Гидравлические характеристики вихревых устройств в гидротехнике, гидроэнергетике и инженерной гидроэкологии Волшаник, Валерий Валентинович

Введение к работе

з

Люгуальносгь темы. Закрученные потоки жидкости и газа нашли широкое применение в современной технике благодаря многим своим уникальным аэродинамическим, термодинамическим и гидромеханическим качествам. Созданию вихревых устройств, позволяющих многократно интенсифицировать процессы энерго-, мас-со- и теплообмена и разделения сред в теплотехнике, теплоэнергетике, двигателе-строении, гидромашиностроении, гидротехнике, транспорте материалов, химической, пищевой, косметической промышленности, сельскохозяйственном производстве, холодильной и вакуумной технике, производстве строительных материалов, авиастроении, машиностроении, предшествовали глубокие и обширные исследования, выполнявшиеся учеными многих стран в течение последнего столетия.

К настоящему времени сформировались несколько самостоятельных научных направлений, связанных каждое со своей областью практического применения закрученных потоков. Наиболее развитыми из них являются: теория вихревых форсунок и горелок, применяемых в энергетических установках и разнообразных двигателях, теория гидроциклонов и сепараторов, применяемых для разделения различных раэноплотностных сред, теория вихревых теплообменников и смесителей. Среди современных исследователей, внесших заметный вклад в развитие перечисленных теорий, следует отметить Г.Н.Абрамовича, Р.Б.Ахмедова, О.Ф.Васильева, А.СГиневского, М.А.Гольдштика, КХА.Гостинцева, Ф.Т.Камеаъщикова, С.Ю.Крашенинникова, Л.Г.Лойцянского, А.П.Меркулова, И.И.Новикова, О.В.Пилипенко, АА.Сви-риденкова, Г.Е.Стурова, Б.П."Устименко, А.А.Халатова, В.К.Щукина, Р.В.Фокса. С.Дж.Клайна, А.К.Гупту, Х.Хашииото, Ф.Крейта, ЛЛевэна, Д.Г.Лилли, А.Р.Рочино, Н.Сайреда, Г.И.Тейлора, К.Якика и других отечественных и зарубежных учеііьіх.

Достаточно теоретических и экспериментальных работ выполнено и в области гидромеханики закрученных потоков, связанной с гидротехникой и гидромашиностроением. Перечисленные направления связаны с одним и тем же физическим явлением, однако специфика его проявления в различных устройствах весьма велика, и это не позволяет, чаще всего, полностью и непосредственно использовать в одном из направлений результаты, полученные в других направлениях.

На рис. 1 перечислены основные области применения закрученных потоков и основные формы существования этих потоков, наглядно свидетельствующие о многообразии этих форм и, соответственно, о многообразии научных подходов, необходимых для изучения вихревых аэррдинамических и гидравлических устройств. Внутри каждой формы течения существуют и различные режимы течения, что еще больше усложняет изучение закрученных потоков.

Сложность картины течения закрученных потоков жидкости в вихревых устройствах и индивидуальные особенности этого течения в устройствах, разрабатываемых и предлагаемых к применению в практике гидротехнического и гидроэнергетического строительства, обусловливают необходимость всякий раз выполнять научное обоснование конструкций, параметров и методов гидравлического расчета новых вихревых устройств. Высокая эффективность последних делает целесообразными достаточно большие затраты на выполнение такого научного обоснования, которые быстро окупаются. В период с 1960 г. по 1997 г., когда автор выполнял исследования гидравлических: характеристик различных вихревых устройств, наиболее актуальными были работы в области отсасывающих труб реактивных гидротурбин, вихревых и контрвихревых водосбросов высоконапорных гидроузлов и контрвихревых аэраторов. Рассмотрению результатов исследований этих, а также некоторых других вихревых устройств, и посвящена настоящая диссертация.

Цель работы — экспериментальное обоснование и разработка методик гидравлического расчета устройств, сооружений и аппаратов, основанных на эффектах закрутки потока жидкости и находящих применение в гидротехнике, гидроэнергетике, инженерной гапроэкологии и других отраслях техники.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Проведение теоретических, модельных и натурных исследований характеристик закрученного потока жидхостив каналах различной формы.

2. Анализ результатов исследований с цепью выявления общих и индивидуальных особенностей течения закрученных потоков в каналах различной формы.

3. Разработка методик гидравлического расчета вихревых устройств и их отдельных элементов, применительно к практике гидротехнического, гидроэнергетического и гидроэкологического строительства, в том числе:

—подводящих и отводящих элементов реактивных гидротурбин и лопастных

насосов; —отводящих трактов вихревых водосбросов высоконапорных гидроузлов; —проточного тракта контрвихревых гасителей энергии водосбросов высоконапорных гидроузлов; —контрвихревых аэраторов различного назначения и конструкций. Методы исследований. Большинство исследований закрученных потоков были выполнены по заказам проектных, конструкторских и производственных организаций. Такая практическая направленность обусловила тот факт, что результатом исследований были методики гидравлического расчета изучавшихся вихревых устройств. Поскольку такие методики предназначались для непосредственного практического использования, при их разработке должны бьии быть учтены все особен-

5 носій реального течения закрученных потоков. Такие требования, имея в виду сложный характер изучаемого явления, особенно случай взаимодействующих закрученных потоков, не могли быть выполнены с помощью теоретических методов, поэтому основными методами исследований были экспериментальные исследования физических моделей различных масштабов или натурных промышленных образцов. Для анализа ряда задач были использованы численные методы. Научная новизна.

1. Получены оригинальные эксперимент&чьные данные, многие из них — впервые,
о характеристиках закрученного потока жидкости:

на начальном участке прямой круглой трубы;

в прямоосных конических диффузорах, в том числе с экраном вблизи выходного сечения;

в изогнутых призматических и диффузорных каналах круглого сечения;

в изогнутых отсасывающих трубах реактивных гидротурбин;

по длине проточного тракта контрвихревых гасителей энергии;

по длине проточного тракта контрвихревых аэраторов.

2. Выявлены основные свойства и особенности закрученных потоков, определяющие закономерности их протекания в каналах различной формы и на базе которых возможно совершенствование вихревых устройств различного назначения.

3. Разработаны (с участием автора) математические модели течеши закрученного потока жидкости в прямой круглой трубе, в камере отстойника с головной системой промыва, в камере гашения контрвихревого гасителя и установлены возможности применения этих моделей для анализа реального течения закрученных потоков.

4. Предложен критерий формы профиля окружных скоростей в сечении закрученного потока — радиус центра тяжести циркуляции; установлен факт перераспределения расхода по пролетам отводящего диффузора изогнутых отсасывающих труб при изменения их формы н режима работы турбины; установлен факт влияния уровня нижнего бьефа на режим работы реактивной гидротурбины.

5. Разработаны методики гидравлического расчета:

гидравлических потерь в завихритепе и пропускной способности вихревых водосбросов;

гидравлических характеристик и режимов течения закрученного потока в прямой круглой трубе с произвольным уклоном оси;

гидравлических потерь закрученного потока в прямоосном коническом диффузоре;

потерь энергии в отводящих диффузорах изогнутых отсасывающих труб реактивных гидротурбин;

формы проточного тракта конгрвихревых гасителей энергии;

формы проточного тракта контрвихревых аэраторов;

перестроения универсальной характеристики реактивной гидротурбины с направляющим аппаратом двойного регулирования.

Личное участие автор» в получении результатов, изложенных в диссертации, выразилось в планировании, подготовке и проведении лабораторных и натурных испытаний и анализе их результатов; участии в разработке математических моделей закрученных течений; разрабогке методик гидравлического расчета вихревых устройств; формулировке направлений последующих исследований.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических и экспериментальных (модельных и натурных) исследований закрученных потоков в каналах различной формы, полученные при участии и под руководством автора в 1960-1997 гг.

2. Результаты анализа закономерностей формирования и преобразования по длине прямой круглой трубы профилей продольных и окружных скоростей закрученного потока.

3. Результаты анализа закономерностей преобразования по длине прямоосного конического диффузора профилей продольных и окружных скоростей закрученного потока.

4. Результаты анализа закономерностей преобразования по длине изогнутого канала продольных и окружных скоростей закрученного потока.

5. Результаты анализа физических закономерностей рабочего процесса контрвихревых гасителей энергии глубинных водосбросов высоконапорных гидроузлов.

6. Методика гидравлических расчетов систем струйно-вихревой аэрации водных объектов; результаты анализа физических закономерностей рабочего процесса контрвихревых аэраторов.

Достоверность полученных результатов. Экспериментальные исследования, результаты которых приведены в диссертации, выполнены на испытательных стендах ряда отечественных гидравлических и гидроэнергетических лабораторий по современным методикам и с использованием препарированных приборов и средств измерений. Непротиворечивость результатов этих испытаний друг другу и результатам исследований других авторов позволяет сделать заключение о достоверности результатов проведенных исследований.

Практическое использование полученных результатов.

1. Результаты экспериментальных исследований моделей отсасывающих труб использованы институтом "Гидропроект" при разработке проектов проточного тракта гидротурбин Красьоярской, Киевской, Усть-Илимской, Нижне-Камской, Перево-локской, Днепровской-11, Вилюйской гидроэлектростанций.

2. Результаты экспериментальных и теоретических исследований моделей вихревых и контрвихревых гасителей использованы институтом "Гидропроект", ПИС Гидропроекта (ныне НИИЭС) и ВНИИГ при разработке проектных вариантов водосбросов для Рогунской, Колымской, Тельмамской, Сарезской гидроэлектростанций, ГЭС Терн в Индии, а также при разработке методики гидравлического расчета контрвих-резых гасителей, нашедшей отражение в справочном пособии "Гидравлические расчеты водосбросных гидротехнических сооружений", и в учебном пособии для вузов.

3. Результаты экспериментальных и теоретических исследований, конструкторских разработок; разработанные в МИСИ-МГСУ технические задания и рабочие проекты контрвихревых аэраторов использованы:

институтами ВНИИбиотехника, ВНИИсинтезбелок, ИркутскНИИбиотехни-ка при совершенствовании конструкций ферментационных аппаратов микробиологической промышленности;

Роскомводом при создании контрвихревого аэратора на донном водовыпуске плотины на р. Суме в Ленинградской области и на р. Разумная в Белгородской области; при создании опытно-промышленного образца плавучей аэрационной установки для Белгородского водохранилища; при разработке технического задания на проект гидроузла — аэратора на р. Клязьме в г. Щелково; при разработке "Руководства по проектированию и конструкторской документации вихревых аэраторов на донных водовыпусках плотин", 1992 г.;

ПО "Сибволокно" при создании комплекса из трех плавучих аэрационных установок: на пруде-накопителе биологических очистных сооружений; при создании четырех контрвихревых гомогенизаторов на колонных регенераторах серы; при разработке технического задания на проект струйно-вихревой аэрации первой ступени биологических очистных сооружений;

Чебоксарским горисполкомом при разработке рабочего проекта плавучей аэрационной установки для Залива Чебоксарского водохранилища;

совхозом "Пермский" при создании системы струйно-вихревой аэрации аэро-тенка биологических очистных сооружений; при разработке технического задания на проектирование схемы доочистки сточных вод;

Камским целлюлозно-бумажным комбинатом при создании системы струйно-вихревой аэрации камер регенерации нла биологических очистных сооружений;

Дирекцией Московского зоологического парка при создании системы струйно-вихревой аэрации и замкнутого водооборота Большого пруда Зоопарка.

4. Результаты экспериментальных исследований закрученного потока й изогну
тых каналах использованы Институтом сердечно-сосудистой хирургии при совершен
ствовании конструкций искусственных клапанов сердца.

5. Результаты экспериментальных и теоретических исследований рабочего процесса центробежных воздухоотделителей использованы Среднеазиатским отделением института Гидропроект при разработке проекта системы технического водоснабжения Нурекской гидроэлектростанции.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на научных и научно-технических конгрессах, конференциях, симпозиумах и совещаниях:

международных: XX Конгр. Международ, ассоциации по гидравлич. исследованиям (Москва, 1983); IX научной конф. строительного факультета Политехи, института г.Брно (Брно, ЧССР, 1984); Симпозиуме по кавитации (Сендай. Япония, 1986); 10-й научн. конф. Технического ун-та г. Брно (Брно, ЧССР, 1989); 2-м Международном симпозиуме по взаимодействию газа с водной поверхностью (Миннеаполис, США, 1990); Международн. н.-т. конф. "Совершенствование энергетич.и транспортных турбоустановок методами иатематич. моделирования..." (г. Змиев, Харьков, 1994); Международн. н.-т. конф. "Современные проблемы нетрадиционной энергетики" (Санкт-Петербург, 1994); Международн. конгрессе и выставке "Экология, проблемы больших городов: инженерные решения"(Москва, 1996); Международн. н.-т. конф. "Гидромеханика, гидромашины, гидропривод и гидропневмоавтоматика" МЭИ (ТУ) (Москва, 1996);

всесоюзных: XVII межвузовской н.^г. конф. УИИВХ (Ровно, 1968); совещании "Гидравлика гидротурбинных блоков (ПТБ-69)" (Ленинград, 1969); н.-т. совещании "Научно-исследовательские работы в гидромашиностроении и повышение качества и надежности гидравлических машин и связанных с ними гидросооружений" (Ленинград, 1971); I Межотраслевой н.-т. конф. "Проблемы создания изделий для сердечно-сосудистой хирургии" (Кирово-Чепецк, 1980); семинаре "Биомехакика-81" (Ленинград, 1981); И Всесоюзн. школе (совещании-семинаре) "Гидродинамика больших скоростей" (Чебоксары, 1984); Всесоюзн. н.-т. совещ. "Методы иследования и гидравлич. расчетов водосбросных гидротехнических сооружений (ГВС-84)" (Ленинград, 1984); Всесоюзн. конф. по итогам работы вузов СССР в области гидротехники (Куйбышев, 1985); Всесоюзн. н.-т. совещ. "Состояние и перспективы развития гидроэнергетики..." (пас. Черемушки Красноярского края, 1988); 8-м н.-т. совещ. "Физическое и математич. моделирование гидравлич. процессов при исследованиях крупных гидроузлов... (МГ-89)" г. Дивногорск, 1989); III Всесозн. н.-т. конф. "Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамич. режимами для текстильной пром-сги..." (Москва, 1989);

республиканских: XVIII Респубп. н.-т. конф. УИИВХ (Ровно, 1969); Респу
бликанской н.-г. конф. "Математич. моделирование процессов и конструкции энерге-
тич. и транспортных турбинных установок..." (Готвальд, 1988);

— отдельных организаций: III н.-т. конф. молодых научных работников ВНИИГ (Ленинград, 1961); Второй н.-т. конф. Гидропроекта (Москва, 1972); на н.-т. конф. Московского инженерно-строительного института (с 1994 года — Московского государственного строительного университета): XX — 1961; XXI - 1962; XXIV — 1965; XXV — 1966; XXVII — 1968; XXIX — 1970; XXX — 1971; XXXII 1973: XXXVIII — 1979; XXIX — 1980; XL — 1981; XLII — 1983; XLIII — 1984; XLV — 1986; XLVFI — 1991; 48 — 1996; семинаре "Экологическое образование в МГСУ: состояние, тенденции и крординация" (Москва, 1995); на наушых семинарах кафедры использования водной энергии и кафедры гидравлики Московского инженерно-строительного института (Московского государственного строительного университета) в 1961-1997 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 76 научных работ (перечень основных публикаций приведен в заключительном разделе автореферата), в том числе одна монография.

Отдельные результаты диссертационной работы положены в основу 15 изобретений, защищенных авторскими свидетельствами.

С использованием результатов исследований было создано 7 экспонатов, демонстрировавшихся на отечественных и зарубежных выставках, и отмеченных золотой медалью ВВЦ, серебряной и бронзовыми медалями ВДНХ СССР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения; 7 глав, основных выводов, библиографии, включающей 453 наименования, в том числе 64 зарубежных, и 12 приложений. Основное содержание диссертации изложено на 50J странице, включая 196 рисунков и 33 таблицы; вспомогательные материалы даны на 152 страницах приложений.