление на входе в каждой точке по азимуту. При равномерном угловом интервале способ осреднения,

использующий интегрирование данных полученных на каждом из радиусов равнозначен суммированию измеренных значений и осреднению по массе.

Измерения показали, что полное давление на входе практически постоянно по радиусу и по окружности, поэтому осреднение производилось также арифметически. На выходе из диффузора средние значения Р* на каждом из 12 радиусов измерялись, как указывалось выше, в 114 точках с постоянным интервалом по азимуту и осреднение значений на каждом из

радиусов производилось по такой же формуле:

где среднее значение полного давления на выходе на каждом из

радиусов,

измеренное полное давление в каждой точке по азимуту. Далее определялись радиальные распределения полного давления на выходе и на их основании - распределения коэффициента потерь полного давления СТдиф(г)=Р*вых ,/Р*вх ,=Р*2,/Р*1,-

Для осреднения равномерного потока газа равномерный поток для описания состояния движения заменяется заторможенным газом без подвода энергии. При осреднении неравномерного потока производится его замена поступательным осредненным потоком с той же площадью сечения. При этом принимается равенство в рассматриваемом и осредненном потоке потока энтропии 8, потока полного теплосодержания 1о , и расхода О. Для нашего случая, когда температура торможения сохраняется постоянной, рекомендуется для вычисления

потерь осреднять по массе (или по расходу) логарифм полного давления

1пР*=1Л_г^1п.Р* Д(7,, где Р*, - осредненное значение полного

давления на каждом радиусе, Дв, - значение расхода воздуха через кольцевые площадки, для которых радиусы, где производились измерения, являются средними.

Измерения показали, что полное давление на входе практически постоянно по радиусу и по окружности, поэтому осреднение по радиусу производилось также арифметически.

Для определения среднего значения полного давления на выходе рассчитывался расход воздуха через каждую из кольцевых площадок выходного цилиндрического канала, на средних радиусах которых производились измерения радиальными гребенками. Имея в виду, что

1

0= Ърчп<1Р, или Сг=Са у =СопзГх (/(Я) , и 1пр0ср = —-,--можно

■0СаГГс1г \саугс!г

при использовании приведенной скорости потока получить выражение

I к + 1 )

Р 4-4-1 Р

1л — =--^^^----, где -£— - отношение

к +1

статического давления в неравномерном потоке к полному давлению в осредненном потоке. Статическое давление при проведении экспериментов на входе и выходе измерялось на обеих стенках в большом количестве точек по азимуту, проводилось его осреднение и изменение его по радиусу полагалось по линейному закону.

Полученное выражение позволяет непосредственно при известном статическом давлении в неравномерном потоке находить значения полного давления в осредненном по энтропии потоке. При вычислении интегрирование заменяется суммированием. Следует отметить, что при проведении исследований производилось измерение с постоянным шагом по азимуту величин статического давления на выходе из диффузоров на периферии (для кольцевых и конических диффузоров) и на втулке (для кольцевых диффузоров). Измерения показали, что в кольцевых каналах давление по азимуту и по высоте канала имеет близкие значения, отличие составляет не более 1-2%. На этом основании при определении расхода воздуха через каждую из элементарных площадок принималось, что статическое давление по высоте канала изменяется по линейному закону (либо оно постоянно по сечению). В этом случае можно для определения расхода воспользоваться газодинамической функцией которая определяется по функции

значения статического и полного давления на каждом из радиусов.

При определении характеристик диффузоров величина Сд,ф определялась по упрощенной

методике с использованием измерений давления на стенках канала на входе и

выходе по функции:

которая

использовалась для преобразования уравнения неразрывности. Из уравнения неразрывности, получаем:

Индексы 1 и 2 обозначают параметры, измеренные в сечении на входе (1) и сечении на выходе (2). Тогда полное давление на выходе можно определить по формуле: Рг^Ргср/я^-г) и Стдаф =Р*г/Во. Такой способ определения потерь полного давления часто применяется на практике при определении потерь в потоке газа без энергообмена (например, во входных диффузорах ВРД). Этот прием упрощал обработку экспериментальных данных и ускорял проведение работы по определению характеристик диффузоров. Правомочность таких действий подтверждают, как указывалось выше, измерения статического давления по окружности в сечениях на входе и выходе, которые показывают, что, несмотря на присутствие отрыва потока, этот параметр течения меняется на входе и выходе незначительно. Отклонение значений при изменении азимутального положения приемников на периферии составляет не более 1%. Такое же отклонение от среднего значения наблюдалось по азимуту на втулке. Эта величина находится в пределах точности измерения при использовании традиционных способов определения давления на стенках канала.

Предварительная оценка величин (1-с7диф)р«, полученных при осреднении измеренного на выходе и значений величины определенных по

измерениям статики, показала, что первое значение на 2% больше, чем второе, и это позволило в дальнейшем пользоваться этим способом обработки данных для опенки эффективности диффузора, имея в виду, что эффективность диффузора, определенная на основании измерений статического давления несколько занижена.

Для оценки величины потерь в диффузоре на основании данных, имеющихся в литературе и полученных в результате продувок конических диффузоров, был определен угол раскрытия эквивалентного круглого диффузора.

Для данных кольцевых диффузоров угол раскрытия эквивалентного круглого диффузора По данным продувок прямолинейных

диффузоров с круглым поперечным сечением для углов раствора диффузоров потери в диффузоре эквивалентны потерям

при внезапном расширении.

Кроме оценки потерь полного давления при возникновении отрыва потока,

Д-Р

производилось определение коэффициента полезного действия

ри /2

характеризующего рост статического давления в диффузоре, где Р2 и Р1 давление на выходе и входе, соответствено, а ри2 - скоростной напор на входе в диффузор.

Отрывное течение исследовалось в круглом коническом диффузоре, имеющем угол раскрытия у =16°, степень расширения п =РВЫХ/РВХ =4.34.(см. рис.2)

Перед диффузором имелся гладкий цилиндрический входной канал, диаметр которого а длина Протяженность

диффузора 1д,ф=461мм=3.7с1вх . Выход из диффузора представлял собой гладкий цилиндрический канал, имеющий диаметр и длину

При переходе от цилиндра к конусу, при входе в диффузор и на выходе из него в проточной части имелись угловые точки. На входе в диффузор обеспечивался двухконтурный подвод воздуха. Диаметр среза сопла ¿сопла^бмм. Отношение площадей в наружном и внутреннем контурах Каждый из трубопроводов, подводящих воздух, имел автономные дроссели, что позволяло создавать неравномерные поля скоростей различной конфигурации при входе в диффузор.

Таким образом, на установке, спроектированной для исследования отрывных течений в канале диффузора, имелась возможность путем изменения расхода воздуха в контурах исследовать влияние на структуру потока в диффузоре неравномерного потока на входе различной конфигурации. Кроме того, имелась возможность подвода воздуха только через наружный контур при снятом сопле внутреннего контура и закрытом канале внутреннего контура.

Конструкция установки и исследуемой модели позволяли при проведении исследований производить измерения статического давления в большом количестве сечений по длине модели и подробно измерять полное давление на входе в диффузор и на выходе из него.

Схема препарирования диффузора представлена на рис.2. В каждом из трубопроводов, по которым осуществлялся подвод воздуха, измерялось полное и статическое давление для определения скоростей потока в них и потерь полного давления. Эти замеры на схеме препарирования не указаны. Модель имела на входе и выходе поворотные кольца с радиальными гребенками, которые можно было устанавливать в 11 положений по азимуту (как и при исследовании кольцевых диффузоров) с интервалом в 6°. Это позволяло измерять поля полного и статического давления по окружности. Статическое давление по длине проточной части измерялось вдоль четырех образующих в 18-ти сечениях по длине модели. Конструкция модели позволяла производить постановку кольцевой решетки и генераторов вихрей на входе. Во входном цилиндрическом канале перед диффузором устанавливалась решетка лопаток, создающих закрутку потока. Лопатки имели следующие геометрические параметры: высоту И=35мм, хорду Ь=20мм, максимальную относительную толщину профиля с=0.1. Лопатки

имели постоянный по высоте профиль, спинка которого образована дужкой круга, а корыто - плоскостью. Лопатки закреплялись консольно во входном цилиндре в количестве 2=16 штук, на расстоянии 1=с1вх от входа в диффузор. Конструкция лопаток позволяла устанавливать их параллельно и навстречу друг другу под углами к потоку.

Модель конического диффузора имела 12 сечений, в которых, как показано на рис.2 имелись приемники статического и полного давления. В сечениях 1, 11, и 1У-ХУ1, ХУ11, были установлены по 4 приемника статического давления под углом 90° по азимуту. В сечениях 111-111 и ХУ1-ХУ1 производились измерения полного давления радиальными гребенками. Перед входом в диффузор (в сечении 111-111) измерялось полное давление по высоте канала и по азимуту с помощью шести десятиточечных радиальных гребенок полного давления, закрепленных в поворотном кольце. Поворотное кольцо можно было устанавливать в одиннадцать положений по азимуту с шагом 6°. Аналогичным образом устанавливались шесть радиальных одиннадцатиточечных гребенок для измерения полного давления на выходе из диффузора. Полное давление измерялось также в одиннадцати положениях по азимуту с интервалом 6° ( рис.2.). Одновременно с измерением полного давления проводилось измерение статического давления на стенке по окружности перед входом в диффузор в 66 точках. В стольких же точках измерялось давление на выходе. После измерения полей полного давления на входе дальнейшие исследования проводились с одной гребенкой на входе. Течение в диффузоре при равномерном потоке на входе исследовалось в диапазоне чисел [<е=риОвхода /|Д от Яе =0.8 106 до Яе =2.4 106 , что соответствовало коэффициенту приведенной скорости потока на входе:

Оценка эффективности диффузора при равномерном потоке на входе (два варианта) и диффузора в присутствии на входе радиальной (ступенчатой) неравномерности потока производилась по средним значениям полного и статического давления на входе и выходе, так же как при исследовании течения в кольцевых диффузорах. Осреднение значений полного и статического давления производилось так же как для кольцевых диффузоров. При исследовании структуры течения в кольцевых диффузорах, была проведена визуализация течения на периферийной и втулочной стенках при скорости потока на входе и=190м/с, что соответствует Хвх=0.6. Визуализация потока осуществлялась с помощью специально составленной краски, вводимой через приемники статического давления (120 приемников на периферии и 54 - на втулке) расположенные равномерно перед входом в диффузор.

Для визуализации течения использовались также данные, получаемые с помощью радиальных гребенок, измеряющих полное давление на входе и выходе. На основе кривых изменения по азимуту полного давления на входе и выходе определялось расположение в каналах на входе и выходе изолиний давления. Аналогичным образом определялись изолинии скорости потока, определенной на основании измерений полного и статического давления на выходе и на входе.

Так как для конического диффузора не удавалось получить развертку поверхности из-за

размеров модели, для представления изменений в структуре течения, происходивших при изменении способа подвода воздуха и в других случаях воздействия на отрывное течение в диффузоре, использовалась визуализация течения с помощью построения изолиний полного давления и на их основе изолиний приведенной скорости. Визуализация с помощью полей течения производилась так же, как это делалось при исследовании течения в кольцевых диффузорах.

Во второй главе содержатся результаты определения характеристик кольцевых диффузоров, исследования структуры течения в кольцевом диффузоре. Глава 2 содержит разделы, посвященные изучению полей газодинамических параметров во входном сечении диффузора, полей газодинамических параметров по тракту диффузора, полей газодинамических параметров на выходе из диффузора. Также глава 2 содержит исследование структуры потока в кольцевом диффузоре при наличии генераторов вихрей, с выбором формы генераторов вихрей, места установки и количества (см. таблицу1), и определение влияния генераторов вихрей на газодинамические параметры диффузора.

В разделе 2.3 главы 2 содержатся данные по исследованию влияния гладкости перехода от цилиндра к конусу на газодинамические параметры и структуру течения в диффузоре.

В разделе 2.4 описаны результаты визуализации структуры отрывного течения в кольцевом диффузоре (рис.3).

В разделе 2.5 приведены данные по измерению пульсаций давления .

В разделе 2.6 приведены результаты опытов по выявлению причин стабилизации отрывного течения в диффузорах.

В разделе 2.7 приведены интегральные оценки изменения скорости потока по тракту кольцевых диффузоров различной конфигурации с генераторами вихрей и без них.

На основании проведенных исследований получены параметры течения исходного диффузора:

1 .В исходном варианте кольцевого диффузора со степенью расширения п=2.0 с радиусом перехода от цилиндра к конусу R=40MM В условиях равномерного потока на входе и с пограничным слоем на периферии и втулке, имеющем толщину 5мм ( 5=5/Н в* -0.09 с каждой стороны),

- Потери полного давления при Х.вх =0.3, 0.6, 0.8 составляют, соответственно, 2.0, 8.7, 17% (рис.4).

- Отрыв потока от стенок распространяется на 4/5 длины диффузора от входа.

- Зафиксированы пульсации давления на выходе из диффузора с интенсивностью е=0.029.

Обнаружено, что зоны отрыва потока на периферии чередуются с зонами безотрывного течения с периодом по окружности. Наблюдается отрыв потока на втулке, имеющий такой же периодический характер. Зоны отрыва на втулке смещены относительно зон отрыва на периферии на ~30°по окружности.

2. Определены оптимальные относительные размеры генераторов вихрей на периферии и их расположение относительно входа в диффузор: высота Ь=

густота хорда расстояние

1.0. Наилучшие результаты были получены при постановке генераторов вихрей навстречу друг другу под углом а = ±15° к потоку.

3. Постановка на периферии перед входом в диффузор оптимального варианта генераторов вихрей позволяет:

а) уменьшить потери полного давления в диффузоре при Хвх =0.3, 0.6, 0.8 соответственно на 50, 37, 20% по сравнению с исходным вариантом без генераторов;

б)снизить интенсивность пульсаций давления в 5 раз;

в)уменыпить неравномерность потока по окружности.

г) уменьшить количество зон отрыва потока на периферии и втулке до 4-х ( период ~90°), сократить их протяженность по окружности и по радиусу.

4. Применение, дополнительно к генераторам вихрей на периферии, генераторов вихрей на втулке, имеющих размеры: 1=7мм, 1г=5мм, в количестве

расположенных навстречу друг другу на расстоянии 15мм, приводит к уменьшению потерь в диффузоре.

По сравнению с исходным вариантом, потери в диффузоре уменьшились на 75% при Я.вх = 0.3, при Хвх =0.6 и 0.8 потери уменьшились на 45% и 36% соответственно. На выходе из диффузора в этом случае получено практически равномерное поле полного давления по радиусу и по окружности. _

5.Увеличение радиуса перехода от цилиндра к конусу с 11=1.03 до 11=7.4 приводит к смещению начала отрыва потока ближе к выходу из диффузора на

его длины. Уменьшается интенсивность отрыва, сокращается его протяженность по окружности и высоте канала. Потери полного давления в диффузоре, имеющем 11-7.4, уменьшаются на 20-30% во всем исследованном диапазоне скоростей потока при входе (Х,х=0.3-0.9) по сравнению с потерями в диффузоре, у которого

6. При установке в диффузорах 1 и 2 на периферийной стенке и втулке генераторов вихрей в виде пластин, соизмеримых по высоте с толщиной пограничного слоя на входе изменяется структура потока в обоих диффузорах. Резко сокращается объем, занимаемый отрывом потока. В диффузоре 2 с отрыв потока локализуется в трех зонах, расположенных периодически по окружности с периодом 120° по окружности (рис.3). Сокращение протяженности зон отрыва приводит к уменьшению потерь полного давления Р* в диффузорах1 и 2 на 35-40% при =0.6 по сравнению с потерями Р* в исходных вариантах. В диффузоре 2 при Хвх =0.6 потери Р* составили примерно 4% (стдиф=0.962), а при А.вх =0.3 потери Р* равны 0.5% (стД1|ф=0.995) (рис.4). Потери на удар сократились в 5-6 раз (рис. 13).

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования структуры потока в конических диффузорах, изложенные в 3-х разделах посвященных:

- исследованию структуры потока в коническом диффузоре при одноконтурном подводе

воздуха и равномерном поле скоростей на входе;

- исследованию структуры потока в коническом диффузоре при двухконтурном подводе воздуха и равных скоростях в контурах на входе;

- исследованию структуры потока в диффузоре при неравномерных полях газодинамических параметров различной конфигурации на входе, а именно:

• с неравномерностью, создаваемой изменением расхода воздуха в контурах, •с неравномерностью, создаваемой решеткой лопаток, устанавливаемой перед входом.

- изучению течения в диффузоре при наличии генераторов вихрей.

Исследование отрывного течения в коническом диффузоре с углом раскрытия \у=16° и отношением площадей Рвых / Рвх =4.3, имеющем однородный и неоднородный поток на входе при одноконтурном и двухконтурном подводе воздуха показало следующее:

1 .В диффузоре, имеющем однородный поток на входе при отмечены следующие свойства течения:

а)при одноконтурном подводе воздуха и скорости потока во входном канале в диапазоне А.вх=0.3 - 0.6 в выходном сечении диффузора наблюдается периодическое чередование по азимуту зон отрывного и присоединенного течения с периодом ~60°.(рис.5) Величины коэффициента восстановления давления (см.рие.6) при этом: сгд=0.97 (при Явх=0.3 ) и стд=0.91 (при Хвх=0.б). Увеличение скорости потока на входе до Хвх=0.875 приводит к формированию зоны отрывного и зоны присоединенного течения (рис.7). Величина ия=0.845 (Хвх=0.875).

б)при двухконтурном подводе воздуха с постоянной по высоте канала скоростью потока на входе вследствие образования во входном цилиндрическом канале слоя смешения двух потоков, на выходе из диффузора структура потока отличается от структуры потока при одноконтурном подводе воздуха и включает зону отрывного и зону присоединенного течения (рис.8). Периодическое чередование отрывных зон и зон присоединенного течения вблизи стенки в этом случае не наблюдается. Стойки в диффузорном канале отсутствуют.

2.Величины коэффициента сгд=0.95 (при Хвх=0.3) и сгд=0.855 (при Д,вх=0.6), что на

2 - 6 % ниже величины аналогичного параметра при одноконтурном подводе воздуха (см.рис.6). Увеличение скорости потока на входе до Хвх=0.8 приводит к образованию периодически чередующихся по азимуту зон отрывного и присоединенного течения (рис.9). Период чередования составляет по азимуту ~600. Величина коэффициента од=0.78 (Хвх=0.8) и на 7.5% ниже величины ал , полученной при той же скорости на входе при одноконтурном подводе воздуха.

3.Создаиие ступенчатой неравномерности потока при входе в диффузор (и

приводит к формированию различной структуры течения в диффузоре в зависимости от соотношения скоростей потока в контурах: а)при ^ВХНар>^вхвнпр (режимы - Хвхнар=0.3;0.6;0.8 , ^вх.внуф="0; и режим - ^ВХНар^0.8 ^-вХвнугр=0.56;) отрывная зона локализуется в центре выходного сечения (рис.10) и имеет периодическую

структуру с периодом по азимуту 60° и оказывает влияние на присоединенное течение. Величина коэффициента восстановления давления в диффузоре имеет наибольшее значение при Hyp=Vtir , ^вх внутр О и составляет сТд 0.955, 0.815, 0.77 при чар=0.3;0.6;0.8 соответственно, что на 0.5, 3.5 и 1.5% ниже, чем при соответствующих средних значениях скорости в случае двухконтурного подвода воздуха: kBX=f(R „х )=Const, и на 1.5, 10 и 10% ниже, чем при одноконтурном подводе воздуха.

б)при X вх нар <Х вх внугр получены различные структуры течения в диффузоре : при Хвх1)ар=0 и Хвх виугр=0-45 течение на выходе из диффузора имеет струйный характер и под действием периодических структур ( период ~60°), образующихся вблизи периферии, ядро струи приобретает лепестковую структуру (рис.11); при Хтнар^-З; А.8Х вну1р=0.55 течение на выходе имеет двухзонный вид и содержит зону присоединенного и отрывного течения. При этом резко уменьшаются значения коэффициента <гд до 0.86 и 0.81 соответственно.

4.При создании периодической неравномерности потока с помощью решетки лопаток периодические возмущения потока на входе, создаваемые следами от лопаток, на выходе из диффузора не наблюдаются, но оказывают влияние на размеры и расположение отрывной зоны:

- при расположении лопаток параллельно зона присоединенного течения примыкает к одной стороне канала и занимает меньшую часть площади выходного сечения;

- при встречном расположении лопаток зоны присоединенного и отрывного течений меняются местами.

5.Использование при двухконтурном подводе воздуха во входном канале перед диффузорным участком двенадцати генераторов вихрей, создающих вихри вблизи периферийной стенки и в слое смешения потоков, позволяет сократить протяженность по радиусу и по азимуту отрывной зоны. Это приводит к возрастанию величины коэффициента по сравнению с диффузором с аналогичным распределением скорости потока в контурах без генераторов вихрей на входе.

6.Возмущения потока различного вида, создаваемые перед входом в конический диффузор с большим углом раскрытия, воздействуя на структуру пограничного слоя на стенке входного канала и слоя смешения потоков наружного и внутреннего контуров, способствуют формированию устойчивого отрывного течения в диффузоре.

В заключении сформулированы основные результаты работы: 1 Проведено экспериментальное исследование аэродинамических характеристик моделей кольцевых и конических диффузоров в широком диапазоне приведенной скорости потока от

соответствующего запиранию канала при управляющих воздействиях на отрыв потока.

2 Получены новые экспериментальные данные по структуре потока в канале кольцевого диффузора, имеющего большой угол раскрытия, и найдены возможности предотвращения отрыва потока в нем путем воздействия на поток с помощью генераторов вихрей. Исследованы параметры и структура течения в широком диапазоне значений приведенной скорости при подробных измерениях параметров потока и визуализации течения.

3 Получены новые результаты для экспериментальных значений аэродинамических характеристик моделей кольцевых и конических диффузоров, имеющих отношение площадей для кольцевого и 4 3 для конического каналов. Исследования проводились при широком диапазоне значений приведенной скорости потока на входе.

4 В работе показано, что воздействие на структуру потока путем изменения радиуса кривизны при переходе к расширяющейся части канала позволяет снизить потери полного давления в 1.5-2 раза за счет сокращения размеров вихрей в отрывном течении.

5 Воздействие на структуру течения генераторами вихрей позволяет дополнительно снизить на столько же потери полного давления в диффузоре во всем рассмотренном диапазоне скорости потока на входе.

6 Совместное воздействие на поток профилированием входной части и оптимальным расположением генераторов вихрей позволяет снизить потери в кольцевом диффузоре в 5-6 раз., что соответствует возможности сокращения длины такого диффузора в 2.5-3 раза.

7 В кольцевом диффузоре впервые обнаружено с помощью визуализации течения и измерения полей параметров, что зоны отрыва потока на периферии чередуются с зонами безотрывного течения, что приводит к формированию стабилизированной лепестковой структуры в плоскости выходного сечения канала. В диффузоре без генераторов вихрей структура потока имееет периодический характер: наблюдаются отрывы потока на периферии и втулке, создающие крупно-масштабные неоднородности, диаметр которых в 50 раз превышает толщину пограничного слоя. Периодичность отрывных зон составляет ~60°, смещение зон отрыва на периферии относительно зон отрыва на втулке ~30°. Воздействие на отрыв генераторами вихрей приводит к изменению на порядок размеров неоднородностей и визуализация пристенных течений показывает, что при этом оси вращения вихрей попарно ориентируются вдоль стенки, что позволяет их классифицировать, как вихри Гертлера. Период неоднородностей отрывного течения увеличивается до -120°. Изменение структуры отрывного течения и уменьшение масштабов вихрей обуславливает снижение потерь полного давления.

8 Изучено воздействие окружной и радиальной неравномерностей на отрыв потока в коническом диффузоре с углом раскрытия конуса 16°в широком диапазоне значений приведенной скорости потока на входе от ^,„^=0.3 до ■""-пах 0.9 .

9 Впервые показано, что отрывное течение в коническом диффузоре имеет установившийся пространственный характер, содержит зоны отрыва и зоны присоединенного течения. Установлено, что наилучшие интегральные характеристики диффузора соответствуют невозмущенному равномерному потоку на входе. Введение неоднородностей потока на входе приводит к увеличению потерь полного давления. Воздействие генераторами вихрей на неоднородный поток на входе позволяет повысить эффективность диффузора и получить параметры близкие у их значениям при невозмущенном равномерном потоке.

3 Получены новые результаты для экспериментальных значений аэродинамических характеристик моделей кольцевых и конических диффузоров, имеющих отношение площадей п=рвы!/рвх =2 для кольцевого и 4.3 для конического каналов. Исследования проводились при широком диапазоне значений приведенной скорости потока на входе.

4 В работе показано, что воздействие на структуру потока путем изменения радиуса кривизны при переходе к расширяющейся части канала позволяет снизить потери полного давления в 1.5-2 раза за счет сокращения размеров вихрей в отрывном течении.

5 Воздействие на структуру течения генераторами вихрей позволяет дополнительно снизить на столько же потери полного давления в диффузоре во всем рассмотренном диапазоне скорости потока на входе.

6 Совместное воздействие на поток профилированием входной части и оптимальным расположением генераторов вихрей позволяет снизить потери в кольцевом диффузоре в 5-6 раз., что соответствует возможности сокращения длины такого диффузора в 2.5-3 раза.

7 В кольцевом диффузоре впервые обнаружено с помощью визуализации течения и измерения полей параметров, что зоны отрыва потока на периферии чередуются с зонами безотрывного течения, что приводит к формированию стабилизированной лепестковой структуры в плоскости выходного сечения канала. В диффузоре без генераторов вихрей структура потока имееет периодический характер: наблюдаются отрывы потока на периферии и втулке, создающие крупно-масштабные неоднородности, диаметр которых в 50 раз превышает толщину пограничного слоя. Периодичность отрывных зон составляет -60°, смещение зон отрыва на периферии относительно зон отрыва на втулке -30°. Воздействие на отрыв генераторами вихрей приводит к изменению на порядок размеров неоднородностей и визуализация пристенных течений показывает, что при этом оси вращения вихрей попарно ориентируются вдоль стенки, что позволяет их классифицировать, как вихри Гертлера. Период неоднородностей отрывного течения увеличивается до ~120°. Изменение структуры отрывного течения и уменьшение масштабов вихрей обуславливает снижение потерь полного давления.

8 Изучено воздействие окружной и радиальной неравномерностей на отрыв потока в коническом диффузоре с углом раскрытия конуса 16°в широком диапазоне значений приведенной скорости потока на входе от до

9 Впервые показано, что отрывное течение в коническом диффузоре имеет установившийся пространственный характер, содержит зоны отрыва и зоны присоединенного течения. Установлено, что наилучшие интегральные характеристики диффузора соответствуют невозмущенному равномерному потоку на входе. Введение неоднородностей потока на входе приводит к увеличению потерь полного давления. Воздействие генераторами вихрей на неоднородный поток на входе позволяет повысить эффективность диффузора и получить параметры близкие у их значениям при невозмущенном равномерном потоке.

Рис 1 Схема препарирования модели кольцевого диффузора

Выход из диффузора

!Й0

Выход из диффу зора

Рис 3 а,б,в Результаты визуализации течения на периферии кольцевого диффузора 2 при Л.,х =0 6

а)картина течения, полученная с помощью впрыска краски

б)схема течения 1 - линия начала отрыва, 2 - вихревая зона, 3 — зона обратного тока, 4 - вход в диффузор, 5 - выход из диффузора

в)картина течения на периферии в диффузоре 2 с генераторами вихрей

Таблица 1

№№ Вар. 1 И Ь/1 г и а° Расположение

п\п мм мм

1 А 7 5 0.715 32 0.222 +15 Параллельное

2 48 0.333

3 * 64 0.446

4 * 60 0.42

5 * 72 0.501

6 * 64 0.446 ±15 Встречное

7 В 7 10 1.43 24 0.16 +15 Параллельное

8 32 0.222

9 48 0.333

10 64 0.446

И 64 ±15 Встречное

12 С 7 14 2.0 32 0.222 + 15 Параллельное

13 48 0.333

14 64 0.446

15 Б 18 10 0.555 24 0.43 +15 Параллельное

16 32 0.574

17 48 0.857

18 * 32 0.574 ±15 Встречное

19 Е 18 5 0.278 24 0.43 +15 Параллельное

20 32 0.574

21 48 0.857

22 * 30 0.538

23 * 36 0.656

24 * 32 0.574 +15 Встречное

25 * 7 5 0.715 64 0.446 ±15 Встречное

26 * 18 5 0.278 32 0.546 ±15 Встречное

8-1-4,

о 0,3 0,5 0,7 0,9

6

Рис.4.а,б. Изменение потерь полного давления 8=(1-сГд) и коэффициента повьшения давления г|д в кольцевом диффузоре.

а) - §=(1-ад), б) - Лд

0 . исходный вариант кольцевого диффузора (диффузор 1), □ . дифузор с увеличенным радиусом перехода (диффузор 2), диффузор 1 с генераторами вихрей, диффузор 2 с генераторами вихрей

О'

Рис.5.а,б Поля скорости потока в проточной части конического диффузора при одноконтурном подводе воздуха и равномерной скорости на входе а) - выход, б) - вход.

Рис.6.а,б Изменение коэффициента восстановления полного давления (а)

и коэффициента повышения статического давления (б)в кольцевом диффузоре при изменении скорости потока на входе.

1 - двухконтурный подвод воздуха

2 - одноконтурный подвод воздуха

3 - диффузор с генераторами вихрей

Рис 7.а,б Поля скорости потока в проточной части конического диффузора при одноконтурном подводе воздуха и равномерной скорости на входе Х** =0.875 а) - выход, б) - вход.

Рис 9 Поле скорости на выходе их диффузора при двухконтурном подводе воздуха и равных значениях скорости потока в контурах Хвх=0 9

о"

йо

Рис 10 Поле скорости на выходе их диффузора при двухконтурном подводе воздуха и ступенчатой неравномерности скорости потока в контурах ^нар 8 , ХВнутр =0 5

0°

Рис.12. Поля течения на выходе из диффузора при постановке на входе решетки лопаток.

а - лопатки параллельно друг другу б - лопатки навстречу друг другу

Изменение коэффициента полноты удара в зависимости от угла раскрытия диффузора

ДЛЯ ЗАМЕТОК

Заказ 40 3 Тираж 80 экз.

Типография ЦИАМ

376

Аннотация.

Введение.

Глава 1. Объекты и методика исследования.

1.1.Модели кольцевых диффузоров.

1.2. Измерения параметров потока по тракту кольцевых диффузоров и методика обработки экспериментальных данных, полученных при исследовании структуры течения.

1.3. Модели конических диффузоров.

1.4.Методика проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных при исследовании структуры течения в коническом диффузоре.

1.5.Визуализация течения при проведении исследований.

Глава 2. Исследование течения в кольцевых диффузорах.48.

2.1. Исследование структуры течения в кольцевом диффузоре.

2.1.1.Изучение поля газодинамических параметров во входном сечении диффузора.

2.1.2.Исследование поля газодинамических параметров по тракту диффузора.

2.1.3.Исследование полей газодинамических параметров на выходе из диффузора.

2.2.Исследование структуры потока в кольцевом диффузоре при наличии генераторов вихрей.

2.2.1.Выбор формы генераторов вихрей, места установки и количества.

2.2.2.Влияние генераторов вихрей на газодинамические параметры диффузора.

2.3.Исследование влияния гладкости перехода от цилиндра к конусу на газодинамические параметры и структуру течения в диффузоре.

2.3.1 Исследование параметров течения в диффузоре 2 с увеличенным радиусом перехода от цилиндра к конусу.

2.3.2Исследование течения в диффузоре 2 с генераторами вихрей в проточной части.

2.4. Визуализация структуры отрывного течения в кольцевом диффузоре.ЛЪ

2.5. Измерение пульсаций давления.

2.6. О причинах стабилизации отрывного течения в диффузорах.

2.7. Изменение скорости потока по тракту диффузоров.

Глава 3. Исследование структуры потока в конических диффузорах.

3.1.Исследование структуры потока при различных вариантах равномерного поля скоростей на входе.

3.1.1 Структура потока в коническом диффузоре при одноконтурном подводе воздуха и равномерном поле скоростей на входе.

3.1.2.Структура потока в коническом диффузоре при двухконтурном подводе воздуха и равных скоростях в контурах на входе.

3.2.Исследование структуры потока в диффузоре при неравномерных полях газодинамических параметров различной конфигурации на входе.

3.2.1.Неравномерность, создаваемая изменением расхода воздуха в контурах.

3.2.2.0 причинах стабилизации течения в диффузоре.

3.2.3.Неравномерность, создаваемая решеткой лопаток, устанавливаемой перед входом.

3.3. Изучение течения в диффузоре при наличии генераторов вихрей.

Выводы к главе 3.

Выводы.

Актуальность темы

Диффузорные (расширяющиеся) каналы используются для преобразования кинетической энергии потока в энергию давления, которые при плавном переходе от сечения меньшей площади к сечению большей площади обеспечивают минимальные потери давления. Известно, что для получения минимальных потерь полного давления необходимо проектировать диффузорные каналы без отрыва потока с минимально возможным углом раскрытия. Однако на практике требуется сокращение длины диффузоров и увеличение степени расширения потока в них. Увеличение степени расширения может сопровождаться чрезмерным ростом гидравлических потерь вследствие возникающего отрыва потока.

Диффузорные каналы являются часто используемым элементом в проточных частях различных технических устройств. Например, в стационарных компрессорах и в двигателях, используемых в газоперекачивающих станциях, обязательно используются кольцевые диффузоры между компрессорами низкого и высокого давления, между компрессором и камерой сгорания, на выходе из турбины. Диффузорные каналы могут быть и другими элементами различных устройств, например, в системах трубопроводов используются конические диффузоры.

В других технических устройствах (испытательных стендах, энергетических установках) широко применяются конические диффузоры. Имеющийся большой материал по исследованию конических диффузоров и обобщения экспериментальных данных для них, обуславливают необходимость сравнительного анализа тех и других схем. В связи с этим в работе проводится исследование, как кольцевых, так и конических диффузоров. Одним из основных направлений работ по улучшению показателей газоперекачивающей станции является уменьшение потерь энергии в выпускном тракте и кинетической энергии выходящих газов, то есть понижения полного давления газа за последней ступенью турбины. Одним из путей для достижения этой цели является снижение потерь давления при неизменной скорости газов.

Другим направлением работ является повышение эффективности переходных устройств между компрессором и камерой сгорания.

При разных режимах работы устройств, в которых используются диффузорные каналы, происходит изменение параметров, в частности скорости • потока в широком диапазоне.

Для создания выпускных трактов и переходных устройств, допустимых габаритов, отвечающих требованиям транспортировки газа и преобразования его кинетической энергии с наивысшей эффективностью необходимо знать качества диффузорных каналов различных типов. Одной из целей совершенствования диффузорного канала является увеличение степени расширения с параллельным использованием средств, улучшающих его характеристики. Главным средством такого улучшения является воздействие на отрыв пограничного слоя.

Диффузорные каналы должны иметь форму проточной части, обеспечивающую максимальную эффективность, т.е. безотрывное течение в широком диапазоне скорости потока на входе, а также иметь наиболее равномерные поля распределения параметров потока на выходе. Как известно, максимальная эффективность диффузора при одной и той же степени расширения может быть получена в канале с наименьшим значением угла раскрытия. В то же время малый угол раскрытия приводит к увеличению длины канала, т.е. к увеличению материалоемкости и веса конструкции. Кроме того, кольцевые диффузорные каналы, используемые к системе компрессора, как правило, содержат стойки и имеют на входе неравномерный и нестационарный поток, что относится к причинам, приводящим к снижению эффективности диффузорных каналов. Таким образом, при разработке конструкции диффузоров должны учитываться конкретные условия, в которых они используются. Расчеты диффузоров, проводимые по современным методикам, учитывающим вязкость газа, позволяют определять в стационарной постановке задачи положение точки отрыва в кольцевом осесим^етричном диффузорном канале, не имеющем на входе окружной и радиальной неоднородности потока. В связи с этим может наблюдаться расхождение рассчетного и реального положения точки отрыва и, соответственно, эффективности диффузорного канала и величин скорости потока на выходе. В виду ограниченности экспериментальных данных по продувкам кольцевых диффузорных каналов с большими углами раскрытия, а также конических диффузоров в условиях неравномерного сжимаемого нестационарного потока на входе, представляет интерес проведение соответствующих экспериментальных исследований с • целью определения влияния указанных характеристик течения на эффективность диффузоров для возможного их использования при разработке новых методик расчета. Сокращение длины диффузорного канала возможно путем увеличения степени расширения с параллельным использованием управления отрывом пограничного слоя.

Цель работы: выяснение влияния различных факторов на гидравлические качества различных (кольцевых и конических) диффузорных каналов, определение гидравлических характеристик каналов при изменении скорости потока, определение возможности управления отрывом.

Задача работы:

Исследование свойств отрывного течения, возникающего под воздействием градиента давления и воздействие на отрыв одним из известных способов управления.

Отрыв потока - одна из основных и наиболее сложных проблем аэромеханики. Появление отрыва приводи? к резким изменениям давления, скорости и температуры потока по сравнению с их значениями в условиях присоединенного течения. Рабочие характеристики гидромашин (насосов, турбин, вентиляторов, компрессоров) и их элементов (диффузоров, каналов, трубопроводов), а также летательных аппаратов и морских судов ( самолетов, ракет, кораблей, подводных лодок и др.) непосредственно зависят от отрыва потока поскольку их оптимальные значения достигаются в условиях, близких к отрыву. При возникновении отрыва требуется большая мощность для компенсации потерь энергии, и могут развиться вредные явления типа помпажа, срыва и т.п., которые приводят к разрушению конструкций. Управляя отрывом, можно избежать разрушительного воздействия потока воздуха, связанного с отрывом и вихреобразованием.

Отрыв, как правило, приводит к вредным последствиям, вызывая потери энергии, возникновение неустойчивости и т.д.

Известно много работ, посвященных исследованию различных типов течений с присутствующим в них отрывом потока [1-5,7,10-39,41-43,45-48, 51-53, 55-58]. • Отрыв потока и характеристики отрывных течений зависят от большого числа параметров. К таким параметрам относятся критерии подобия для течения газа, т.е. числа Рейнольдса - Re и Маха - М , факторы, учитывающие неравномерность скоростей, температур и давлений.[ ]

Отрыв потока возникает при внешнем обтекании различных тел, таких как стойки, крылья, криволинейные поверхности, и т.д. Отрыв возникает также и при внутреннем течении в каналах различной конфигурации, в частности, в каналах с расширяющейся проточной частью. Отрыв от обтекаемой поверхности может возникнуть при наличии определенных факторов, к которым относятся положительный градиент давления и вязкость. Как известно, отрыва можно избежать, профилируя обтекаемые поверхности, обеспечивая, где это возможно, отрицательный или достаточно малый положительный градиент давления в направлении течения.

Наиболее часто встречаются каналы с градиентом давления в проточной части компрессоров. Это межлопаточные каналы рабочих колес и направляющих и спрямляющих аппаратов, а также переходные каналы, имеющие различную конфигурацию проточной части. В компрессорах при проектировании всех обозначенных устройств, стремятся обеспечить безотрывное обтекание образующих поверхностей, что не всегда возможно,' так как они должны обеспечивать высокие гидравлические качества в широком диапазоне параметров потока на входе в условиях ограниченной длины проточной части. Это обуславливает возможность возникновения отрыва потока. В связи с этим полезно знать степень влияния различных факторов на гидравлические качества диффузорных каналов, знать структуру отрывного течения, определить возможные способы предотвращения отрыва потока с учетом широкого изменения параметров на входе.

В виду трудностей, возникающих при исследовании пространственного течения в осесимметричных кольцевых каналах и отсутствии, в связи с этим, экспериментальных данных, таких как характеристики диффузора в зависимости от приведенной скорости потока Хвх , а также полей параметров^ по высоте канала на выходе, представляет интерес проведение исследований, направленных на подробное исследование структуры потока в каналах с1 положительным градиентом давления для определения их характеристик в широком диапазоне скоростей потока на входе и полей параметров в проходных сечениях. I

Как известно [1,2,3,4,5,6,7,8,9-12], гидравлические характеристики диффузоров зависят от многих параметров, в частности:

A)от угла расширения проточной части vj/; Б)степени расширения проточной части n=F2/Fi;

B)формы поперечного сечения Г)формы образующей

Д)условий на входе (состояния пограничного слоя, поля скоростей на входе) Е)режима течения (число Re=wiDi /v) Ж)сжимаемости потока (число M=Wi/a), А/У а именно: £,= —=- =f (Re, М, у, n, ki, кг, кз), т 2g где: § - коэффициент сопротивления диффузора, АН - общее сопротивление диффузора, у - удельный вес газа wi - скорость основного потока на входе,

Re — критерий подобия Рейнольдса, подсчитанный по гидравлическому диаметру узкого сечения диффузора на входе - Di М - число Маха, п- степень расширения диффузора 1|/-угол расширения диффузора ki - коэффициент , характеризующий состояние пограничного слоя (поля скоростей) кг - коэффициент, характеризующий форму поперечного сечения диффузора кз — коэффициент, характеризующий форму образующей диффузора, а - скорость распространения звука в потоке, м/с.

Ввиду отсутствия достаточных данных о связи сопротивления диффузоров с перечисленными параметрами, для практических расчетов применяется метод разделения потерь, заключающийся в рассмотрении сопротивления диффузора, • состоящим из двух слагаемых: местного сопротивления из-за расширения потока и сопротивления трения: £Полн= 4расш + 4тр

В работах [1, 2] приведена связь коэффициента сопротивления диффузора ^полн от наиболее часто употребляемого коэффициента потерь полного давления о=Р*вых/Р*вх в виде: га>лн =2(1 - cO/pw2 , который в случае учета сжимаемости можно

Зависимости £,ПОЛн =f(A.) и a =f(X) представляют собой характеристики диффузорного канала, в частности, качество сохранения полного давления в нем при изменении скорости потока на входе.

Гидравлические качества диффузорного канала могут быть оценены также по р -р коэффициенту повышения статического давления в нем т\= 2 2 1, ри 12 где Рг и Pi значения статического давления на выходе и входе диффузора соответственно. Характеристика диффузора тогда представляется в виде зависимости rj=f(X).

Как известно, такими зависимостями удобно пользоваться для сравнения различных каналов.

Следует отметить, что, несмотря на значительные достижения в современных методах расчета вязких, турбулентных двумерных и трехмерных течений, экспериментальное определение характеристик диффузоров остается актуальной задачей. Это связано с теми особенностями течений в диффузорах, которые в основном и рассматриваются в настоящей работе. 1

В реально используемых диффузорах течение сопровождается отрывом потока и воздействие на него, как правило, преследует цель ослабить интенсивность отрыва из-за невозможности его полной ликвидации. В работе будет показано, что при этом в диффузоре, с исходной двумерной конфигурацией (кольцевой, конические диффузоры) образуются трехмерные ' структуры, появляются как радиальная, так и азимутальная неоднородности потока. Подобные эффекты пока не поддаются математическому моделированию.

Другой проблемой, которая тоже в настоящее время не имеет возможности быть промоделированной на основании численных расчетов, является воздействие на поток в реальном диффузоре генераторов вихрей. Анализу этих эффектов также посвящены эксперименты настоящего исследования.

Кроме того, следует заметить, что, несмотря на усовершенствование расчетных методов, наблюдается расхождение в определении изменения по тракту и по высоте канала на выходе коэффициентов потерь полного давления и коэффициентов повышения статического давления в расчете и эксперименте даже для двумерных течений. Следствием этого несоответствия является расхождение расчетных и экспериментальных распределений по тракту скорости потока и положения точки начала отрыва потока, если в канале имеет место градиент давления.

Переходные каналы между компрессорами низкого и высокого давления, а также между компрессором и камерой сгорания, имеющиеся в системе многорежимного ТРДЦ, должны обеспечивать заданные потери полного давления и неравномерность полей полного давления й скорости на выходе. В связи с этим, представляет интерес экспериментальное определение этих параметров путем продувки таких каналов в широком диапазоне осредненных параметров потока на входе с целью уточнения результатов расчетов. Кроме того, при проектировании укороченных каналов необходимо также знать цену такого изменения, так как в этом случае увеличивается возможность возникновения отрыва потока, как указывалось выше, и для обеспечения приемлемых гидравлических характеристик в этом случае необходимо предусмотреть возможные способы его предотвращения.

Подобрать и оптимизировать способ управления отрывом потока можно пока только экспериментальным путем.

Представляет интерес исследование течения в диффузорах, имеющих большой угол раскрытия, с целью повышения их эффективности путем использования одного из известных способов управления отрывом потока. •

Были ранее известны и в последнее время появились работы [13-43], в которых описаны такого типа явления, когда течение из-за отрыва потока теряет в пристеночной зоне двумерные свойства и становится трехмерным. Основная часть этих работ посвящена описанию различных примеров внешнего обтекания с отрывом и последующим присоединением потока: обтекание вогнутой криволинейной стенки дозвуковым потоком, обтекание тел с передней точкой торможения, течения с замкнутыми отрывными зонами. Во всех перечисленных случаях были обнаружены трехмерные эффекты, характеризующиеся образованием в пристеночной зоне вихрей Тейлора-Гертлера, оси которых параллельны основному потоку, а размеры одного порядка с толщиной пограничного слоя. Аналогичная система периодически расположенных (в пристеночной зоне) вихрей, соизмеримых с толщиной пограничного слоя, была обнаружена авторами работы [43], в которой описаны результаты исследования течения на наружной обечайке камеры смешения эжектора в зоне присоединения потока при нулевом коэффициенте эжекции. Этот эффект является следствием потери устойчивости пограничного слоя при его резком повороте в результате нарушения равновесия между центробежными силами и силами давления.

В книгах П.Чжена [15,16] обобщен опыт теоретического и экспериментального исследования отрывных течений. Описаны физические картины и механизм отрыва потока, возникающего при внешнем обтекании двумерных, осесимметричных и пространственных тел. Также описаны возникновение отрыва и формирующаяся при этом структура потока при течении в плоских, осесимметричных каналах, в диффузорах. Описаны методы расчета отрыва потока в указанных случаях. Однако все описанные теоретические разработки выполнены на основе экспериментальных исследований отрывных течений в упрощенных моделях. В частности, рассмотрены диффузоры, имеющие квадратные, прямоугольные и круглые поперечные сечения. Исследовались геометрия диффузоров, эффективность, влияние на нее углов раскрытия [15, стр173-192,], формы и геометрии проточной части. Описаны опыты Гибсона [17] по исследованию различных диффузоров, имеющих круговую, квадратную и прямоугольную форму с < различным отношением площадей и соответственно углов раскрытия при скорости потока на входе 1.2-8м/с.

Паттерсон [18] на основании данных Гибсона [17], Петерса[46], Ведерникова [19], Вюллерса [20], определил, что при проектировании диффузоров, имеющих, круглое, квадратное или прямоугольное сечение, необходимо соблюдать следующие требования:

1-выбирать угол раскрытия 6-8°,

2-выбирать, по возможности, круглое поперечное сечение,

3-уменылать толщину пограничного слоя на входе,

4-скруглять угловые точки,

5-при больших углах раскрытия (более50°) использовать дефлекторы или закручивать поток на входе по закону «твердого тела».

Все выводы делались на основе измерений полного давления во входных и выходных сечениях диффузорных каналов прямоугольного и круглого сечения. Структура течения не исследовалась.

Было так же установлено, что при изменении угла от 0 - 45° в упомянутых типах диффузоров можно наблюдать различные режимы течения, а-безотрывное течение при малых углах раскрытия,

6-трехмерный отрыв переходного типа при угле раскрытия 15°, с переходной областью, в которой положение, размеры и интенсивность отрыва изменяются по времени, в-установившееся двумерное течение при угле раскрытия большем, чем 17° с областью развитого отрыва треугольной формы с возвратным течением, г-отрыв потока от обеих стенок при угле раскрытия больше 30°с образованием струйного течения.

Характеристики диффузора улучшаются при использовании коротких или длинных направляющих лопаток. Возвратное течение при этом исчезает или ослабляется, направление основного потока становится более устойчивым и упорядоченным. По этим исследованиям были сформулированы следующие условия оптимальности диффузоров:

-Минимум потерь полного давления совпадает с оптимумом эффективности диффузора. При чем, эффективность диффузора оценивалась коэффициентом

Cpi „ , Cpid-Cpi 1 , ц=—-— , который меньше 1, и выражение —-— = —1 имеело

Cpid Cpi 77 минимум. Идеальный коэффициент восстановления давления определялся по

F2 формуле - Cpid = 1 —у .

F2 у \p2dF2 -у \PldFx Текущий коэффициент восстановления давления: Cpi = 2 F2--, который эквивалентен используемому в представляемой работе коэффициенту

-Рг-Рх ри21 2 статического давления, осредненные по всей площади каналов на выходе и входе.

По данным Гибсона [17] и Рейда [23] оптимальный конический диффузор возможен при угле раскрытия около 7° и длине, обеспечивающей степень расширения диффузора не более 25.

Следует отметить, что представленные данные получены в результате исследования течения с градиентом давления в сильно упрощенных моделях при скорости течения, имеющей значения, соответствующее коэффициенту приведенной скорости А,=0.03-0.1, т.е. без учета сжимаемости. На практике, диффузоры, используемые в реальных турбинах, компрессорах, вентиляторах, насосах, имеют вид кольцевых каналов сложной формы с криволинейными стенками. Эти каналы располагаются между вращающимися лопаточными колесами, создающими вблизи себя шаговые и радиальные неравномерности полезного действия диффузора г\= 2 2 где давления Рг и Pi — значения потока, в условиях изменяющегося (в зависимости от режима работы) среднего числа X. Значения X зависят от расположения такого канала и могут изменяться в диапазоне Х=0.3-0.8. Кроме того, возмущения, распространяющиеся от вращающихся роторов, имеют нестационарный характер.

Влияние этих факторов на эффективность диффузорных кольцевых каналов ' изучено слабо.

Известен ряд работ, посвященных исследованию диффузорных каналов [6,7,9] [2] [3,8], в которых рассмотрены характеристики диффузорных каналов, работающих в условиях реальных скоростей потока на входе и выработаны рекомендации по проектированию таких устройств. В частности, отмечено повышение величины коэффициента сопротивления, на 15-20% для кольцевых диффузорных каналов, установленных за работающей турбомашиной по сравнению со значениями при неработающей турбомашине. Объяснением этого явления может служить изменение структуры потока под воздействием шаговой и радиальной неравномерностей, формирующихся на выходе из турбомашины. Можно предположить, что изменение структуры потока заключается в отличии формы и размеров отрывного течения. Однако структура потока подробно в диффузорных каналах не исследовалась, как не исследовались шаговая, радиальная и окружная неоднородности потока на входе и выходе диффузоров.

Как показывает представленный выше обзор имеющихся публикаций, исследования кольцевых диффузорных каналов не дают достаточного представления для рекомендаций при проектировании, и позволяют производить предварительную приближенную оценку эффективности таких каналов. Кроме того, сложно предсказывать возникновение отрыва потока и форму распределений параметров по высоте канала, таких как скорость потока и коэффициент восстановления полного давления.

Отсутствие достаточного количества экспериментальных данных по исследованию течения в каналах внутреннего течения обусловлено трудностями, возникающими при проведении таких исследований. К числу таких трудностей относится определение осредненных параметров течения в каналах, визуализация его структуры. Для более точного определения эффективности повышения давления в диффузоре необходимо знать, насколько хорошо в таких каналах выполняются требования осевой симметрии потока. Так как в реальных условиях это требование не всегда соблюдается, то полезно знать какое влияние оказывает окружная и радиальная неравномерности на • структуру потока и сопротивление диффузора. * Кроме того, может отсутствовать радиальное равновесие течения, поэтому интересно знать, как закрутка потока влияет на эффективность диффузора. *

Предполагается, что числа Re, определенные по параметрам на входе в диффузорные каналы, используемые в проточной части компрессора имеют значения соответствующие автомодельным течениям и влияние на характеристики диффузоров cr=f(X) может не учитываться, но это предположение также требует проверки. В настоящей работе показано, что в исследованных моделях диффузорных каналов потери на выходе зависят от числа Re, определенного по длине входного канала и скорости потока в нем.

Одним из определяющих параметров течения в диффузоре является величина скорости потока на входе, которая может быть выражена с помощью коэффициента приведенной скорости Хвх . В реальных условиях диффузорные каналы могут работать в широком диапазоне скоростей на входе, поэтому исследования должны проводиться в широком диапазоне его значений, чтобы определить влияние сжимаемости.

В настоящее время нет полных данных о характере неравномерности потока за лопаточными машинами, особенно это относится к нестационарным возмущениям, возникающим на входе и на выходе" лопаточных машин и изменяющимся очень сильно, как по высоте канала, так при изменении ее режима работы по частоте вращения и расходу. Поэтому представляет интерес исследование влияния неравномерностей различного рода на структуру течения в диффузорных каналах.

В зонах отрыва потока образуются вихри, в которых линии тока вблизи стенки направлены к точке отрыва навстречу линиям тока основного потока и потому разделяющая линия тока, отходящая от поверхности в точке отрыва, является границей между поверхностными линиями тока зоны обратного течения от поверхностных линий тока области безотрывного течения. Геометрическое место точек отрыва потока - линия отрыва потока от стенки.

Известно из теории пограничного слоя, что необходимым условием отрыва трехмерного, вязкого потока, является обращение в нуль в точке отрыва < производной составляющей скорости потока, направленной по нормали к линии отрыва от стенки.

Критерий отрыва от стенки может быть записан в виде duy/dy |у=о =0, где иу - составляющая скорости в направлении, перпендикулярном линии отрыва, у - направление по нормали к поверхности.

Маскеллом [26] установлено, что в точке отрыва параметр ссо , определяемый 1 формулой tgOo = llIIly>o — ,

Tz где тх и Ту - компоненты поверхностного трения xw, и который характеризует направление линий тока, подходящих к линии отрыва из области безотрывного течения и из зоны отрыва, имеет одинаковые значения, что обусловлено тем, что обе линии тока должны касаться друг друга в плоскости стенки, образуя точку возврата в месте отрыва. Можно сказать, что точки отрыва трехмерного течения расположены в точках возврата поверхностных линий тока и в точке отрыва линии тока должны не только касаться друг друга, но и касаться стенки. Линия отрыва должна быть огибающей разделяющих линий тока. Как показано в работе [15, стр. 198] линия отрыва может быть изогнутой в виде синусоиды, как это было получено для отрыва потока, визуализированного в трубе прямоугольного сечения.

Для определения свойств отрывного течения необходимо проведение опытов по выявлению его структуры, для чего необходимо использовать методы визуализации течения. Визуализация основывается на указанных выше свойствах отрыва. Работ, описывающих структуру трехмерного отрывного течения, и ее экспериментального исследования, по-прежнему мало и в редких случаях задачи об отрыве трехмерного турбулентного течения решаются теоретически. К таким работам относятся исследования отрывного течения на поверхности крыла, в плоских диффузорных каналах, при обтекании цилиндра на пластине, при обтекании затупленных тел.

Как наблюдали Фокс и Кляйн [24] в разных случаях возникновения отрывного обтекания поверзшостей плоских диффузоров с прямолинейными и • криволинейными стенками, отрывное течение может иметь разные стадии развития: 1 - бьггь неустановившемся, когда изменяются размеры отрывной зоны и ее расположение во времени, 2- быть полностью развитым, когда течение становится относительно установившимся с образованием вблизи стенки вихревого циркуляционного течения.

Данных по структуре отрывного течения в каналах кольцевых диффузоров и об изменении его характера при изменении условий на входе не известно. Ответить на вопрос о типе отрывного течения в кольцевых диффузорных каналах можно при использовании методов исследования, предусматривающих визуализацию течения.

Визуализировать структуру отрывного течения в диффузорном канале сложно из-за пространственности течения. Как известно, для визуализации пространственных внутренних течений не подходит известный шлирен-метод, который использовался разными авторами [21,22] для визуализации течения в каналах имеющих прямые стенки и прямоугольное поперечное сечение, так как при искривлении смотрового окна при круглом поперечном сечении невозможны наблюдения с помощью шлирен-метода. Другие методы, основывающиеся на фотографировании картины течения, полученной либо с помощью введения дыма, или при использовании для визуализации пузырьков, визуализации методом газовых струй и с помощью закиси азота или с помощью нитей, не пригодны для кольцевых каналов по указанным выше причинам. Для определения структуры внутреннего течения эффективным может оказаться один из способов визуализации линий тока путем предварительного нанесения на ограничивающие поверхности визуализирующего вещества, обозначающего линии тока и затвердевающего за короткое время. После проведения опыта эти «затвердевшие линии тока» на криволинейной поверхности могут быть сфотографированы и проанализированы.

Таким способом можно получить линию, обозначающую начало отрыва потока, которая представляет собой огибающую линий тока в начальном участке зоны отрывного течения.

Как правило, качественной картины линий тока на поверхности не достаточно. Визуализация с помощью быстро затвердевающих красителей < должна сопровождаться измерением физических параметров потока, таких как статическое давление, давление заторможенного потока, измерение динамических характеристик потока. Для получения более подробной картины течения полезно измерять поля указанных параметров по высоте канала и в окружном направлении, что позволяет иметь в результате их осреднения более точные данные по эффективности диффузорного канала. Построение линий постоянства полного и статического давления и на их основании полей скорости потока в отдельных сечениях канала дает дополнительное представление о структуре потока в них и может служить одним из способов визуализации течения.

Известны различные способы сокращения потерь энергии, возникающие вследствие отрыва потока. Они имеют целью либо предупреждение отрыва, либо его ликвидацию в начальной стадии, либо сокращение области отрывного течения. Техника предотвращения и ослабления отрыва одинаковая, различающаяся интенсивностью воздействия. Для предотвращения отрыва потока используются устройства, устраняющие влияние вязкости подводящие энергию к потоку в вязком слое, и без подвода энергии. В свою очередь, предотвращение отрыва потока без подвода энергии —«пассивное» может осуществляться также по-разному. Наиболее хорошо отработаны способы «пассивного» управления отрывом на крыльях. Описаны и проанализированы эти способы в монографии «Управление отрывом потока» П.Чжена [16] .В частности, в разделе 4.5.2 описаны генераторы вихрей, которые применяются для устранения отрыва потока. Проведен анализ работ, посвященных исследованию двумерного турбулентного пограничного слоя на плоской пластине при ее обтекании с градиентом давления. Такие исследования проводили Шубауэр и Спангенберг [48] в специальной аэродинамической трубе, которая позволяла создавать положительный градиент давления различной величины и исследовать влияние на отрыв пограничного слоя принудительного перемешивания, вызванного генераторами вихрей. Способ управления отрывом с помощью генераторов вихрей осуществляется без подвода энергии. Было исследовано влияние перемешивания на характеристики • пограничного слоя. Производились подробные измерения профилей скорости и распределения давления за различными устройствами, создающими вихри. Измерения производились для определения средних характеристик пограничного слоя: толщины пограничного слоя и толщины потери импульса. Было установлено, что для всех обследованных устройств, таких, как плуг, ковшик, завихритель, сужающийся клин, генератор вихрей, купол, экранированный слив - механизм перемешивания одинаковый. Он состоит в том, что в пограничный слой направляется поток с более высокой скоростью и это сопровождается возникновением продольных вихрей. Продольные вихри примыкают к границе пристеночного слоя и, взаимодействуя друг с другом, способствуют перемещению жидкости с большим количеством движения к стенке, где движется замедленный поток. Происходит перемешивание частиц воздуха с разной скоростью. Этот процесс является непрерывным источником подвода энергии, он мешает естественному замедлению потока и росту толщины пограничного слоя под действием сил трения и положительного градиента давления. Генераторы вихрей в виде прямоугольных лопаток, установленных на стенке и выступающих в основной поток из пограничного слоя на расстояние на 20% превышающее его толщину, были использованы в проточной части дозвукового диффузора воздухозаборника сверхзвукового Транспортного самолета. Эти данные приведены в работах [38,16, стр289-301]. Были получены хорошие результаты: при скорости потока на входе в дозвуковую часть диффузора, соответствующей числу М=0.5 степень восстановления полного давления повысилась до 0.986, а степень неравномерности потока снизилась до 0.03 по сравнению с аналогичными параметрами - 0.976 и 0.055, полученными без генераторов вихрей. Использование оптимальной системы генераторов вихрей позволило сократить на 30% длину диффузора. Следует отметить, что исследованный диффузор имел форму проточной части близкую двумерной. Кроме того, показаны результаты применения генераторов вихрей при одном значении скорости потока на входе.

В ряде работ [40,27,42] представлены положительные результаты, полученные при управлении пограничным слоем с помощью генераторов вихрей различной конструкции на пластине, в круглом диффузоре, на крыле и в • воздухозаборнике самолета. Применение генераторов вихрей позволяет сместить начало отрыва потока вниз по потоку. Например, при установке генераторов вихрей в круглом диффузоре с \|/=16°[41] величина потерь полного давления понизилась до уровня, соответствующего диффузору с углом раскрытия i|/=8°, что при сохранении отношения площадей, эквивалентно уменьшению длины диффузора в 2 раза.

Приведенный обзор данных, полученных другими авторами, показывает, что применение генераторов вихрей простой конструкции позволяет воздействовать на отрыв потока, сокращая его интенсивность, тем самым, повышая эффективность устройств, работающих с положительным градиентом давления. Следует также отметить, что опубликованные материалы описывают мероприятия по воздействию на отрыв потока, примененные в упрощенных моделях при малых скоростях потока и не рассматривают причины изменения эффективности работы таких моделей, так как зачастую отсутствуют данные об изменениях в структуре потока, произошедших под воздействием этих мероприятий.

Таким образом, течение в кольцевых каналах с положительным градиентом давления в широком диапазоне значений приведенной скорости потока на входе А.вх=0.3-0.9 к настоящему времени изучено недостаточно*.

Данные о воздействии на отрывное течение в кольцевом канале с большим углом раскрытия v|/>8° - практически отсутствуют.

Представляет интерес исследование структуры потока в канале кольцевого диффузора, имеющего большой угол раскрытия, с целью предотвращения отрыва потока в нем путем воздействия на отрыв с помощью генераторов вихрей.

Аналогичные опыты по воздействию на отрывное течение в коническом диффузоре, имеющем угол раскрытия конуса больше 8°, с помощью пассивных способов управления пограничным слоем также представляют интерес. Кроме того, представляет интерес исследование влияния окружной и радиальной неравномерности на структуру потока и эффективность канала с' градиентом давления и присутствующий в нем отрыв потока. Проведение таких исследований в широком диапазоне значений приведенной скорости потока на входе с подробным измерением азимутальных полей статического и полного давления позволит проследить за изменением структуры и особенностями отрывного течения.

В представляемой работе приведены результаты экспериментального исследования отрывного течения в кольцевом диффузоре, с углом раскрытия обечайки на периферии i|/=16°, и круглом коническом диффузоре, имеющем угол раскрытия конуса vj/>12°.

В кольцевом диффузоре производилось воздействие на отрыв потока методами управления отрывом потока без затрат энергии:

1-е помощью генераторов вихрей, имеющих форму прямоугольных пластин,

2- изменением формы (радиуса кривизны) наружной обечайки на входе в диффузор.

3- совмещением двух указанных выше способов.

При проведении исследований измерялись характеристики исходного кольцевого диффузора и диффузора, с мероприятиями по управлению пограничным слоем в широком диапазоне скоростей потока на входе, соответствующих значениям приведенной скорости Хвх=0.3 - Хшах . Подробно исследовалась структура потока во входном и выходном каналах путем измерения азимутальных и радиальных полей статического и полного давления. На основании этих измерений определялась структура потока построением линий постоянства полного давления и скорости потока в них. Для определения положения линий отрыва на ограничивающих поверхностях, производилась визуализация течения внутри диффузора введением краски в проточную часть диффузора при скорости потока на входе, соответствующей значению А.вх=0.6. В исходном кольцевом диффузоре производилось исследование влияния толщины пограничного слоя на периферийной стенке входного кольцевого канала на структуру отрывного течения в диффузоре, а также влияния окружной неравномерности в виде решетки толстых профилей, расположенной во входном канале на эффективность диффузора. Была • проведена оптимизация размеров генераторов вихрей, их количества, места и способа расположения. Во все указанных случаях определялись характеристики диффузора и проводилось их сравнение с характеристиками исходного варианта. На основании этого сравнения производился выбор оптимальных генераторов.

В диффузоре с измененной формой периферийной стенки применялись оптимизированные генераторы вихрей.

В коническом диффузоре исследовалась структура отрывного течения в исходном варианте диффузора путем определения азимутальных и радиальных полей полного и статического давления на входе и выходе и определялась его эффективность при различных значениях скорости на входе: Х—0.3 - 0.9. Были проведены подробные измерения статического давления по тракту диффузора при различных значениях скорости на входе. На примере конического диффузора проведено исследование влияния неравномерности потока различной конфигурации во входном канале на структуру течения в диффузоре и его эффективность. Воздействие на отрывное течение производилось с помощью пластинчатых генераторов вихрей.

Защищаемые положения

Автор выносит на защиту: результаты экспериментального исследования аэродинамических характеристик и структуры течения в диффузорных каналах кольцевой и конической конфигурации при относительных длинах диффузоров (М)КОЛьц=0.35, (dBX/l)KOH~0.26, в диапазоне чисел Хвх=0.3.0.9,0.95. Значения числа Re= ReLBX=( 1 /ц)х pUBXLBX находились в широком диапазоне: минимальное ' число Рейнольдса ReLBX mm =9.1-105 было одинаковым для двух диффузоров (Лвх=0.3), максимальное число ReLBX max определялось запиранием канала на входе в диффузор и для диффузора1 - Remax=2.72-106 (Хвх=0.9), а для диффузора2 - Re^ =2.87-106 (Хвх=0.95); результаты экспериментального определения повышения эффективности рассмотренных каналов с помощью генераторов вихрей; результаты экспериментального определения особенностей структуры отрывного течения в диффузорах различных типов, а также при наличии воздействия на течение; результаты анализа особенностей аэродинамических процессов: отрыв потока, образование трехмерных структур, формирование радиальной и окружной неоднородностей потока;

Практическая ценность полученных автором результатов прежде всего в их экспериментальном характере, поскольку рассматриваемые автором сложные течения в настоящее время не могут быть описаны на основе расчетов в такой степени представительности, как по данным проведенных измерений и визуализации структуры потока.

Полученные конкретные характеристики диффузоров: потери полного давления, кпд диффузора, степень неоднородности потока, представляют непосредственную ценность и могут быть использованы для практических расчетов диффузорных течений.

Полученные данные о возможности управления диффузорным течением путем профилирования проточной части и генераторами вихрей дают конкретную информацию, которая может быть непосредственно использована.

Большой объем материала по визуализации течения в кольцевых и конических диффузорах с различным профилированием, с генераторами вихрей и без них, дает важные, новые наглядные представления о сложной аэродинамике течения в диффузорах.

Апробация. По результатам исследования параметров течений в диффузорах были сделаны 6 докладов: на Всесоюзных научно-технических совещаниях по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений, организатором • которых была Акадмия Наук Эстонской ССР - 3 доклада:

1. Дедовская Н.Н.

Воздействие турбулизаторов потока на отрывное течение в диффузоре. Турбулентные струйные течения. Тезисы докладов 1Y Всесоюзного научного совещания по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений, часть 2, АН ЭССР, Таллин,1982г,сгр 164-171.

2.Ледовская Н.Н.

Экспериментальное исследование трехмерной структуры отрывного течения в осесимметричных кольцевых диффузорах. Турбулентные струйные течения. Тезисы докладов Y Всесоюзного научного совещания по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений, часть 1, АН ЭССР, Таллинн, 1985г, стр 156-164.

3. Дедовская Н.Н.

Влияние ступенчатой неравномерности потока на входе в конический диффузор на трехмерную структуру отрывного течения. Турбулентные струйные течения. Тезисы докладов Y1 Всесоюзного научного совещания по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений, часть 1, АН ЭССР, Таллинн, 1989г, стр.86-88.

Был сделан доклад на VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике, организованном Академией Наук Узбекской ССР, проходившем в сентябре 1986 г. в городе Ташкенте: 4 .Васильев Ю.Н., Дедовская Н.Н.

Экспериментальное исследование трехмерной структуры отрывного течения в коническом диффузоре в условиях равномерного и неравномерного полей скоростей на входе. Тезисы докладов на VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механш$е, Ташкент, 24-30 сентября, 1986г, стр.156.

Сделан доклад на Международной научной конференции «Двигатели XXI века» посвященной 70-летию ЦИАМ им.Баранова. 5. Ледовская.Н.Н.

Ячеистые структуры в каналах диффузоров и в проточной части сверхзвуковых ступенях компрессора. Материалы международной научной конференции< «Двигатели XXI века», 1-я часть, Москва, 5-7 декабря 2000 г., стр.110-111. Доклад на Четвертой междунардной школе-семинаре «Модели и методы Аэродинамики» Украина, Евпатория, июнь 2004г. бЛедовская Н.Н.

Экспериментальное исследование структуры отрывного течения в диффузорных каналах. Материалы Четвертой международной школы-семинара, Украина, Евпатория, 2004г.

Материалы исследования были опубликованы в 3-х статьях, напечатанных в трудах ЦИАМ, в Инженерно-физическом журнале, издаваемом в г. Минске, и в журнале Компрессорная Техника и Пневматика.

1 .Дедовская Н.Н.

Некоторые способы повышения эффективности кольцевого диффузора с большим углом раскрытия. Труды ЦИАМ, №1112, Москва,стр1-13, 1984г. 2.Ледовская Н.Н.

Экспериментальное исследование трехмерной структуры отрывного течения в осесимметричных кольцевых диффузорах. Инженерно-физический журнал, Минск, август 1986г, том 51, №2, стр. 321-328. 3 Ледовская Н.Н.

Ячеистые структуры в каналах диффузоров. Компрессорная Техника и Пневматика. Москва, №12,2002г, стр4-9.

Объем и структура работы. Работа содержит введение, выводы и три главы: Глава 1. Объекты и методика, исследования, содержит описание объектов исследования, установок на которых проводилось исследование. Там же приводятся схемы препарирования исследуемых объектов, описываются методики измерений и обработки измеренных данных.

Глава 2. Исследование течения в кольцевых диффузорах содержит результаты определения характеристик кольцевых диффузоров, исследования структуры течения в кольцевом диффузоре. Глава 2 содержит разделы, посвященные изучению полей газодинамических параметров во входном сечении диффузора, полей газодинамических параметров по тракту диффузора, полей газодинамических параметров на выходе из диффузора. Также глава 2 содержит исследование структуры потока в кольцевом диффузоре при наличии генераторов вихрей, с выбором формы генераторов вихрей, места установки и количества, и определение влияния генераторов вихрей на газодинамические параметры диффузора.

В разделе 2.3 главы 2 содержатся данные по исследованию влияния гладкости перехода от цилиндра к конусу на газодинамические параметры и структуру течения в диффузоре.

В разделе 2.4 описаны результаты визуализации структуры отрывного течения в кольцевом диффузоре.

В разделе 2.5 приведены данные по измерению пульсаций давления .

В разделе 2.6 приведены результаты опытов по выявлению причин стабилизации отрывного течения в диффузорах.

В разделе 2.7 приведены интегральные оценки изменения скорости потока по тракту кольцевых диффузоров различной конфигурации с генераторами вихрей и без них.

Глава 3 содержит результаты экспериментального исследования структуры потока в конических диффузорах, изложенные в 3-х разделах посвященных: исследованию структуры потока при различных вариантах равномерного поля скоростей на входе; исследованию структуры потока в коническом диффузоре при одноконтурном подводе воздуха и равномерном поле скоростей на входе; исследованию структуры потока в коническом диффузоре при двухконтурном подводе воздуха и равных скоростях в контурах на входе; исследованию структуры потока в диффузоре при неравномерных полях газодинамических параметров различной конфигурации на входе, а именно: с неравномерностью, создаваемой изменением расхода воздуха в контурах, с неравномерностью, создаваемой решеткой лопаток, устанавливаемой перед входом. Глава также содержит данные, свидетельствующие о причинах стабилизации течения в диффузоре.

Раздел 3.3. описывает опыты по изучению течения в диффузоре при наличии генераторов вихрей.

Выводы.

1 Проведено экспериментальное исследование аэродинамических характеристик моделей кольцевых и конических диффузоров в широком диапазоне приведенной скорости потока от А,„ш,=0.3 до А.тах^О.9, * соответствующего запиранию канала, при управляющих воздействиях на отрыв потока.

2 Получены новые экспериментальные данные по структуре потока в канале кольцевого диффузора, имеющего большой угол раскрытия, и найдены возможности предотвращения отрыва потока в нем путем воздействия на поток с помощью генераторов вихрей. Исследованы параметры и структура течения в широком диапазоне значений приведенной скорости при подробных измерениях параметров потока и визуализации течения.

3 Получены новые результаты экспериментальных значений аэродинамических характеристик моделей кольцевых и конических диффузоров, имеющих отношение площадей п-FBbK/FBx — 2 для кольцевого и 4.3 для конического каналов. Исследования проводились при широком диапазоне значений приведенной скорости потока на входе.

4 В работе показано, что воздействие на структуру потока путем изменения радиуса кривизны при переходе к расширяющейся части канала позволяет снизить потери полного давления в 1.5-2 раза за счет сокращения размеров вихрей в отрывном течении.

5 Воздействие на структуру иечения генераторами вихрей позволяет дополнительно снизить на столько же потери полного давления в диффузоре во всем рассмотренном диапазоне скорости потока на входе.

6 Совместное воздействие на поток профилированием входной части и оптимальным расположением генераторов вихрей позволяет снизить потери в кольцевом диффузоре в 5-6 раз., что соответствует возможности сокращения длины такого диффузора в 2.5-3 раза.

7 В кольцевом диффузоре впервые обнаружено, что зоны отрыва потока на периферии чередуются с зонами безотрывного течения, что приводит к формированию стабилизированной лепестковой структуры в плоскости выходного сечения канала. В диффузоре без генераторов вихрей структура потока имееет периодический характер: наблюдается периодический отрыв потока на периферии и втулке, содержащий крупно-масштабные вихри, диаметр которых в 50 раз превышает толщину пограничного слоя. Периодичность < отрывных зон составляет ~60°, смещение зон отрыва на периферии относительно зон отрыва на втулке ~30°. Воздействие на отрыв генераторами вихрей приводит к изменению на порядок размеров вихрей и расположению их осей вращения вдоль стенки, что позволяет их классифицировать, как вихри Гертлера. Период отрывного течения увеличивается до ~120°. Изменение структуры отрывного течения и уменьшение масштабов вихрей дает снижение потерь полного давления.

8 Изучено воздействие окружной и радиальной неравномерностей на отрыв потока в коническом диффузоре с углом раскрытия конуса 16°в широком диапазоне значений приведенной скорости потока на входе от ^„=0.3 до Ящах=0.9 .

9 Впервые показано, что отрывное течение в коническом диффузоре имеет установившийся пространственный характер, содержит зоны отрыва и зоны присоединенного течения. Установлено, что наилучшие интегральные характеристики диффузора соответствуют невозмущенному равномерному потоку на входе. Введение неоднородностей потока на входе приводит к увеличению потерь полного давления. Воздействие генераторами вихрей на неоднородный поток на входе позволяет повысить эффективность диффузора и получить параметры близкие у их значениям при невозмущенном равномерном потоке.