№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 532.528, 532.574.7, 532.582.32
КАВИТАЦИЯ НА ПЛАСТИНЕ С ЗАКРУГЛЕННОЙ НОСОВОЙ ЧАСТЬЮ И ГИДРОКРЫЛЕ NACA0015: ВИЗУАЛИЗАЦИЯ И ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ
© 2014 г. КРАВЦОВА А.Ю.12, МАРКОВИЧ Д.М.12, ПЕРВУНИН К.С.12, ТИМОШЕВСКИЙ М.В.12, ХАНЪЯЛИЧ К.23
1 Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск 2 Новосибирский государственный университет 3 Делфтский технологический университет, Делфт E-mail: dmark@itp.nsc.ru
С применением высокоскоростной визуализации и анемометрии по изображениям частиц (метод Particle Image Velocimetry — PIV) были исследованы кавитирую-щие течения вблизи плоской пластины с закругленной носовой частью и гидрокрыла NACA0015 при углах атаки от 0 до 9 град. В экспериментах при вариации числа кавитации было зарегистрировано несколько известных типов кавитации, а также некоторые отличия. Так, при малых углах атаки (до 3 град.) кавитация на пластине возникает в форме массива стриков, тогда как на гидрокрыле — в виде отдельных пузырей. Для гидрокрыла NACA0015 на режимах с развитой кавитацией разрозненные и перемежающиеся стрики делятся и увеличиваются, но впоследствии сливаются в облака пузырей, формируя крайне регулярную ячеистую структуру. При увеличении угла атаки до 9 град. структура кавитационной каверны на гидрокрыле изменяется на стриковую, как в случае с пластиной. Структура каверны на пластине не претерпевает существенных изменений при увеличении угла атаки. В работе показано, что метод PIV позволяет измерять скорость в кавитирующих течениях, в т.ч. в пределах парогазовой фазы. Из анализа распределений средней скорости течения и моментов флуктуаций скорости было установлено, что зарождение кавитации обусловлено развитием потока несущей жидкости вблизи передней кромки гидропрофиля. Однако вниз по потоку структура течения сильно зависит от режима кавитации, что видно из сравнения распределений со случаем однофазного потока. Настоящие измерения качественно подтверждают общие тенденции и показывают некоторые количественные отличия для двух рассматриваемых тел обтекания.
Ключевые слова: кавитация, частичные каверны, типы кавитации, двумерные гидропрофили, высокоскоростная визуализация, PIV.
CAVITATION ON A SEMI-CIRCULAR LEADING-EDGE FLAT PLATE AND NACA0015 HYDROFOIL: VISUALIZATION AND VELOCITY MEASUREMENTS
Kravtsova A.YU.1,2, Markovich D.M.1,2, Pervunin K.S.12, Timoshevskiy M.V.12, Hanjalic K.2,3
1Kutateladze Institute of Thermophysics, SB RAS, Novosibirsk 2Novosibirsk State University, Novosibirsk 3Delft University of Technology, Delft E-mail: dmark@itp.nsc.ru
Cavitating flows around a flat plate with semi-circular leading edge and a NACA0015 hydrofoil at attack angles ranging from 0° to 9° and with varying cavitation number are investigated using high-speed-imaging visualization (HIV) and particle image velocimetry (PIV). Several known types of cavitation common to both foils, but also some different patterns, were observed. At small angles of incidence (less than 3°), cavitation on the plate begins in the form of a streak array (bubble-band) whereas on the hydrofoil as travelling bubbles. For the regimes with developed cavitation on the NACA0015 hydrofoil, the scattered and discontinuous bubble streaks branch and grow but subsequently merge into bubble clouds forming a remarkably regular lattice pattern. Once the incidence angle increased to 9°, the cavitation on the hydrofoil changed to a streaky pattern like that on the plate at zero attack angle, whereas the regime on the plate showed no significant changes. The PIV method proved to be usable for measuring the instantaneous velocity also in the gas-vapour phase, albeit with reduced accuracy. The time-averaged velocity and terbulence moments show that the incipience of cavi-tation is governed by the devolopment of the carrier-fluid flow around the foil leading edges, but the subsequent flow pattern depends strongly on the cavitation regime displaying markedly different distributions compared to the noncavitating case. The measurements confirm qualitatively the reported in the litetarure, but show also some quantitative differences, notably between the two foils considered.
Key words: cavitation, partial cavities, cavitation pattern, 2D hydrofoils, high-speed imaging, PIV.
ВВЕДЕНИЕ
Ограниченность ресурсов ископаемого органического топлива стимулирует использование новых и возобновляемых источников энергии. В соответствии с энергетической стратегией России гидроэнергетика в течение многих лет будет занимать существенный сегмент энергетической системы страны. В настоящее время практически весь сектор возобновляемых источников энергии в России занят гидроэнергетикой (эквивалент 50 млн т у. т. в год). Основное увеличение гидроэнергетических мощностей планируется в ближайшей и среднесрочной перспективе за счет ввода новых гидроэлектростанций в Сибирском регионе и на Дальнем Востоке, а также малых ГЭС с увеличением выработки электроэнергии на ГЭС к 2020 г. до 215 млрд. кВт ■ ч в год. При этом существенный потенциал имеет малая гидроэнергетика — более 60 млн т у. т. в год.
Как известно, энергоемкость российской экономики существенно превышает в расчете на покупательную способность населения аналогичный показатель в США, Японии и развитых странах Европейского Союза. При этом Россия располагает огромным потенциалом энергосбережения. Экономия энергетических ресурсов может достигаться как за счет замены отработавшего и зачастую устаревшего оборудования, так и путем модернизации и совершенствования конструкций современных гидроагрегатов. Однако повышение эффективности и увеличение ресурса работы гидроэнергетических систем напрямую связано с изучением гидродинамики реализующихся в них течений. Общепризнанно, что основной причиной ухудшения эксплуатационных характеристик гидротехнического оборудования являются процессы кавитации.
Кавитация — испарение жидкости вследствие локального понижения давления ниже критического, распространенное явление в гидроэнергетических и гидротехнических приложениях. Гидродинамическая кавитация возникает в тех областях течения, где вследствие сильного ускорения течения локальное давление падает ниже порогового — давления паров воды. В гидротехническом оборудовании явление кавитации приводит преимущественно к отрицательным последствиям. Так, кавитация порождает целый комплекс физических процессов, протекающих в жидкости и твердом теле, результатом которых является кавитационная эрозия: образование, перенос потоком и коллапс облаков кавитационных пузырьков, образование и распространение волн сжатия в жидкости, пластическая деформация твердого тела, накопление усталости материала, образование трещин. Кавитационная эрозия является одним из механизмов интенсивного износа рабочих колес гидротурбин, существенно снижает ресурс
4 Энергетика, № 4
97
работы оборудования и увеличивает затраты на производство энергии. Как правило, кавитационной эрозии подвергаются определенные участки тыльных сторон лопаток, втулок и ободов рабочих колес, поверхности проточных частей, при этом остальная поверхность остается неповрежденной.
В связи с этим изучение гидродинамики кавитирующих течений — актуальная задача для совершенствования и оптимизации современного гидрооборудования. Для этого в последнее время применяются методы математического моделирования, для развития и верификации которых требуются комплексные экспериментальные данные о пространственной структуре таких течений и распределениях турбулентных характеристик. При этом наиболее востребованными оказываются результаты исследований кавитирующих течений в канонических условиях: сопла Вентури, модельные двумерные и трехмерные гидропрофили, тела вращения и т.д. Таким образом, получение систематической экспериментальной информации для различных кавитацион-ных режимов обтекания модельных объектов крайне важно.
К настоящему времени в мировой литературе накоплен большой объем экспериментальной информации по кавитационному обтеканию одиночных двумерных гидрокрыльев. Основные результаты экспериментальных исследований представляют собой визуальные наблюдения кавитационных каверн, построенные карты режимов с качественным описанием, точечные измерения давления и скорости [1, 2]. Существуют исследования, направленные на изучение влияния локального объемного содержания паровой фазы в пределах каверны и в следе, температуры жидкости и других параметров течений на структуру и динамику кавитационных каверн (более подробное описание можно найти в [3—5]). Несмотря на достаточно большое количество работ по исследованию кавитирующих течений, до сих пор детальная количественная информация, необходимая для оптимизации существующих математических моделей, крайне ограничена даже для упрощенных условий, а результаты работ различных авторов часто расходятся. Это связано с проблематичностью, а иногда и невозможностью проведения экспериментов в натурных условиях и затратности испытаний на дорогостоящих модельных стендах. Вместе с тем лабораторные стенды также существенно отличаются друг от друга геометрически и имеют отличные характеристики (разные масштабы, размеры рабочих каналов, скорости и т.д.), следовательно, и условия для возникновения и развития кавитации в них неодинаковы. Это усложняет прямое сравнение результатов измерений даже для тел обтекания одинаковой формы.
В настоящей работе представлены результаты экспериментального моделирования кавитации на двух типичных телах обтекания: пластине с закругленной носовой частью и гидрокрыле NACA0015 при различных углах атаки. Для изучения пространственной структуры и динамики кавитационных каверн, описания и анализа реализующихся режимов применялась высокоскоростная видеосъемка. Для измерения распределений скорости течений и турбулентных характеристик вблизи гидропрофилей был использован метод плоскостной анемометрии по изображениям частиц (Particle Image Veiocimetry — PIV).
УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Эксперименты проводились на кавитационном стенде Института теплофизики СО
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.