Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния проблемы 9
1.1. Диспергирование цемента и минералов 9
1.1.1. Влияние различных факторов на стойкость бетонов 11
1.1.2. Методы испытаний 27
1.1.3. Моделирование кавитационных течений 31
1.2. Машины и аппараты для кавитационнои обработки 32
1.2.1. Понятие кавитационнои технологии 32
1.2.2. Технические средства кавитационнои обработки материалов 33
1.2.3. Области применения кавитационнои технологии 40
1.3. Техника исследования кавитационных процессов с применением кавитационных труб 41
1.3.1. Классификация кавитационных труб 42
1.4. Исследования по обеспечению кавитационнои стойкости бетонов при низких отрицательных температурах наружного воздуха 43
2. Расчетно-теоретические исследования кавитационных процессов в гидродинамических трубах 49
2.1. Основные принципы моделирования в кавитационных трубах 49
2.2. Способы моделирования кавитации в трубах 53
2.3. Влияние границ рабочего участка на минимальные числа кавитации .54
2.4. Кавитационные трубы разомкнутого типа 57
2.4.1. Особенности регулирования параметров потока 57
2.4.2. Теоретическая диаграмма рабочих режимов кавитационнои трубы с выбросным диффузором постоянного расширения 62
2.4.3. Теоретическая диаграмма рабочих режимов кавитационнои трубы с выбросным диффузором регулируемого расширения 64
2.4.4. Истечение из рабочего участка в регулируемый вакуум 71
2.4.5. Совершенствование кавитационных труб 73
2.4.6. Методика гидравлического расчета проточного тракта кавитационнои трубы 75
2.4.7. Методика расчета теоретической диаграммы рабочих режимов гидродинамической трубы с выбросным диффузором регулируемого расширения 79
2.5. Пузырьковые гидродинамические трубы 82
2.5.1. Особенности моделирования режимов течения в скоростных пузырьковых потоках 82
2.5.2. Способы получения скоростных пузырьковых потоков 83
2.5.3. Исследования пузырькового сверхзвукового потока в гидродинамической трубе 85
3. Методика экспериментального исследования 87
3.1. Экспериментальная установка и методика проведения испытаний 91
3.2. Программное обеспечение 97
3.2.1. Комплекс программ для автоматической градуировки средств измерения 97
3.2.2. Комплекс программ для автоматического измерения и обработки информации о параметрах потока и модели 98
3.3. Методика проведения испытаний 100
3.3.1. Наладка и подготовка кавитационной трубы к испытаниям 100
3.3.2. Исследование границ области эксплуатационных режимов с моделью обтекаемого бычка в рабочем участке 102
3.3.3. Исследование эксплуатационных режимов кавитационной трубы без модели в рабочем участке 106
3.3.4. Определение эксплуатационных возможностей гидродинамической трубы с выбросным диффузором 115
3.3.5. Создание вакуума в вакуумном баке при выбросе незатопленной струи из рабочего участка 115
3.4. Методика проведения кавитационных испытаний образцов бетона 119
3.4.1. Материалы для раствора и бетона 123
3.4.2. Выбор комплексных добавок 126
3.4.3. Состав и свойства бетонных смесей 129
4. Результаты экспериментального исследования 130
4.1 Кавитационные трубы 130
4.1.1. Согласование теоретической диаграммы рабочих режимов с эксплуатационной 130
4.1.2. Разработка и внедрение конструкции кавитационной трубы гравитационного типа с истечением в регулируемый вакуум 135
4.1.3. Влияние конструктивных элементов трубы на однородность поля скоростей 137
4.2. Разработка и создание кавитационной трубы с улучшенными характеристиками 141
4.3. Влияние степени турбулентности потока в рабочем участке на характеристики трубы 147
4.4. Рабочий проект кавитационной трубы в установке №4 ВГЛ 150
4.5. Создание гидродинамической трубы 2,5x2,5 м в лотке ВГЛ 155
4.6.. Результаты исследоваия кавитационной стойкости и морозостойкости бетона 158
4.7. Влияние кавитационной обработки на прочность цементного камня... 165
Основные результаты и выводы 172
Литература 174
Приложения 188
- Машины и аппараты для кавитационнои обработки
- Способы моделирования кавитации в трубах
- Программное обеспечение
- Разработка и создание кавитационной трубы с улучшенными характеристиками
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Гидроабразивный и кавитационный износ ряда деталей машин, которые работают в потоке воды, наносит значительный материальный ущерб, исчисляемый миллионами долларов. Эрозии подвергаются детали гидротурбин, насосов, гребных винтов, опор скольжения, запорной и регулирующей арматуры систем гидроприводов, а также элементов гидросооружений.
Кавитация в гидравлических системах (машинах и аппаратах гидроприводов) сопровождается ухудшением энергетических и эксплуатационных характеристик оборудования, кавитационной эрозией поверхностей проточного тракта, шумом и вибрацией. Кавитационные явления, возникающие в системах гидроприводов, насосах, гидротурбинах, водоводах и на водосливах ГЭС и, в общем случае, при движении тел с большими скоростями в водной среде, зачастую приводят к аварийным ситуациям, последствия которых требуют больших капитальных затрат на ремонты и восстановления.
Вследствие практической важности эффектов, сопровождающих различные виды кавитации, наблюдается повышенный интерес к исследованию кави-тационных режимов движения жидкостей, процессов эрозии различного оборудования и материалов. Большой вклад в раскрытие важнейших закономерностей кавитации и кавитационной эрозии внесли И. Г. Гинзбург, Э. Г. Донченко, В. М. Ивченко, В. А. Кулагин, А. Ф. Немчин, А Тирувенгадам, М. П. Плессет, Ф. Хэммит, К. К. Шальнев и др.
Различные формы кавитации существенно отличаются друг от друга, поэтому, чтобы выявить общие закономерности кавитационной эрозии, необходимо детальное изучение каждой из них. Из-за сложности кавитационно-эрозионных процессов теоретический анализ их интенсивности представляет собой большую проблему.
При моделировании кавитационных процессов, которым посвящены работы А. С. Горшкова, И. Г. Гинсбурга, А. А. Русецкого и др., также возникают большие трудности, связанные с обеспечением условий подобия и учетом масштабного эффекта.
Анализ литературных источников показывает, что сложные гидродинамические процессы, протекающие в жидкости при различных формах кавитации изучены недостаточно. Поэтому задача повышения долговечности машин и оборудования, выяснения причин, вызывающих износ ведущих деталей путем создания и исследования оборудования для изучения кавитационных эффектов является весьма актуальной.
В связи с этим возникает много важных и недостаточно выясненных вопросов, например, о масштабном эффекте при переносе лабораторных резуль-
татов на натурные объекты, о нахождении и выяснении устойчивости выгодных режимов движения жидкостей и многофазных сред, о разработке рациональных каналов в соответствующих устройствах, аппаратах, оборудовании и режимов технологических процессов в условиях конкретных производств, ответы на которые должны быть найдены в процессе всесторонних исследований.
Таким образом, работы, направленные на разработку технологии и совершенствование техники эксперимента (кавитационных труб, установок, реакторов и др.) для проведения работ в натурных условиях с крупномасштабными образцами деталей машин, элементами приводов и материалов (например, бетонов реальной структуры при эксплуатации гидротехнических сооружений) носят актуальный ресурсосберегающий характер и решают важную научно-техническую задачу.
Цель работы состоит в создании техники и технологии исследования кавитационных явлений в гидравлических системах приводов и гидросооружениях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка, создание и исследование кавитационных установок с целью определения характеристик режимов движения воды в натурных условиях (сверхзвукового, дозвукового, аэрированного и др.), максимально исключающих масштабный эффект;
разработка инженерных методик построения диаграмм рабочих режимов кавитационных труб, позволяющих на стадии проектирования моделировать различные по характеристикам (числа кавитации, неравномерность поля скоростей, давления, возможность регулирования режимов работы и др.) типы течения, в том числе, с минимальными числами Эйлера и кавитации;
экспериментальное определение основных характеристик кавитационных труб гравитационного напора разомкнутого типа, а также труб замкнутого типа;
разработка и создание различных конструкций кавитационных труб при плотине Красноярской ГЭС, позволяющих исследовать материалы (бетоны) в натурных условиях;
определение влияния различных факторов (интенсивности физико-механической кавитационной обработки, времени, водоцементного (В/Ц) отношения, марки цемента и др.) на прочность и кавитационную стойкость изделий из бетонов.
Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы аналитические и численные методы решений. Разработан и создан ряд экспериментальных лабораторных и крупномасштабных установок, проведены модельные и натурные физические исследования.
Научная новизна. Полученные в ходе выполнения результаты рассматривались в аспектах энергоресурсосбережения (в частности снижения стоимости эксперимента в гидродинамических трубах большой мощности) и расширения области применения критической кавитационной технологии. Усовер-
шенствование технологии проведения натурного эксперимента с учетом масштаба и реальности структуры бетонов соответствует параметрам энергоэффективности и состоит в следующем:
создан и исследован ряд кавитационных установок, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения, экспериментально определены их характеристики (числа кавитации и Эйлера, неравномерность поля скоростей и давлений, степени турбулентности и др.), позволившие учитывать масштабный эффект в ходе экспериментальных работ и при проектировании технологического оборудования для исследования материалов на кавитационную стойкость;
разработаны методики построения диаграмм рабочих режимов кавитационных установок, позволяющие определить оптимальные режимы течения жидкости, в том числе с минимальными числами Эйлера;
исследованы характеристики гидродинамических труб разомкнутого и замкнутого типов, влияние выбросного диффузора за рабочим участком (РУ) на параметры потока, возможность создания в РУ монодисперсного пузырькового потока. В результате предложен новый способ создания пузырьковых течений, разработана новая схема гидродинамической трубы, позволяющая достичь независимое от скорости регулирование давления в потоке при низких числах Эйлера, существенно расширен диапазон эксплуатационных режимов;
разработаны методы проектирования кавитационных труб различных типов для исследования образцов различных конструкционных деталей машин (в том числе и бетонов) на кавитационную стойкость в натурных условиях;
определено влияние водоцементного отношения, времени и интенсивности кавитационной обработки, состава и добавок цементных растворов на прочность и кавитационную стойкость бетонов гидросооружений, изготовленных из цементов различных марок.
Практическая значимость работы и внедрение результатов работы. Разработаны на уровне изобретения, исследованы и внедрены в производство схемы и конструкции кавитационных труб. Разработаны методики определения диаграмм режимов работы кавитационных труб замкнутого и разомкнутого типов. На основании проведенных теоретических, модельных и натурных экспериментальных работ созданы технология и оборудование для физико-механической кавитационной обработки цементных и бетонных растворов. Усовершенствована методика проведения экспериментальных работ кавитационных течений в крупномасштабных установках, внедренная в практику научных исследований в Высоконапорной лаборатории (при плотине Красноярской ГЭС) ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева (Сибирский филиал). На базе результатов, полученных в диссертации, разработаны рабочие проекты гидротермодинамических труб большого сечения (01200 мм, напор ~ 100м, скорость в рабочем
участке до 40 м/с), не имеющих аналогов в мировой практике подобных исследований. Конструкции, защищенные авторскими свидетельствами внедрены в исследовательском комплексе Сибирского филиала ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева (Красноярск) и НИИ прикладной гидромеханики (Москва), а также в исследовательскую практику и учебный процесс Красноярского государственного технического университета, и могут быть использованы другими организациями, которые занимаются исследованиями кавитационной прочности деталей машин и систем приводов, а также эрозионной стойкости различных материалов.
Работа выполнена в рамках выполнения Всесоюзных и Всероссийских программ «Мировой Океан» (1981-86 гг.), «Энергетика океана» (1985 г.), «Сибирь» (1985-87 гг.), Международного проекта TACIS по энергосбережению.
Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка задач данного исследования, обоснования, формулировка и разработка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость, участие в экспериментальных исследованиях, анализ и обобщение результатов, формулировка выводов и рекомендаций. В совместных публикациях автору принадлежит ведущая роль в решении поставленных задач.
На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы, включающие результаты научных исследований и основанные на них выводы и рекомендации:
новые схемы и конструкции кавитационных труб, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения и апробированные рекомендации по созданию крупномасштабных высокоскоростных установок в производстве;
методики расчета диаграмм рабочих режимов работы кавитационных труб различного типа, позволяющие снизить влияние масштабного эффекта и существенно расширить их эксплуатационные возможности;
новый способ создания пузырьковой структуры потока с равномерным распределением концентрации объемного газосодержания по поперечным сечениям, позволяющий изучать высокоскоростные аэрированные течения.
экспериментальные данные исследования кавитационных труб различных типов с целью использования при проектировании и создании исследовательского и технологического оборудования для эрозионного испытания деталей машин и систем гидропривода, кавитационной обработки материалов;
экспериментальные данные о влиянии водоцементного отношения, времени и интенсивности кавитационной обработки, состава и добавок цементных растворов на прочность и кавитационную стойкость бетонов, используемых в гидросооружениях.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием методов исследования, соответствующих современному состоянию прикладной гидродинамики, молекулярной физики и материаловедения. Работа ба-
зируется на общепринятых положениях и методах расчета и проектирования гидродинамических труб, теории подобия. Результаты, полученные различными методами, (например, теоретические и экспериментальные диаграммы режимов работы кавитационных труб), достаточно хорошо совпадают и не противоречат физическим закономерностям в смежных областях знаний и данным, полученным другими авторами.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований, докладывались и обсуждались на II Всесоюзной школе-семинаре по гидродинамике больших скоростей (Чебоксары, 1984), III Республиканской НТК « Проблемы гидромеханики в освоении Мирового океана» (Киев, 1984); V Национальном конгрессе по теоретической и прикладной механике (Болгария: Варна, 1985); XV сессии Болгарского института гидродинамики судна (Болгария: Варна, 1986); III Всесоюзной школе-семинаре по гидродинамике больших скоростей (Красноярск, 1987); Всесоюзной НТК «Совершенствование средств и методов экспериментальной гидромеханики судна для развития научного прогресса в судостроении» (Николаев, 1988); III Всероссийской НПК с международным участием «Достижения науки и техники - развитию Сибирских регионов» (Красноярск, 2001).
Машины и аппараты для кавитационнои обработки
Для активизации процессов диспергирования (растворения) в воде и водных растворах при протекании технологических процессов наиболее эффективно использование кавитационной обработки, совмещающей одновременно процессы мелкого механического диспергирования частиц (порядка 1 мкм), интенсивного турбулентного перемешивания, способствующего возникновению свободных водородных связей за счет метастабильного нарушения структуры и механохимии воды.
Физическая сущность кавитационной обработки воды и водных растворов заключается в следующем. При схлопывании кавитационного микропузырька в локальном объеме, вблизи него и внутри возникают поля высоких давлений (порядка 10000 атм.) и температур (порядка 1000-2000 С) При коллапсе пузырька в жидкости генерируются волны разрежения-сжатия, а вблизи твердых границ потока образуются кумулятивные микроструйки со скоростями движения 100-500 м/с. [8].
Область в малой окрестности схлопывающегося микропузырька и сам пузырек становятся своего рода уникальным микрореактором, в котором возможно протекание различных технологических процессов. Кроме того, гидродинамическая кавитация способствует процессам интенсивного турбулентного перемешивания, диспергирования жидких и твердых компонентов потока, различным химическим реакциям. [8]
Перечисленные особенности кавитации лежат в основе кавитационной технологии. Следует отметить также, что технологический процесс, построенный на принципе гидродинамической пузырьковой кавитации, является наиболее экономичным и производительным [94,8,151].
Кавитационные аппараты, используемые в различных технологиях, отличаются друг от друга способами возбуждения кавитации в среде жидкого технологического сырья. Существует класс аппаратов, в которых кавитация генерируется воздействием на жидкости акустических волн ультразвуковых частот [63, 64].
Другой класс аппаратов кавитационных технологий основан на гидродинамическом способе возбуждения кавитации, когда каверны создаются за обтекаемыми телами в потоке жидкости. К ним относятся:1) аппараты с лопастными кавитирующими крыльчатками [65, 66], вращение которых в жидкой среде создает кавитационное поле пульсирующих давлений, оказывающих на жидкость силовое воздействие;2) кавитационные мельницы различных типов с кавитирующими механизмами на базе центробежных насосов [67, 68]. Их кавитирующие элементы совмещают в себе функции кавернообразующих тел и рабочих частей насосной установки, вращение которых приводит жидкость в движение;3) проточно-кавитационные реакторы, рабочая часть которых состоит из набора установленных в проточной камере кавитаторов различной формы (дисков, конусов, сфер, стержней и т.п.). При обтекании кавитаторов потоком жидкости за ними образуются пузырьковые каверны, в области схлопывания которых происходит кавитационная обработка технологического сырья.
Наиболее оптимальные технологические параметры обработки жидкостей в проточно-кавитационных реакторах соответствуют пузырьковым режимам кавитационных течений [8]. Для этих режимов характерно появление за обтекаемыми телами коротких каверн, полностью заполненных периодически образующимися вихрями с кавитационными пузырьками [69]. Акустические исследования интенсивности пульсаций давлений в кавитационном поле показали [70, 71], что наиболее оптимальным является кавитационное течение с удлинением каверны LK 2 (LK -LK/dT), рис. 1.18.
Общим элементом в конструкциях различных проточно-кавитационных реакторов является установленный в проточной камере аппарата кавитатор илинабор кавитаторов. Количество кавитаторов, их геометрия, конструкция, степень подвижности и некоторые другие параметры представляют собой отличительные особенности реакторов и определяются решением конкретных технологических задач: снижения энергоемкости реактора, регулирования интенсивности кавитационного поля, увеличения степени силового кавитационного воздействия и др. Рассмотрим некоторые известные типы конструкций проточных кавитационных реакторов.
Реактор с осесимметричными неподвижными кавитаторами. В наиболее простых конструкциях гидродинамических кавитационных реакторов используют цельнометаллические кавитаторы, выполненные в виде усеченных конусов, обращенных большими основаниями навстречу потоку жидкости [72]. Кавитаторы устанавливают в рабочей камере неподвижно и располагают рядами по концентрическим окружностям, образующим в камере пространственную решетку (рис. 1.19). При течении жидкости в рабочей камере за кавитаторами образуются каверны, в области которых затем происходит ее кавитационная обработка.
Реактор со стержневыми кавитаторами. К этому же типу кавитационных аппаратов относятся реакторы с кавитаторами, выполненными в виде стержней, продольные оси которых параллельны между собой и лежат в плоскости поперечного сечения проточной камеры [73]. Кавитаторы могут иметь цилиндрическую форму, как показано на рис. 1.20, а также форму стержней с трапецеидальным или треугольным поперечным сечением. В двух последних случаях стержни располагаются в проточной камере с обращение больших оснований их поперечных сечений к направлению потока жидкости. Использование стержневых кавитаторов позволяет повысить интенсивность обработки жидкости за счет создания сплошного поля кавитации в плоскости поперечного сечения проточной камеры, в том числе и вблизи стенок камеры.
Способы моделирования кавитации в трубах
Если скорость модели равна натурной, то равенство чисел кавитации натуры и модели удовлетворяется равенством остальных параметров: плотности р, давления Р0 и давления паро-газа в каверне Рк. По существу это не моделирование, а воспроизводство натурного режима.
Если эксперимент осуществляется в натурной жидкости (воде) при скорости значительно меньшей натурной, то для обеспечения подобия потоков должна быть уменьшена разность давлений в числителе выражения числа кавитации (2.12). Это может быть достигнуто с одной стороны путем увеличения Рк за счет повышения температуры воды [154]. В настоящее время такой способ, за исключением испытаний насосов, практически не используют, несмотря на то, что большое число кавитационных труб имеют соответствующее оборудование. Повышение температуры потока влечет за собой значительные изменения других критериев подобия, в первую очередь числа Рейнольдса. С другой стороны, уменьшение разности давлений Ро-Рк может быть достигнуто путем снижения гидростатического давления в рабочем участке кавитационной трубы [154]. Такой путь наиболее широко используется в настоящее время практически на всех кавитационных трубах.
Равенство модельного и натурного чисел кавитации возможно достичь также соответствующим увеличением плотности среды, однако примеры такого способа в литературных источниках не освещаются.Рассмотрим моделирование числа кавитации при скоростях потока в рабочем участке меньших, чем натурные, путем снижения гидростатического давления Р0.
Для кавитационных труб как замкнутого, так и разомкнутого типов, здесь возможны два основных пути: восстановление (увеличение) давления в потоке после рабочего участка до заданного (обычно атмосферного) в диффузоре, и истечение из рабочего участка в вакуум. Теоретически этими способами можно добиваться понижения гидростатического давления до давления насыщенных паров Pv и достигать тем самым числа кавитации, близкие к нулю. Однако напрактике в реальных конструкциях кавитационных труб как замкнутого, так и разомкнутого типов достижение минимальных чисел кавитации весьма проблематично.
Минимально достижимые числа кавитации, реализуемые в той или иной трубе, определяются, главным образом, возникновением и развитием кавитации потока в проточной части трубы или на ее циркуляционном насосе. Расположение очагов кавитации в корпусе кавитационной трубы и картина развития кавитации зависят от скорости потока. При очень малых скоростях потока (3-5 м/с) начало кавитации в трубе определяется равенством давления в верхней части воздушной шахты перед конфузором сумме давления упругости паров воды и части парциального давления растворенных в воде газов.
Вследствие влияния гидростатического давления, критическое значение числа кавитации в рабочем участке с ростом скорости потока быстро уменьшается. Начиная с некоторого значения скорости, минимум значения числа кавитации определяется критическим давлением на верхней стенке переходного участка от конфузора к рабочему участку, либо от рабочего участка к диффузо ру. С этого момента интенсивность снижения минимального значения кавитации с ростом скорости несколько уменьшается. В определенный момент времени кавитация возникает на деталях крепления модели, в поворотном колене. Если эти очаги кавитации расположены на одном уровне с осью рабочего участка, то минималь-ное значение числа кавитации в соответствующем диапазоне изменения скорости не будет зависеть от величины последней. Если очаг кавитации расположен ниже оси рабочего участка (например, детали поворотного колена или циркуляционного насоса) может наблюдаться рост минимального числа кавитации с ростом скорости потока.
При значительном воздухосодержании (а « 0,5) даже при низких значениях скорости потока, может возникнуть режим газовой кавитации всего потока в рабочем участке с характерным отсутствием каких-либо очагов кавитации на твердых границах потока. В этом случае вся вода в рабочем участке оказывается заполненной большим количеством равномерно распределенных по всему объему воды сравнительно крупных пузырьков газа [154].
Рассмотрим влияние твердых стенок в сплошном рабочем участке трубы на теоретически достижимые минимальные числа кавитации. Для простоты и наглядности обратимся к выводам, полученным Биркгофом в [156].
Предположим, что в кавитационной трубе с площадью поперечного сечения S0 имеется равномерный набегающий поток невязкой несжимаемой жидкости, обладающий пренебрежимо малой турбулентностью. Набегающий поток имеет скорость V0, далее, вниз по потоку, в области миделя каверны SK, скорость становится равной Vj (рис.2.1.)
Схема кавитационного течения в трубе с твердыми стенкамиПрименим к жидкости, ограниченной стенками трубы и сечениями I и II уравнение изменения количества движения. Приращение количества движения жидкости в единицу времени pVi Si - pV0 So- Полная сила, действующая на жидкость, равна (Р0 -Pi/)So-RK. Отсюда
Таким образом, чтобы получить число кавитации a = 0,05, необходимо иметь соотношение SO/SK = 400 или в случае цилиндрического рабочего участка D/DK - 20, что в процентах составляет 0,25% загромождения рабочего участка. Отсюда видно, что исследования кавитации при малых числах кавитации a 0,1 предпочтительнее проводить не в закрытом рабочем участке, а в свободной струе или в специальных рабочих участках, режим обтекания в которых приближен к режиму обтекания в свободной струе (например, в проницаемых рабочих участках с регулируемым отсосом [157, 158, 159, 160], или в струйчато-упругих рабочих участках [161], где эластичные стенки принимают форму, близкую к форме линий тока в области кавитации). В практике проведения ка витационных испытаний допускается загромождение сечения рабочего участка моделью до 4%. При этом минимально достижимые числа кавитации оми„=0,4-0,1.
Одним из основных требований, предъявляемых к кавитационным трубам, является возможность широкого варьирования параметров потока в рабочем участке. В замкнутых кавитационных трубах такая задача решается путем независимого регулирования давления и скорости потока. Конструкции таких труб достаточно отработаны и имеют наибольшее распространение в исследовательской практике [154, 162, 163, 164, 165,166]. Диаграмма рабочих режимов таких установок, характеризующая эксплуатационные возможности, отличается достаточной полнотой [154].
Программное обеспечение
Физические модели исследуемых объектов, как правило, оборудуются системой различных датчиков: реостатных осредненного давления, пульсации давлений и датчиков кавитационных ударов. Кроме того, имеются датчики и приборы ГСП для измерения статического давления в форкамере и на входе в рабочий участок, а также приборы контроля давления в системе подвода воздуха и воды в модель. Общее число различных датчиков давления на модели может составлять свыше 50. Естественно, что проводить аттестацию и градуировку каждого датчика в отдельности очень сложно и трудоемко. Поэтому, в ВГЛ Сибирского филиала ВНИИГ был разработан комплекс программ, а также отлажена методика автоматической градуировки средств измерения с помощью измерительно-вычислительного комплекса ИВК 7/8. Структура и функции программ практически одинаковы, поэтому кратко описаны программы, реализованные на ИВК 7/8.
В практике гидравлических исследований приходится измерять давления и перепады давлений. Приборы для измерения и дистанционной передачи показаний имеют различные принципы преобразования и разный класс точности. Из приборов для измерения давления выбирается наиболее точный, как правило, это прибор ГСП, и производится его градуировка по эталонному манометру илис помощью грузопоршневого манометра непосредственно на ЭВМ. Для этой цели разработана программа «TARIR - 1», по которой в память ЭВМ с пульта вводятся заранее дискретные значения эталонного давления, Во время аттестации прибора в момент установления заданной метки подается команда на автоматическое считывание и ввод данных в ЭВМ. После фиксации всех давлений в рабочем диапазоне датчика роизводитсяаппроксимация измеренных значении по формуле:где Р „зм. - давление, измеряемое прибором; К0, К) - коэффициенты линейной аппроксимации; И изм - измеренное значение напряжения, соответствующее заданному давлению.
Далее, полученные коэффициенты К0 и Kt хранятся в памяти ЭВМ и аттестованный таким образом прибор принимается в качестве эталонного. По программе «TARIR» производится последующая градуировка остальных датчиков, для чего исследуемая модель герметизируется путем закрытия запорных задвижек на выходе и в полости камеры плавно поднимается давление. ЭВМ производит опрос всех выбранных датчиков, включая эталонной, и записывает измеренные значения напряжение на каждом датчике в память. Полученные таким образом массивы данных с каждого измерительного канала апроксимиру-ются методом наименьших квадратов. В результате градуировки ЭВМ выдает протокол с оценкой среднеквадратичного отклонения относительно показания эталонного датчика. Данные аттестации хранятся на магнитном диске (МД) для последующего использования в процессе измерения.
Аналогичные программы имеются для работы с ЭВМ «Электроника - 60». Хранение информации и ввод ее в ЭВМ производится с помощью перфолент.
По результатам градуировки средств измерения по программам «TARIR- 1» и «TARIR» в ЭВМ составляется и хранится общий протокол градуировки датчиков. Это могут быть различные датчики давления, температуры, перемещения и т.д.
Для контроля правильности градуировки и работоспособности всего измерительного тракта производится контроль регистрации посеянного статического давления и других квазистатических величин, измеряемых в экспериментах. Так, например, по программе «IZMER» производится одновременное измерение и регистрация статических величин в виде протокола измерения статических параметров потока, а также, например, в виде эпюр распределения этих параметров по длине обтекаемой поверхности, получаемых автоматически с помощью ЭВМ.
Программа «IZMER» также включает в себя блок подсчета необходимых характеристик потока и вдуваемой среды. По желанию экспериментаторов производится подсчет и регистрация в виде распечатки любых параметров потока имодели, а также различных комплексов величин, измеренные значения которых имеются в протоколе или в памяти
Многофункциональная измерительно-вычислительная система в составе серийно выпускаемых и самодельных приборов, измерительно-информационных систем, микро ЭВМ «Электроника - 60» и измерительно-вычислительного комплекса ИВК 7/8 на базе ЭВМ СМ-4 позволяет проводить измерения с применением до 40 измерительных приборов со стандартными токовыми выходными сигналами (приборы системы ГСП), 80 реостатных и 100 тензометрических датчиков измерения статических параметров, 100 индуктивных, тензометрических датчиков и датчиков электропроводимости для измерения динамических параметров и до 64 датчиков процессов с высокочастотными импульсными сигналами (датчиков кавитационных ударов).
Измерительно-вычислительная система позволяет выполнять в квазиреальном масштабе врмени следующие операции и вычисления по разработанным программам [192]:1. Автоматическая градуировка одного или группы датчиков давления и приборов ГСП (до 100 точек) с одновременной статистической обработкой результатов и выдачей протокола градуировки с указанием доверительных интервалов вероятности оценки точности всего тракта измерений;2. Измерение статических параметров потока и модели с выдачей протокола измерений и указанием доверительных интервалов и вероятностей измеренных значений;3. Автоматический подсчет по измеренным величинам и печать значений основных параметров потока на модели: расхода, средней скорости потока в заданном сечении или точке, чисел Рейнольдса, чисел Эйлера, чисел кавитации, расхода вдуваемого в рабочем участке воздуха, подводимой воды от насоса и т.п.;4. Автоматическое построение эпюр распределения осредненного давления или других статических параметров по длине обтекаемой поверхности с выдачей результатов на графопостроитель с соответствующей разметкой профиля модели, автоматической маркировкой точек измерения и шкалы давлений, необходимых заголовков и надписей;
Для анализа информации о динамических процессах разработан ряд программ, позволяющих производить следующее;1. Запись мгновенных значений от 1 до 26 процессов с общим количеством точек измерения - до 3276, циклами от 1 до 37. Время дискретизации процессов может выбираться экспериментатором в пределах от 0,2 до 300 мс. При этом на печать выводится среднее значение и стандарт по каждому процессу для каждого цикла записи реализации. Максимальная частота одного процесса - 2,5 кГц;2. Запись мгновенных значений исследуемых процессов аналогично предыдущей программе, но без печати средних величин и стандартов, что существенно сокращает время между циклами измерений;3. Вывод мгновенных значений двух любых выбранных из записей процессов в аналоговом виде с восстановлением непрерывности процессов и возможностью их фильтрации путем снижения частоты выборов в 2-256 раз. Привыводе на аналоговый прибор недостающие точки дополняются. Эта программа предназначена для визуализации процесса, записанного в память ЭВМ, особенно, если запись производилась на промежуточный носитель информации в цифровом виде;4. Фильтрация исследуемых процессов ступенями 2п -раз, где 0 п 8. Результат фильтрации записывается на магнитный диск ЭВМ. Программа предназначена для исследования низкочастотных процессов;ансамблями реализаций с осреднением результатов по каждому из ансамблей. Максимальная длина дискретного преобразования Фурье составляет 4096 точек, что дает разрешающую способность спектра в 2048 точек. Входная последовательность каждого из процессов может быть взвешена окном Кайзера;
Разработка и создание кавитационной трубы с улучшенными характеристиками
В процессе отработки различных принципиальных схем подводящего и отводящего трактов кавитационной трубы, размещенной на установке №3 ВГЛ совместно со стендом модельных испытаний гидротурбинного блока разработана новая кавитационная труба с улучшенными характеристиками потока в испытательном участке (закрытый рабочий участок и лоток со свободной сверху границей потока).
Описываемая труба, как и предыдущая конструкция, предназначена для экспериментальных исследований в обращенном потоке воды с наперед заданными параметрами. Обращенное движение предполагает замену движения испытуемого тела в неподвижной воде обтеканием потоком с равномерными полями скорости и давления. Для формирования в рабочем участке такого потока в форкамере сглаживаются продольные пульсации скоростей, а в конфузоре сглаживаются поперечные пульсации. Регулировка скорости потока осуществляется задвижками на подводящем водоводе диаметром 1200 мм перед напорным баком. Регулировка давления (вакуума) осуществляется вакуумированием в вакуумном баке.степень турбулентности (в диапазоне эксплуатационных скоростей) 100% = (0.7-0.8)% Вспомогательные системы: воздушный компрессор ВУ-3/8 производительностью до 3 мЗ/мин и давлением до 8 кг/см2; вакуумные насосы: РМК-4 (70 квт) -1 шт.; РМК-2 (10 квт)- 2 шт.; ВН-1МГ (2,8 квт)-2 шт.; водяной центробежный насос давлением до 3 мПа, и производительностью до 50 л/с. В состав кавитационной трубы с гравитационным напором водохранилища Красноярской ГЭС входят: глубинный водозабор (глубина 17 м), оснащенный клиновыми задвижками диаметрами 1600 мм и 600 мм.; водоподводящий питающий наклонный трубопровод диаметром 2,0 м; напорный бак диаметром 4,5 м и высотой 12,5 м; рабочая часть кавитационной трубы на площадке сменных рабочих участков; вакуумный бак диаметром 4,5 м и длиной 22,0 м; подпорная шахта диаметром 4,5 м , высотой 8,9 м и глубиной 14 м; отводящий канал сечением 4 х 4 м2. Конструкция рабочей части кавитационной трубы, размещенной на монтажной площадке сменных рабочих участков установки №3 ВГЛ размером 20 х 3 м2 показана нарис. 4.15. Установка №3 ВГЛ при проектировании и создании предназначалась для размещения стендов модельных испытаний гидротурбинных блоков, поэтому ось подводящих трубопроводов от напорного бака и ось вакуумного бака не совпадали в горизонтальной плоскости. Несоосность в прежних конструкциях кавитационных труб, размещенных на установке №3 компенсировалась несимметричным диффузором. Такая асимметрия не позволяла полностью выровнять эпюру скоростей в форкамере. Этот недостаток был устранен в описываемой конструкции. Было применено поворотное колено 1 с решеткой поворотных лопаток 2 (рис. 4.15). Свободная ориентация поворотного колена благодаря свободному фланцу на стыке с напорным баком позволила компенсировать несоосность подвода и отвода воды. В результате такого конструкторского решения стало возможным разработать и изготовить симметричную конструкцию сопряженного диффузора, форкамеры и конфузора. Исключительно малая длина рабочей части, ограниченной расстоянием между напорным баком и вакуумным баком в 20 м заставила искать нетрадиционные конструктивные решения при создании диффузора 3 и форкамеры 6. Так, сопряженный диффузор с входным сечением диаметром 1,2 м и выходным (2,45 х 1,40) м2 имеет длину всего 3,28 м. Форкамера 6 сечением (2,45 х 1,40) м имеет длину только 3,0 м. Размеры сечения форкамеры выбраны из условия геометрического подобия сечению рабочего участка коэффициент геометрического подобия 3,5) для снижения искажений эпюры скоростей в конфузоре 10. Для устранения низкочастотных пульсаций давления, форкамера гидравлически сообщена через запорный вентиль с пневмогидродемпфером 7.
Рабочие участки 8 длиной 2,4 м и размерами сечения 0,7 х 0,4 м выполнены двух типов: участок со сплошными стенками (труба) и участок со свободной поверхностью (лоток). Участки оснащены смотровыми стеклами 11 и герметичными крышками. Для облегчения перемонтажа рабочих участков предусмотрено компенсационное подвижное звено 14. Выбросной участок (отводящий канал) выполнен большего размера в поперечном сечении по сравнению с предыдущей конструкцией, что позволило отказаться от воздушного трубопровода от вакуумного бака к входному сечению выбросного участка. Кроме того, увеличенные размеры выбросного участка позволяют струе воды из рабочего участка попадать свободно в вакуумный бак, не касаясь стенок участка и тем самым не создавая гидравлических сопротивлений на выбросе потока.
Диффузор. Изначально конструкция трубы предусматривала наличие одной центральной перегородки в диффузоре и отсутствие выравнивающих сеток.Испытания показали, что, несмотря на значительное снижение пульсаций давления, и продольной составляющей скорости потока в рабочем участке, имели место пульсации поперечных составляющих скорости. Это наблюдалось как отклонение визуализированных линий тока пузырьками воздуха от продольной оси рабочего участка. Нестационарных характер таких отклонений указывал на наличие источников нестационарного отрыва потока в подводящем тракте трубы. Анализ течения в подводящем тракте указывал на диффузор, как наиболее вероятный источник нестационарных отрывных течений [194, стр. 24-37].
По конструкции диффузор относится к плоским, (с расширением в одной плоскости) с углом раскрытия в горизонтальной плоскости 22. В [194, стр. 29] указывается, что незначительный отрыв потока в диффузорах наблюдается уже при углах раскрытия а = 6 и более заметен при а = 8.
Режим течения в диффузорах с углами раскрытия 6 -14 близок к режиму с большим неустановившимся отрывом потока. Еще более значительный отрыв потока происходит в диффузорах с 14 а 20. Диффузор трубы с а = 22 подходит под категорию источника течения с большим нестационарным отрывом потока от стенок.
Для устранения отрыва потока в диффузоре установлены дополнительные разделительные перегородки [194, стр. 34], расположенные вертикально и разделившие диффузор на четыре части с углами раскрытия каждой 5,5. Установочные размеры разделительных перегородок выбраны из расчета равенства разделенных площадей во входном и выходном сечениях. Таким образом, отрыв потока от стенок диффузора был конструктивно предотвращен.Форкамера. Профили скорости в составных диффузорах приближенно описываются выражением [194, стр. 36]:
