Сибирский федеральный университет

Тип публикации: статья из журнала

Год издания: 2016

Ключевые слова: кавитация, частичные каверны, нестационарность, управление потоком, непрерывная тангенциальная инжекция, направляющая лопатка, высокоскоростная визуализация, piv, cavitation, partial cavities, instability, flow control, continuous tangential injection, guide vane, high-speed imaging

Аннотация: Возникновение разного рода неустойчивостей, в том числе вызванных кавитацией, в проточных трактах гидравлических систем негативным образом сказывается на производительности, надежности и безопасности гидротехнического и гидроэнергетического оборудования. Данное обстоятельство требует развития разных методов управления такими течениями. Цель работы: определение возможности применения и оценка эффективности метода управления динамикой частичных каверн, основанного на непрерывной тангенциальной инжекции жидкости. Методы исследования. Для изучения этапов развития и пространственной структуры, а также оценки интегральных параметров парогазовых каверн применялась высокоскоростная визуализация. Измерение пространственных распределений средней скорости и турбулентных характеристик одно- и двухфазных течений вблизи модельного гидрокрыла осуществлялось методом анемометрии по изображениям частиц (Particle Image Velocimetry - PIV). Результаты. Исследования проводились на модифицированной модели направляющих лопаток высоконапорной турбины, оснащенной поперечным щелевым каналом в поверхности для генерации пристенной струи с целью подпитки дополнительным импульсом подторможенных слоев жидкости со стороны разряжения. В экспериментах угол атаки модельного гидропрофиля изменялся от нуля до девяти градусов, а различные условия обтекания достигались путем вариации числа кавитации в широком диапазоне. На основе визуального анализа реализующихся режимов течения, начиная от зарождения кавитации и заканчивая развитыми нестационарными кавернами, определялось влияние инжекции на кавитацию. Эффект инжектирования жидкости с разной скоростью на гидродинамику течения оценивался путем измерений ансамблей мгновенной скорости, по которым рассчитывались распределения средних и турбулентных характеристик. Показано, что низкоскоростная инжекция жидкости вдоль поверхности гидропрофиля приводит к интенсификации турбулентных флуктуаций в пограничном слое и тем самым затягивает развитие присоединенной каверны вследствие порождения дополнительных возмущений в потоке. Инжекция с высокой скоростью, в свою очередь, вызывает увеличение локальной скорости течения и снижение турбулентных флуктуаций вблизи поверхности, что позволяет повысить коэффициент подъемной силы крыла и его гидродинамическое качество за счет снижения давления со стороны разрежения при относительно небольших энергетических затратах на генерацию пристенной струи. Однако в данном случае кавитационная каверна становится длиннее. Таким образом, низкоскоростная инжекция оказывается эффективной для ослабления кавитации, но инжектирование жидкости с высокой скоростью более предпочтительно с точки зрения гидродинамики течения. Следовательно, реализованный метод управления представляет собой весьма действенное средство для управления гидродинамическими характеристиками крыла и снижения интенсивности парообразования и при определенных условиях даже подавления нестационарностей, связанных с кавитацией. The onset of instabilities of various types, including those caused by cavitation, in ducts of hydraulic systems negatively affects the efficiency, reliability and safety of hydrotechnical and hydropower equipment. This fact makes it necessary to develop different means to control such flows. The main aim of the study is to determine the possibility of applying and assessing the effectiveness of the method of gas-vapor cavity dynamics management based on continuous tangential injection of liquid. The methods used in the study. In order to study the stages of evolution and spatial structure of partial cavities as well as to estimate their integral characteristics, the high-speed visualization was applied. Spatial distributions of the mean velocity and turbulent characteristics in one- and two-phase flows around the model hydrofoil were measured by Particle Image Velocimetry (PIV). The results. The investigation was carried out for a modified model of guide vanes of a high-pressure turbine equipped with a spanwise slot channel in its surface to produce a wall jet to feed slowed down layers of liquid with a supplementary momentum over the suction side. In the experiments, the angle of attack of the model profile was changed from zero to nine degrees and various flow conditions were achieved by varying the cavitation number in a wide range. Basing on visual analysis of occurring flow regimes, starting from cavitation inception and finishing with developed unsteady cavities, the influence of injection on cavitation was determined. The effect of liquid injection with different velocities on the flow hydrodynamics was evaluated by measuring ensembles of instantaneous velocity which were used to calculate distributions of mean and turbulent characteristics. It was shown that the low-speed injection of liquid along the hydrofoil surface leads to intensification of turbulent fluctuations in the boundary layer and, thereby, hinders the development of an attached cavity due to production of additional perturbations in the flow. Injection with a high velocity, in its turn, causes a rise of the local flow velocity and reduction of turbulent fluctuations near the wall, which allows increasing the lift coefficient of the foil and its hydrodynamic quality owing to a pressure drop over the suction side at relatively low energy consumptions to generate the wall jet. However, in such a case the gas-vapor cavity becomes longer. Thus, the low-speed injection turns out to be effective to mitigate cavitation but the injection at a high velocity is more preferable from the standpoint of the flow hydrodynamics. Consequently, the implemented method of flow control is quite an efficient tool to manipulate hydrodynamic characteristics of the foil and decrease the intensity of vaporization and, under certain conditions, even to suppress instabilities linked with cavitation.

Журнал: Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов

Выпуск журнала: Т. 327, № 12

Номера страниц: 75-90

ISSN журнала: 25001019

Место издания: Томск

Издатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"

• Тимошевский Михаил Викторович (Новосибирский национальный исследовательский государственный университет)
• Запрягаев Иван Игоревич (Новосибирский национальный исследовательский государственный университет)
• Первунин Константин Сергеевич (Новосибирский национальный исследовательский государственный университет)
• Мальцев Леонид Иванович (Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук)
• Маркович Дмитрий Маркович (Национальный исследовательский Томский политехнический университет)
• Ханъялич Кемал (Делфтский технический университет)

• Ядро РИНЦ (eLIBRARY.RU)
• Список ВАК