Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние исследований эффекта кавитационной стабилизации расхода жидкости 8
1.1 Кавитация: причины, виды, эффекты 8
1.2 Экспериментальные исследования 14
1.3 Теоретические исследования 20
1.4 Численные методы расчёта 22
1.5 Использование эффекта в гидроприводах 31
ГЛАВА 2. Рабочий процесс струйно-кавитационного стабилизатора расхода .. 35
2.1 Структура течения в СКСР 36
2.2 Методика расчёта гидравлических характеристик СКСР 41
2.3 Расчёт расходно-перепадных характеристик СКСР 45
ГЛАВА 3. Численная модель кавитационного массопереноса для расчёта струйно-кавитационного стабилизатора расхода 47
3.1 Анализ структуры моделей кавитационного массопереноса 47
3.2 Оценка эффективности динамического компонента 49
3.3 Методика создания динамического компонента ЧМКМ 53
3.4 Новая ЧМКМ 56
3.5 Численное моделирования течения в СКСР 60
3.5.1 Методика моделирования 61
3.5.2 Расчётная сетка 61
3.5.3 Условия на границах сетки 64
3.5.4 Настройки параметров решателя 65
3.6 Результаты моделирования течения в СКСР 69
3.6.1 Моделирование без учёта кавитации 69
3.6.2 Моделирование моделью кавитации Zwart-Gerber-Belamri 70
3.6.3 Моделирование новой моделью кавитации 71
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования кавитации в струйно-кавитационном стабилизатора расхода 73
4.1 Программа экспериментальных исследований 73
4.1.1 Объект и стенд для испытаний 73
4.1.2 Цель испытаний 75
4.1.3 Ход эксперимента 76
4.2 Обработка экспериментов в пакете DIAdem 77
4.2.1 Импорт данных в DIAdem 79
4.2.2 Фильтрование и аппроксимация данных 80
4.2.3 Визуализация результатов эксперимента в DIAdem 84
4.3 Результаты экспериментальных исследований 86
4.3.1 При постоянном давлении на входе 86
4.3.2 При постоянном давлении на выходе 87
4.3.3 Динамические характеристики СКСР 88
4.4 Верификация результатов численного моделирования с экспериментом.. 89
4.5 Верификация результатов аналитического расчёта с экспериментом 94
ГЛАВА 5. Исследование характера гидродинамических параметров струйно кавитационного стабилизатора расхода 96
5.1 Влияние геометрических и гидродинамические параметров СКСР на расход стабилизации и ширину зоны стабилизации 96
5.2 Методика расчёта конструктивных параметров СКСР 103
5.3 Пример расчёта конструктивных параметров струйно-кавитационного стабилизатора расхода 106
Заключение 108
Список литературы
- Теоретические исследования
- Методика расчёта гидравлических характеристик СКСР
- Численное моделирования течения в СКСР
- Обработка экспериментов в пакете DIAdem
Теоретические исследования
Предполагается, что генерация рентгеновского излучения связана со схлопыванием пузырьков в жидкости. В дальнейшем возможно использование данного эффекта с целью получения рентгеновского излучения. На данный момент в качестве основной причины сонолюминисценции рассматривается электризация жидкости при кавитации. Электризация жидкости заключается в образовании некомпенсированных зарядов на границе межфазного раздела в кавитирующей жидкости. Для объяснения эффекта была создана теория локальной электризации жидкости [52]. Считается, что в факеле парогазовых пузырьков образуются некомпенсированные заряды, которые появляются на поверхности пузырька вследствие его деформации или расщепления надвое. В результате в потоке кавитирующей жидкости происходит пробой, провоцирующий люминесценцию.
Стабилизация расхода жидкости - положительный эффект гидродинамической кавитации, заключающийся в «запирании расхода» при постоянном давлении на входе в жиклер и переменном на выходе из жиклера. При постоянном давлении на выходе из жиклера и переменном на входе эффект не наблюдается. Первые упоминания об изменении характера расходно-перепадных характеристик при кавитации появились в середине 30-х годов XX века в работах немецких инженеров [19]. В СССР аналогичные изменения характеристик наблюдал и описывал Кирсанов В. И. в 1951 г. [41]. Впервые эффект, как самостоятельный, был описан Уоллисом Г. в 1969 году [69] под названием «эффект запирания двухфазного одномерного течения в канале». Экспериментальные исследования эффекта в жиклерах были опубликованы Назаровым Г. С. в 1968 г. [55, 54], Лысенко В. Ф. и Еремеевым П. Ф. в 1970 году [47, 48]. В это-же время появились первые патенты на использование эффекта в гидроавтоматике [26]. Экспериментальные исследования эффекта кавитационной стабилизации расхода в струйных элементах типа «Сопло-сопло» были опубликованы Мансуровым В. И. в 1975 г. [49, 50]. Обобщение экспериментальных исследований эффекта в трубках Вентури и выявление общих закономерностей явления произвёл Арзуманов Э. С. в 1978 г. [28]. В 80-е годы XX века шло активное патентование стабилизаторов расхода и делителей потока различной конструкции, использующих данный эффект [61]. Впервые теоретическое объяснение данного эффекта на основе предположения с аналогией критического истечения газа из сопла было дано Нигматулиным Р. И. в 1988 г. [56]. Детальное исследование эффекта кавитационной стабилизации расхода в струйных рулевых машинах проводилось Целищевым В. А. в период с 1994 по 2000 гг. [34, 53, 40]. Результатом исследований стал новый струйно-кавитационный способ регулирования скорости гидропривода, а также гипотеза обратных струй для объяснения эффекта. В 2010 г. Целищев Д. В. впервые использовал для моделирования эффекта численные модели кавитации [72]. Стабилизация расхода может широко применятся в гидроприводах для получения постоянной скорости гидродвигателя при различных нагрузках, деления потока на две и более части в различных пропорциях. Однако использование эффекта в гидроприводе ограничено связью расхода стабилизации с давлением питания и геометрией, что ведёт к необходимости проектирования кавитирующего элемента под отдельно взятую гидравлическую систему. При проектировании кавитирующего элемента возникает проблема определения расхода стабилизации и ширины зоны стабилизации по давлению для заданной геометрии. В настоящее время расход стабилизации и ширину зоны стабилизации можно определить экспериментальным способом и численным моделированием.
Эффект кавитационной стабилизации расхода возникает при одномерном двухфазном течении жидкости в трубках Вентури, насадках, струйных элементах и характеризуется изломом расходно-перепаднои характеристики, за которым расход устанавливается почти постоянным и независящим от давления (расход стабилизации). Шириной зоны стабилизации принято считать разницу между давлением на входе в кавитатор и перепадом, при котором начинается излом. Поскольку эффект возникает только при постоянном давлении на входе в кавитатор, в экспериментах, как привило, изменяют давление на выходе насадка дросселем.
В насадках различной формы (рис. 1.6 а) эффект исследовался Назаровым Г. С. [55]. Эксперименты проводились с трубкой Вентури 1; диффузорами с различной длиной и диаметром критического сечения, но постоянным углом раскрытия 2, 3, 4; конфузорными насадками 5, 6, 7 с постоянным углом раскрытия и диафрагмами различной длины и диаметра 8, 9, 10. Конические элементы насадков выполнялись с углом раскрытия конуса 17. Диаметры критического сечения насадков равнялись 3 или 4 мм. Выбранные размеры позволяли исследовать влияние геометрических параметров насадков на расход стабилизации и ширину зоны стабилизации, а выбор постоянного угла раскрытия конических элементов делал насадки геометрически подобными друг другу. Насадок устанавливался к изливу бака с постоянным уровнем 3 метра. Абсолютное давление на входе насадка составляло 1,3 атм.
Методика расчёта гидравлических характеристик СКСР
Если установить на пути струи на расстоянии h приёмное диффузорное сопло с диаметром duc равным диаметру струи d T на этом расстоянии, то в этом случае струя полностью попадёт в приёмное сопло и расход через него определится расходом через ядро струи и струйный пограничный слой, который станет пристеночным. Известно, что в жидкости пристеночный пограничный слой свыше 1 мм является неустойчивым и распадается [75]. Таким образом, возможно два случая течения в приёмном сопле: 1) бескавитационное, при котором пограничный слой пройдёт 1-1,2 мм по длине приёмного сопла и распадётся; 2) кавитационное (смесь жидкости и газа), при котором пограничный слой сохранится до выхода из приёмного сопла (рис. 2.3).
При кавитационном течении в приёмном сопле кавитационные пузырьки оттесняются от ядра к периферии, что позволяет им скапливаться в зоне пристеночного пограничного слоя, плотность которого падает, а устойчивость растёт, что позволяет сохраняться пограничному слою на протяжении всей длины приёмного сопла.
Эффект стабилизации расхода возникает вследствие сохранения пограничного слоя на стенках кавитирующего элемента из-за кавитации в основном течении. Расход стабилизации, расход на выходе из приёмного сопла, определяется расходом через ядро струи и пограничный слой на расстоянии h от струйной трубки в сечении с максимальной толщиной пограничного слоя (при равновесном процессе парообразования и конденсации): где d = — - безразмерный диаметр струйного элемента; h = — безразмерное расстояние между соплами. Таким образом, расход стабилизации при эффекте кавитационной стабилизации расхода определяется только геометрией струйного элемента и скоростью ядра струи, которая зависит от давления на входе в струйную трубку. При переменном давлении на входе, скорость также становится переменной, что не позволяет расходу стабилизироваться.
Ширина зоны стабилизации по давлению определяется условием начала кавитации и гидравлическим сопротивлением приёмного диффузорного сопла, которое может быть вычислено по методике предложенной Идельчиком [39]. Коэффициент местного сопротивления приёмного сопла t,w рассчитывается по формуле: где расш и тр - коэффициенты местного сопротивления на расширение и трение соответственно; а - угол раскрытия диффузора (не более 40); X - коэффициент гидравлического трения; F0 и F\ - площади приёмного сопла на входе и выходе соответственно. Учитывая коэффициент местного сопротивления приёмного сопла можно рассчитать бескавитационную расходно-перепадную характеристику СКСР по уравнению:
Подставляя в (2.9) расход стабилизации можно определить ширину зоны стабилизации. Поскольку гидравлическое сопротивление диффузора с формированием отрывного течения на углах раскрытия свыше 12 начинает расти, падает и ширина зоны стабилизации.
С учётом структуры течения, возможны следующие режимы работы СКСР (рис. 2.4): 1) по расходу на выходе: запирания, дроссельный, стабилизации расхода; 2) по соотношению диаметра струи и приёмного сопла: эжекторный, максимального расхода, нормальный, минимальных потерь.
Режим работы «запирание» характеризуется отсутствием расхода на выходе из стабилизатора вследствие недостаточности энергии струи для преодоления приёмного сопла. Дроссельный режим характеризуется квадратичной зависимостью между расходом и перепадом давления на стабилизаторе наблюдается при отсутствии кавитации в приёмном сопле. Режим стабилизации расхода характеризуется независимостью расхода на выходе от перепада давлений, возникает только при кавитации.
Эжекторный режим работы существует при условии, что диаметр струи меньше диаметра приёмного сопла, тогда при наличии перепада давлений между струйной камерой и приёмным соплом наблюдается эжекция и эффект стабилизации расхода не наблюдается (эксперименты Мансурова В. И. на d 1,8). Режим максимального расхода получается при равенстве диаметра струи и диаметра приёмного сопла. Нормальный режим получается при диаметре приёмного сопла меньше диаметра струи, но больше диаметра ядра струи, наблюдается эффект стабилизации расхода. Режим минимальных потерь наблюдается, если диаметр приёмного сопла меньше диаметра ядра струи.
На основе структуры течения создана методика расчёта гидравлических характеристик СКСР. Предлагаемая методика позволяет рассчитать расход и ширину зоны стабилизации и построить расходно-перепадную характеристику СКСР, зная геометрию и свойства жидкости. Целью методики является расчёт основных гидравлических параметров СКСР, а именно: расхода стабилизации QCT, ширины зоны стабилизации Арст, давления запирания приёмного сопла р3, расход через струйную трубку и построение расходно-перепадной характеристики.
Численное моделирования течения в СКСР
Численное моделирование с использованием программного комплекса ANSYS 12.1 выполняется на этапах решения задачи и обработки полученного результата [5]. Можно выделить следующие шаги численного моделирования: 1) подготовка геометрии; 2) построение сетки; 3) постановка задачи; 4) расчёт; 5) обработка результатов моделирования (рисунок 3.7).
Постановка задачи CFX Pre Расчёт CFX Solver 5. Обработка результатов расчёта CFX Post Рисунок 3.7 - Шаги численного моделирования кавитации Соответственно, для выполнения каждого шага используется особый компонент ANSYS 12.1. В процессе моделирования, после обработки результатов или расчёта, в случае не сходимости расчёта или его неудовлетворительного качества возможен возврат ко второму или третьему шагу.
Для численного моделирования кавитации особое значение имеет выбор на третьем шаге задаваемых граничных и начальных условий. Так струйный элемент характеризуется шестью гидродинамическими параметрами: QBX, рвх, 2вых, Рвых, QCK, Рек соответственно. Моделирование возможно при комбинировании трёх из шести гидродинамических параметров на границах расчётной области, например: 1) QBX, рск, ръъж или 2) ръх, рск, ръъж или 3) QBX, QCK, 2вых- Первая комбинация использовалась в работе [58] и требовала задания физического масштаба по времени в решателе, что неудобно. Вторая комбинация использовалась для расчёта течения в трубке Вентури [18] и оказалась неустойчивой на крупных сетках. Третья комбинация не имеет физического смысла, так как не позволяет замкнуть уравнения импульса (1.8).
С учётом качественной сетки для моделирования были выбраны граничные условия из второй комбинации (рис. 3.9), а проблема устойчивости на начальных итерациях решалась заданием начальным условием скорости на оси СКСР около 150 м/с. Данный выбор граничных условий позволяет получить в результате моделирования расходы на входе, выходе и через струйную камеру.
Численное моделирование проводилось по методике, представленной в части 3.5.1, в три серии: без учёта кавитации, с моделью кавитационного массоперноса Zwart-Gerber-Belamri и новой численной моделью кавитационного массопереноса (3.26). Сбор результатов численного моделирования каждой из серий осуществлялся в электронном протоколе, по которому строились расходно-перепадные характеристики. Электронный протокол состоит из трёх групп данных: 1) исходные данные - данные вводимые в решатель ANSYS CFX Pre с учётом условия симметрии; 2) Результат моделирования, полученный непосредственно из ANSYS CFX Post; 3) Обработка результата моделирования для получения физических величин, соответствующих эксперименту.
Моделирование проводилось по следующему набору уравнений: неразрывности (1.6), импульса (1.8), турбулентности (1.11). Число точек моделирования - 10. Протокол моделирования приведён в таблице 3.5.
Моделирование проводилось по следующему набору уравнений: баланс масс (1.6), импульса (1.8), турбулентности (1.11), численная модель кавитационного массопереноса (1.26). Число точек моделирования - 10. Протокол моделирования приведён в таблице 3.6. Таблица 3.6 - Протокол моделирования без учёта кавитации
Моделирование проводилось по следующему набору уравнений: баланс масс (1.6), импульса (1.8), турбулентности (1.1), численная модель кавитационного массопереноса (3.26). Число точек моделирования - 10. Протокол моделирования приведён в таблице 3.7.
Расходно-перепадная характеристика СКСР при численном моделировании с новой моделью кавитации
Сопоставление расходно-перепадных характеристик, полученных численным моделированием без учёта кавитации, с учётом кавитации моделью Zwart-Gerber-Belamri и новой моделью приведено на рисунке 3.14.
Сопоставление расходно-перепадных характеристик СКСР, полученных численным моделированием ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования кавитации в струйно-кавитационном стабилизатора расхода
Программа экспериментальных исследований 4.1.1 Объект и стенд для испытаний Объектом испытаний являются струйно-кавитационный стабилизатор расхода, представляющий из себя два сопла направленных друг на друга, с геометрией проточной части, показанной на рисунке 4.1.
Струйный элемент устанавливается посредством быстросъёмных рукавов к контуру испытания клапанов на стенд «Диагностика и идентификация гидравлических систем», который показан на рисунке 4.2. Стенд «Диагностика и идентификация гидравлических систем» состоит из двух контуров [65]: 1) контур испытания клапанов; 2) контур испытания гидромоторов. Гидравлическая схема и спецификация стенда приведены на рисунке 4.3 и таблице 4.1 соответственно. коллектор слибной низкого давления
Обработка экспериментов в пакете DIAdem
Влияние давления в струйной камере на безразмерную ширину зоны стабилизации исследовалось при давлении питания 100 атм, угле раскрытия 12 и длине 8 мм приемного сопла (рис. 5.9). Рост давления в струйной камере приводит к росту безразмерной ширины зоны стабилизации, при постоянном расходном коэффициенте приёмного сопла.
На основе структуры течения, результатов исследования влияния геометрических и гидродинамических параметров на характеристики СКСР создана методика расчёта конструктивных параметров СКСР. Предлагаемая методика позволяет рассчитать конструктивные геометрические параметры СКСР, зная давление на входе, требуемый расход стабилизации, плотность жидкости и диаметр струйной трубки.
Целью методики является определение конструктивных параметров СКСР для заданного давления питания и расхода стабилизации. Для достижения цели решаются следующие задачи: 1) Расчёт (безразмерного) расстояния между соплами; 2) Определение (безразмерного) диаметра приёмного сопла; 3) Поверка расхода стабилизации спроектированного СКСР. Методика реализована в математическом пакете Maple в виде Маріе-кода с пояснениями и комментариями. В результате использования методики можно определить аналитически геометрические параметры струйного элемента для требуемого давления питания и расхода стабилизации. Этапы работы методики представлены на рисунке 5.10.
Первый этап методики позволяет рассчитать (безразмерное) расстояние между соплами рассчитываемого струйно-кавитационного стабилизатора расхода и состоит из трёх шагов:
На третьем этапе выполняется поверка геометрических параметров спроектированного струйно-кавитационного стабилизатора расхода по первому этапу методики расчёта эффекта кавитационной стабилизации расхода в СКСР (п. 2.2). Четвёртый шаг предполагает оценку точности расхода стабилизации по отношению к расходу стабилизации, заданному в начале методики.
Пример расчёта конструктивных параметров струйно-кавитационного стабилизатора расхода Используя методики расчёта конструктивных параметров и гидравлических характеристик струйно-кавитационного стабилизатора расхода можно спроектировать стабилизатор с расходом 35 л/мин, давлением на входе 100 атм, плотность жидкости 872 кг/м . Диаметр струйной трубки при этом будет 2 мм. Параметры спроектированного СКСР приведены
В результате анализа экспериментальных и теоретических исследований эффекта кавитационной стабилизации расхода установлено, что стабилизация расхода возникает в трубках Вентури, жиклёрах, струйных элементах при гидродинамической кавитации и может объясняться двумя гипотезами: кризиса двухфазного парожидкостного потока и обратных струй. Анализ возможностей использования эффекта в гидроприводах показал, что на основе стабилизации расхода может быть создано два класса устройств гидроавтоматики: кавитационные стабилизаторы расхода и делители потока. Основной проблемой создания струйно-кавитационных стабилизаторов расхода является несовершенство аналитических методов расчёта гидравлических характеристик и численных математических моделей кавитационного массопереноса.
Разработаны, реализованы и верифицированы методика аналитического расчёта гидравлических характеристик (расхода стабилизации и ширины зоны стабилизации) и численная модель кавитационного массопереноса, позволяющие рассчитать расходно-перепадные характеристики струйно-кавитационного стабилизатора расхода с отклонением от эксперимента не более 4%.
Проведены экспериментальные исследования струйно-кавитационного стабилизатора расхода, выявившие наличие двух изломов, которые разделяют расходно-перепадную характеристику на три участка, один из которых - стабилизация расхода, и позволившие верифицировать методику аналитического расчёта гидравлических характеристик и численную модель кавитационного массопереноса.
Выполненные исследования влияния геометрических и гидродинамических параметров на расход и ширину зоны стабилизации струйно-кавитационного стабилизатора расхода, установили, что наиболее оптимальными конструктивными параметрами являются d = 2,41 и h = 4,47, что позволяет достичь безразмерного значения расхода стабилизации QCT = 1,74. Созданная методика расчёта конструктивных параметров в сочетании с методикой расчёта гидравлических характеристик позволяет проектировать струйно-кавитационный стабилизатор расхода с желаемыми характеристиками.