М ЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 5 • 2014
УДК 532.517.6
ПРОЦЕСС ВИХРЕОБРАЗОВАНИЯ ЗА ЦИЛИНДРОМ В ПУЛЬСИРУЮЩЕМ
ПОТОКЕ
© 2014 г. А. Н. МИХЕЕВ, Н. И. МИХЕЕВ, В. М. МОЛОЧНИКОВ
Казанский научный центр РАН, Исследовательский центр проблем энергетики, Казань
e-mail: vmolochnikov@mail.ru
Поступила в редакцию 13.09.2013 г.
Выполнены визуальные исследования структуры течения в ближнем следе за поперечным цилиндром в пульсирующем внешнем потоке. Эксперименты проводились в специализированной установке в широком диапазоне частот и амплитуд наложенных пульсаций. Выявлены характерные режимы обтекания цилиндра и описаны соответствующие особенности структуры течения в следе. На основе обобщения полученной экспериментальной информации построена карта режимов течения.
Ключевые слова: поперечное обтекание цилиндра, вихри Кармана, визуализация течения, пульсации потока, частота и амплитуда пульсаций, карта режимов течения.
Поперечное обтекание кругового цилиндра представляет собой не только классическую задачу изучения гидродинамических процессов за плохообтекаемым телом, но и является конфигурацией течения, встречающейся в различных технических приложениях, например, в элементах котельного оборудования, теплообменниках, в расходо-измерительной технике. Часто в каналах этого оборудования, в проточных частях различных машин, газотранспортных системах возникают пульсации потока, которые могут оказывать влияние на работу механизмов, приводить к существенному увеличению погрешности измерения расхода. Источниками пульсаций может быть как периодическое изменение конфигурации элементов тракта, например, при работе лопаточных и поршневых машин, механизмов систем управления и регулирования, так и турбулентность потока. Пульсации внешнего потока могут создаваться искусственно, например, с целью интенсификации массо- и теплообменных процессов [1].
Закономерности обтекания цилиндра стационарным внешним потоком хорошо изучены [2—6]. Определены границы режимов устойчивого формирования вихревой дорожки Кармана, получены и систематизированы данные о влиянии турбулентности внешнего потока и степени загромождения потока цилиндром на распределение давления на его поверхности и сопротивление цилиндра [6]. Выполнены исследования влияния неравномерности профиля скорости [7] и шероховатости лобовой поверхности цилиндра на процесс формирования вихревых структур [8]. Сведения о влиянии нестационарности внешнего потока на поперечное обтекание цилиндра носят единичный характер. Так, экспериментальные данные [9] показали, что частоту вихреоб-разования за цилиндром в пульсирующем внешнем потоке можно выделить с использованием поточных координат, однако существуют режимы течения, в которых процесс формирования вихрей подстраивается под частоту пульсаций внешнего потока. Физический механизм этого явления, равно как и диапазон режимов, в котором наблюдается такая подстройка, до конца неясны. Особенности структуры течения вблизи поверхности поперечно обтекаемого цилиндра при ускорении и торможении внеш-
Фиг. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — плавный вход; 2 — цилиндр; 3 — рабочий участок; 4 — расходная шайба; 5 — штуцер отбора давления; 6 — устройство для создания пульсаций потока; 7 — видеокамера
него потока на основе данных визуальных исследований описаны в [10, 11]. Наконец, получены экспериментальные данные и результаты численного моделирования поперечного обтекания колеблющегося цилиндра [12, 13]. Определены режимы колебаний цилиндра, при которых имеет место изменение фазы формирования вихрей и вместо периодического вихреобразования наблюдается симметричный сход вихрей с его поверхности. Однако переносить эти данные на обтекание цилиндра пульсирующим потоком некорректно, система координат, связанная с колеблющимся цилиндром, неинерциальна.
Цель настоящей работы — определение влияния наложенной периодической нестационарности потока на процесс вихреобразования и структуру течения в ближнем следе поперечно обтекаемого цилиндра. На основе анализа данных визуализации течения определены особенности формирования крупномасштабных регулярных вихрей на поверхности цилиндра в широком диапазоне параметров наложенной нестационарности. Предложена карта режимов обтекания цилиндра.
1. Экспериментальное оборудование и методика выполнения исследований. Визуальные исследования выполнялись в специализированной экспериментальной установке (фиг. 1). Рабочий участок 3 с плавным входом имеет квадратное поперечное сечение 0.4 х 0.4 м и длину 2.73 м. Одна из стенок участка изготовлена из стекла для обеспечения наблюдения и видеосъемки картины течения, а в примыкающей к ней стенке выполнен закрытый стеклом паз, обеспечивающий возможность формирования светового ножа в области визуализации потока. Цилиндр 2 диаметром С = 110 мм размещался в центре канала на расстоянии 1 м от входа. Расход воздуха через установку обеспечивался радиальным вентилятором, работающим на всасывание. Один из основных элементов установки — устройство создания пульсаций потока (пульсатор) 6, позволяющее независимо регулировать среднюю скорость потока в рабочем участке, частоту и амплитуду наложенных пульсаций. Конструкция пульсатора подробно описана в [14].
U, м/с 1.2
2
3
4
5 t, с
Фиг. 2. Осциллограмма скорости потока в рабочем участке установки при (Ц) = 0.92 м/с, / = 2.75 Гц, р = 0.38
Для визуализации обтекания цилиндра в поток вводились специальные трассеры, представляющие собой мелкие взвешенные капли глицерина размером от 1 до 5 мкм. Источник трассеров — генератор аэрозоли FOG 2010 Plus, устанавливаемый перед входом в рабочий участок установки. Для визуализации потока использовался световой нож, создаваемый лазером непрерывного действия KLM-532/5000. Съемки проводились скоростной монохромной видеокамерой Fastec HiSpec.
Конструкция пульсатора обеспечивает возможность синхронизации видеоизображения с фазой наложенных пульсаций скорости потока: в фазе наименьшей скорости светодиод, расположенный на стенке рабочего участка установки в поле видимости видеокамеры, отключается на время 0.2 периода наложенных пульсаций.
В экспериментах средняя скорость в ядре невозмущенного потока перед цилиндром изменялась в диапазоне (U) = 0.25—1.4 м/с, что соответствует диапазону изменения числа Рейнольдса Red = (U)d/v = (1.9—10.6) • 105. Частота наложенных пульсаций скорости потока f изменялась от 0 до 4 Гц, при этом изменение безразмерной частоты пульсаций (числа Струхаля) составляло Sh = fd/(U) = 0—1.76, а относительной амплитуды — в = AU/<U) = 0—0.8. Здесь Аи — амплитуда пульсаций скорости потока. Способ определения амплитуды пульсаций, а также другая информация о характеристиках потока в рабочем участке установки подробно представлены в [14].
Характерная осциллограмма скорости потока в рабочем участке в области расположения цилиндра при (U) = 0.92 м/с, f = 2.75 Гц, в = 0.38 показана на фиг. 2. На ней в области экстремумов можно видеть высокочастотные пульсации скорости, соответствующие собственным частотам акустических колебаний воздуха в установке. Их амплитуда существенно меньше амплитуды наложенных пульсаций, а частота основной моды составляетfac « 31 Гц, поскольку рабочий участок установки при реализованных в эксперименте граничных условиях представляет собой четвертьволновой резонатор. Очевидно, что fac значительно выше максимальной частоты наложенных пульсаций скорости потока в проводимых исследованиях.
Видеосъемки картины течения выполнялись с частотой 100 кадров/с при максимальном разрешении кадров 1280 х 1024 пикселей.
2. Результаты исследований и обсуждение. Для изучения структуры течения в ближнем следе поперечно обтекаемого цилиндра в пульсирующем потоке проведены две серии экспериментов.
Первая серия включала визуализацию течения в ближнем следе цилиндра при варьировании частоты наложенных пульсаций скорости потока в диапазоне от Sh = 0
Фиг. 3. Визуализация обтекания цилиндра при 8И < 0.1 (а), 8И = 0.153 и 0.3 (б, в), 8И > 0.5 (г)
(стационарный режим) до = 1.5 и постоянных значениях числа Рейнольдса Кей = = 6800 (расхода) при безразмерной амплитуде пульсаций в = 0.4.
Анализ полученной информации позволил сформировать предварительное представление о воздействии наложенной периодической нестационарности на процесс вихреобразования за цилиндром и выделить четыре характерных режима обтекания цилиндра пульсирующим потоком. Первый, квазистационарный режим, наблюдается при безразмерных частотах наложенных пульсаций < 0.1 — существенно меньших, чем частота вихреобразования в стационарном внешнем потоке при таком же значении числа Рейнольдса. На этом режиме нарушения процесса регулярного формирования вихрей не происходит, и динамика вихревой структуры течения в следе за цилиндром практически не отличается от случая обтекания цилиндра стационарным потоком (фиг. 3, а).
При увеличении / процесс периодического срыва вихрей с противоположных поверхностей цилиндра нарушается, и картина течения начинает отклоняться от квазистационарной. Это отклонение выражается в чередовании попеременного срыва вихрей с эпизодами одновременного симметричного формирования пары вихрей с противоположных сторон цилиндра, причем пространственный масштаб этих вихрей существенно больше, чем при обтекании цилиндра стационарным потоком (фиг. 3, б). Вихри формируются в фазе ускорения внешнего потока, и масштаб вихрей в паре, как правило, различен. Такой режим обтекания цилиндра (при фиксированном значении числа Рейнольдса и относительной амплитуды пульсаций скорости потока) наблюдается в диапазоне 0.1 < < 0.23 — 0.25. В пределах этого диапазона доля эпизодов сим-
метричного срыва вихрей в фазе ускорения потока с ростом числа Струхаля сначала увеличивается с достижением максимума в области БЬ « 0.2 (частота наложенных пульсаций приблизительно равна частоте вихреобразования в стационарном потоке), а затем снижается, причем отмеченные закономерности структуры течения за цилиндром сохраняются во всем диапазоне.
При достижении безразмерной частоты вихреобразования БЬ « 0.25 картина обтекания цилиндра изменяется, и, хотя
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.