ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 120-123
ЛАБОРАТОРНАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ТЕХНИКА
УДК 621.31.22:621.592
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПУЛЬСИРУЮЩИХ ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ
© 2014 г. Н. С. Душин*, А. Н. Михеев*, **, Н. И. Михеев*, В. М. Молочников*
*Исследовательский центр проблем энергетики Казанского научного центра РАН Россия, 420111, Казань, ул. Лобачевского, 2/31 **Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева Россия, 420111, Казань, ул. К. Маркса, 10 E-mail: vmolochnikov@mail.ru Поступила в редакцию 29.03.2013 г. После доработки 19.12.2013 г.
Разработана экспериментальная установка для исследования дозвуковых пульсирующих турбулентных течений, основное назначение которой — проведение визуальных исследований. Подробно описана конструкция установки и ее основного элемента — устройства для создания пульсаций потока. Экспериментально определены характеристики пульсирующего потока в рабочем участке установки. Получены адекватные опытным данным зависимости, устанавливающие однозначную связь средней скорости потока и амплитуды ее пульсаций в рабочем участке установки с положением органов управления установкой.
DOI: 10.7868/S003281621403015X
ВВЕДЕНИЕ
Колебания потока могут оказывать существенное влияние на гидродинамические и тепловые процессы в двигателях, энергетических установках, системах транспортировки и распределения жидких и газообразных энергоносителей, а также в других технических устройствах, работа которых связана с движением текучих сред. Наиболее сложным видом нестационарности являются пульсирующие течения, в которых фазы нарастания скорости (расхода) чередуются с фазами торможения потока.
Численное моделирование турбулентных пульсирующих течений в каналах связано с целым рядом проблем, наиболее сложными из которых являются корректная постановка граничных условий и выбор (или разработка) адекватной модели турбулентности. В этих условиях важнейшую роль в изучении таких течений играет эксперимент. Качество и объем получаемой в опытах информации в значительной степени определяется возможностями и совершенством экспериментальных установок.
В настоящей работе представлено описание экспериментальной установки для исследования пульсирующих турбулентных течений, основным назначением которой является визуализация потока. Кроме того, установка позволяет проводить измерения мгновенных локальных параметров течения и выполнять исследования теплообмена.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Схема экспериментальной установки для исследования пульсирующих турбулентных течений показана на рис. 1. Основными элементами установки являются: рабочий участок 1, снабженный плавным входом 2, устройство 5 для создания пульсаций потока (далее — пульсатор) и ресивер 8 объемом 2 м3. Пульсатор состоит из расходного узла 7 и узла 6 управления частотой и амплитудой пульсаций потока. Ресивер предназначен для сглаживания пульсаций потока перед входом в центробежный вентилятор 9, который работает на всасывание и обеспечивает движение воздуха в тракте установки.
Рабочий участок имеет квадратное поперечное сечение 0.4 х 0.4 м2 и длину 2.73 м. Стенка 3 рабочего участка выполнена прозрачной для проведе-
Рис. 1. Схема рабочего участка экспериментальной установки для исследования пульсирующих течений.
I — рабочий участок; 2 — плавный вход; 3 — прозрачная стенка рабочего участка; 4 — прозрачная вставка; 5 — пульсатор; 6 — узел управления частотой и амплитудой пульсаций потока; 7 — расходный узел пульсатора; 8 — ресивер; 9 — вентилятор; 10 — диафрагма;
II — генератор аэрозолей.
6 4 5 2
3 1
Рис. 2. Схема пульсатора. 1 — расходный узел; 2 — узел управления частотой и амплитудой пульсаций потока; 3 — управляющий элемент расходного узла; 4 — цилиндрическая втулка; 5 — вращающаяся заслонка; 6 — электродвигатель с редуктором.
Рис. 3. Циклограмма сигнала светодиода (1) и осциллограмма пульсаций скорости потока (2) в рабочем участке установки.
ния видеосъемок, а примыкающая к ней стенка имеет прозрачную вставку 4 для формирования светового ножа в исследуемой области течения. Стенка, расположенная напротив прозрачной, покрыта тонкой ошкуренной резиной, а остальные — окрашены черной матовой краской. Такие меры позволяют повысить качество съемки при проведении визуальных исследований.
На торцевой стенке рабочего участка установлена диафрагма 10, предназначенная для контроля расхода воздуха и, следовательно, среднерасходной скорости потока в рабочем участке установки. Перепад давления на диафрагме измеряется цифровым измерителем давления ПРОМА-ИДМ, имеющим предел допускаемой основной погрешности не более ±1% от верхнего предела измерений.
Центробежный вентилятор 9 обеспечивает поддержание средней скорости потока в рабочем участке в диапазоне {и) = 0—1.44 м/с. Соответствующие значения числа Рейнольдса, рассчитанного по гидравлическому диаметру канала, составляют Яе = 0—3.9 • 104. Указанный диапазон изменения скорости потока выбирался таким образом, чтобы, с одной стороны, реализовать турбулентные режимы течения в рабочем участке установки, а с другой — обеспечить приемлемые условия для визуальных наблюдений и видеосъемки структуры исследуемых течений.
При визуализации течения в поток вводятся частицы водного раствора глицерина, размер которых составляет порядка 0.1—5 мкм. Видеосъемка картины течения в экспериментах выполняется скоростной монохромной видеокамерой Fastec Ы8рес в световом ноже, создаваемом непрерывным лазером KLM-532/5000. Камера позволяет проводить съемку со скоростью от 500 до 112000 кадров/с, при этом минимальное время экспозиции кадра составляет 2 мкс, а его максимальное разрешение — 1280 х 1024 пикселя.
Пульсатор, схема которого показана на рис. 2, содержит расходный (статический) узел 1 и узел управления частотой и амплитудой пульсаций по-
тока (динамический узел) 2 с электродвигателем 6. Расход (площадь проходного сечения узла 1) изменяется перемещением поперек потока цилиндрического управляющего элемента 3.
Пульсации потока создаются периодическим изменением проходного сечения узла 2 вращающейся заслонкой 5, а амплитуда пульсаций регулируется путем перемещения в направлении оси узла втулки 4 вместе с закрепленным на ней электродвигателем 6. При этом изменяется площадь проходного сечения узла 2, "обслуживаемого" вращающейся заслонкой. Частота наложенных пульсаций потока (вращения заслонки) изменяется частотным преобразователем VACON 0010-3L-0008-4, который позволяет плавно регулировать и стабилизировать скорость вращения вала двигателя 6 (заслонки 5).
Для синхронизации видеоизображений с фазой наложенных пульсаций скорости потока по диаметру цилиндрической части вала с вращающейся заслонкой выполнено отверстие, оппозит-но которому на корпусе узла 2 пульсатора размещены светодиод (источник света) и фотодиод (светоприемник). При прохождении света через отверстие происходит кратковременное выключение светодиода, установленного в рабочем участке установки в зоне видимости скоростной видеокамеры. Циклограмма сигнала светодиода и фрагмент осциллограммы скорости потока в рабочем участке установки показаны на рис. 3. Период выключения светодиода в фазе наименьшей скорости потока составляет 0.2 от периода наложенных пульсаций, что способствует более четкой привязке видеоизображения к циклограмме изменения скорости потока.
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКА В УСТАНОВКЕ
Для оценки характеристик потока в рабочем участке установки проводились термоанемомет-
122
ДУШИН и др.
и, мс 1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0
0.5
1.0
1.5
2.0 т, с
Рис. 4. Осциллограмма скорости потока в рабочем участке установки при хс = 50 мм, хд = 50 мм и / = = 2.75 Гц «и> = 0.92 м/с, в = 0.38).
рические измерения скорости в ядре потока рабочего участка. Нитяной термоанемометрический датчик устанавливался на оси рабочего участка на расстоянии 100 мм от его входа. Работа датчика поддерживалась термоанемометрической аппаратурой DISA 55М.
По результатам экспериментов на стационарном режиме течения в диапазоне чисел Рейнольд-са Яе = (0.8—3.9) • 104, рассчитанных по гидравлическому диаметру рабочего участка, определялась средняя скорость потока и ее среднеквадратичные пульсации. При пульсирующих режимах течения параметры потока определялись в этом же диапазоне изменения числа Рейнольдса при варьировании частоты наложенных пульсаций / от 0 до
4 Гц. Кроме того, оценивалась относительная амплитуда пульсаций потока в = Аи/{и), где Аи, м/с — амплитуда пульсаций скорости потока; (и), м/с — средняя скорость потока.
Период пульсаций скорости потока в рабочем участке установки совпадает с половиной периода вращения заслонки пульсатора, однако фактическая динамика изменения скорости во времени (рис. 4) несколько отличается от синусоиды и/(и) = = 1 + в 8т(2тс//). Анализ спектра пульсаций скорости потока показал, что на основной гармонике сосредоточено примерно 80% энергии пульсаций, а амплитуды кратных гармоник, характеризующих отличие формы от синусоиды, существенно меньше основной моды, что вполне приемлемо для большинства гидродинамических и тепловых опытов [1, 2].
В данной работе за величину амплитуды принята статистически наиболее устойчивая оценка
Аи = л/2?и, где зи — полученные по результатам экспериментов среднеквадратичные пульсации скорости потока в диапазоне частот, охватывающем основную и первую кратную частоты. Эта оценка
хорошо совпадает с половиной осредненного размаха скорости потока без учета турбулентности.
Для обеспечения возможности независимого изменения средней скорости потока, относительной амплитуды и частоты пульсаций потока были проведены исследования по установлению связи параметров потока с положением хс, хд органов управления площадью статического и динамического окон пульсатора соответственно (см. рис. 2).
Среднюю скорость потока в рабочем участке установки представим в виде линейной зависимости
и = Ьо + ¿1 х с + ¿2 х д, (1)
а относительную амплитуду пульсаций скорости потока соотношением
в =
кЬ2 хд
-. (2)
¿о + ¿1X с + ¿2 X д
Здесь Ь0 — коэффиц
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.