ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 461, № 3, с. 277-280
ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
УДК 534.143
ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ПЛОСКОМ КАНАЛЕ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ ПРИ ВЫСОКОЙ ЗАГРОМОЖДЕННОСТИ ПРЕПЯТСТВИЯМИ РАЗЛИЧНОГО ВИДА © 2015 г. В. И. Кормилицын, О. В. Шмырков, Н. Б. Юшков
Представлено академиком РАН Р.Ф. Ганиевым 02.10.2014 г. Поступило 02.10.2014 г.
БО1: 10.7868/8086956521509011Х
Научная постановка проблем нелинейной волновой механики многофазных систем, в том числе кавитационных явлений в волновых полях, возникла вследствие запросов практики и потребностей нефтяной промышленности, теплоэнергетики, химической промышленности, машиностроения, агропромышленного комплекса, строительства, экологии и пищевой промышленности. Основной ролью в волновой технологии, базирующейся на возбуждении нелинейных колебаний в многофазных средах, является создание научных основ проектирования волновых машин и механизмов [1—3]. В волновой технологии заметное место занимают проточные волновые генераторы, в плоских профилированных каналах которых установлены препятствия различной формы. В этих генераторах используются вихревые, высокотурбулентные отрывные потоки жидкости и обширные области развитой кавитации для возбуждения мощных колебаний и волн в обрабатываемых средах. Сложный характер и особенности гидродинамических процессов, протекающих в проточных каналах этого типа генераторов, и отсутствие достаточных данных по картине течения затрудняют получение достоверных данных расчетным путем.
В данной работе приведены экспериментальные материалы, отражающие особенности течения жидкости в плоских волновых генераторах проточного типа, базовые основы которых заложены в работах [1—3].
Исследованию подвергалась модель генератора, представляющего собой плоский канал переменного сечения с телами обтекания: цилиндр,
Филиал Института машиноведения
им. А.А. Благонравова Российской Академии наук
"Научный центр нелинейной волновой механики
и технологии РАН", Москва
E-mail: unick86@mail.ru
пластина, серп, стакан, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.
Испытания проводили на гидродинамическом стенде Ст-3 Научного центра нелинейной волновой механики и технологии РАН. В качестве рабочего тела использовали водопроводную воду при t = 20°C. Давление на входе в генератор изменялось в диапазоне Рвх = 0.12—1.0 МПа, давление на выходе генератора Рвых = 0.14—0.8 МПа. Число Рейнольдса Re, где за линейный размер принимали поперечный размер препятствия d, а за скорость Ун — скорость набегающего потока, изменялось в диапазоне Re = 8 • 103—2.2 • 105. Максимальная скорость потока перед препятствиями составляла ¥н = 20 м/с.
Для измерения пульсаций давления за телами обтекания заподлицо с внутренней поверхностью канала устанавливали пьезоэлектрический датчик давления типа 701К фирмы Kistler. Регистрацию и обработку полученных данных проводили на цифровых осциллографах фирм LeCroy и Gould. Возникновение и развитие кавитационно-го процесса исследовали с помощью оптической визуализации кавитационных областей, насыщенных газовыми пузырьками. При этом одна из стенок канала была выполнена из прозрачного оргстекла, другая покрыта черной матовой краской. Световой луч от оптической подсветки, направленный под некоторым углом относительно направления потока жидкости, отражался газовыми пузырьками и выделял их из общей массы потока воды. Визуализационные картины образования и развития в потоке кавитационных зон регистрировали с помощью цифровой фотокамеры, а также высокоскоростной камеры Citius Imagine C10 с возможностью снимать видео до 10000 кадров/с.
Результаты экспериментальных исследований модели плоского генератора показали, что в канале генератора при обтекании препятствий за ними образуются развитые кавитационные зоны.
278
А-А
Р
ш
КОРМИЛИЦЫН и др.
1 2
г ° и
шш ~ \"" " 1 ,—^ ° / (, )
3
Э
Рис. 1. Принципиальная схема плоского канала генератора и препятствий: 1 — точки замера статического давления; 2 — пьезоэлектрический датчик переменного давления; 3 — места установки препятствий.
3
Рис. 2. Фотографии визуализационной картины вскипания жидкости в донной области цилиндра и пластины. Вверху - цилиндр, АР* = 0.70, Яе = 1.67 • 105; внизу - пластина, АР* = 0.69, Яе = 1.08 • 105.
С увеличением относительного перепада давле-Р - Р
ния АР* = —-— относительная длина кави-
Р
^ вх
тационных зон за препятствиями X = ^, где 1к —
длина зоны кавитации, монотонно возрастает.
За цилиндром, обладающим более низким сопротивлением, кавитация возникает при меньших значениях АР*. При АР* > 0.5 кавитационные зоны,
увеличиваясь в поперечном направлении, заполняют собой всю проточную часть канала. В местах расширения канала возникают локальные кавитаци-онные зоны, которые являются дополнительным источником пульсаций давления, где амплитуды колебаний давления достигают величин, сопоставимых с давлением на входе в канал.
При АР* > 0.6 за препятствиями образуются закрытые зоны, в которых реализуется режим
ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ПЛОСКОМ КАНАЛЕ
279
Рд, МПа
0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.003
0
0.7 0.8 AP *
Рис. 3. Зависимость Рд = ДАР*) для донной области цилиндра (1) и пластины (2) при Рвх Ф const, Рвых = const.
вскипания жидкости с образованием крупных газовых пузырей (рис. 2).
Давление за препятствиями с увеличением АР* довольно резко снижается, достигая в донной области на режиме вскипания величины Рд = = 3 кПа (рис. 3).
Фотографии контрольных образцов из свинца показали, что за препятствиями образуются зо-
ны, характерные для кавитационного уноса материала при схлопывании на их поверхностях газовых пузырьков [4]. Эти области располагаются симметрично относительно тел обтекания там, где свечение от зон кавитации резко снижается за счет уменьшения концентрации газовых пузырьков при их схлопывании, что хорошо коррелиру-ется с полученными визуальными картинами возникновения и развития кавитационных зон за исследуемыми телами обтекания.
Установка в канале генератора второго ряда тел обтекания существенно изменяет картину течения в генераторе (рис. 4). Кавитационные зоны за цилиндром и пластиной первого ряда становятся короче в несколько раз. За вторым рядом тел возникают взаимодействующие между собой зоны кавитации, образующиеся от этих тел. При небольших значениях Рвых за вторым рядом препятствий образуется единая обширная зона кавитации, которая заполняет все проходное сечение канала, создавая тем самым дополнительное гидравлическое сопротивление генератора. При увеличении противодавления Рвых кавитационные зоны за вторым рядом препятствий сокращаются, при этом гидравлическое сопротивление генератора снижается, компенсируя тем самым уменьшение рас-
(а)
ГГ 1» - III ■■ 1, - ■ ■ т 1 - — ^ & 1 1
1: к 4------^fl
(б)
и г^^' У A i { —~--- -^ЧЛ ш * ■ л
< L к / щ^к----- ---- 1 - " ......11 ■ 1 Щт ^Н 5Т5? ............ "'" Ж
Рис. 4. Фотографии визуализационных картин кавитационных зон в канале генератора с телами обтекания: а — цилиндр (Р* я 0.6), б — пластина (АР* я 0.7), установленными в один и два ряда при Яе я (1—1.3) • 105.
280
КОРМИЛИЦЫН и др.
хода, которое должно было произойти за счет падения перепада давления Pвх — Pвых с увеличением Pвых. Это привело к тому, что при АP* > 0.5 расход жидкости через генератор с двумя рядами тел обтекания практически не меняется, чем объясняется слабая зависимость размеров кавитацион-ных зон от АР* для первого ряда тел обтекания при АР* > 0.7.
Измерение давления Pi в центре контрольного диска, где реализуются развитая кавитация и эрозия, показало, что влияние кавитации на величину статического давления в канале практически отсутствует. Измерение пульсаций давления в этом месте за всеми исследуемыми телами обтекания выявило, что на определенных режимах возникают пики давления резонансного типа, связанные с нестационарным характером отрыва потока с их поверхности [5]. Величины этих пиков давления достигают 4МПа. Экспериментальные данные для всех исследуемых препятствий, установленных в один и два ряда, по частоте колебания пиков давления и числам Яе, соответствующим режимам появления этих пиков давления, укладываются на единую зависимость f = ДЯе) Эта зависимость имеет линейный характер и описывается выражением f = 0.0068 • Яе.
В результате проведенных исследований получено:
при числах Яе > 105 наряду с развитыми кави-тационными зонами образуются закрытые области, в которых возникает режим вскипания жидкости с образованием крупных газовых пузырей, а величина давления снижается до Pл = 3 кПа;
установка второго ряда препятствий при развитой кавитации приводит к возникновению эффекта постоянства расхода жидкости при изменении величины противодавления Рвых;
влияние кавитации на распределение статического давления в зоне интенсивной кавитации и эрозии вдоль канала в исследуемом диапазоне чисел Яе в пределах погрешности измерений не выявлено;
зависимость частоты возникновения пиков давления резонансного типа за всеми исследуемыми препятствиями от числа Яе имеет линейных характер и описывается выражением f = = 0.0068 • Яе.
при добавлении второго ряда препятствий резко возрастает гидравлическое сопротивление проточной части канала; размеры кавитацион-
ных зон за первым рядом препятствии сокращаются в несколько раз; за вторым рядом препятствии формируются взаимодействующие между собоИ кавитационные зоны, практически перекрывающие поперечное сечение канала.
Анализ литературного материала, посвященного обтеканию тел при различнои загроможден-ности, геометрии проточнои части канала и способов установки препятствий [6—13], показал, что в результате приведенных в данной работе исследований получены новые данные по гидродинамике потока и кавитации в тонком плоском профилированном канале при высокой степени за-громожденности препятствиями различной формы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ганиев Р.Ф., Украинский Л.Е. Нелинейная волновая механика и технологии. М.: НИЦ "РХД", 2008. 712 с.
2. Ганиев Р.Ф., Ганиев С.Р., Касилов В.П., Пустовгар А.П. Волновые технологии в инновационном
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.