Введение к работе
Актуальность темы.
Работа посвящена экспериментальному диагностированию неустойчивости
вихревых течений, что очень актуально для описания и понимания отдельных
природных явлений и многих технологических процессов с закрученными
потоками. Сегодня интенсивно идет поиск новых технических решений для
улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов и судов,
оптимизации турбомашин. Создаются новые технологии в энергетике, связанные
с возобновляемыми источниками энергии, гидроэнергетикой,
высокопроизводительным и низко эмиссионным сжиганием топлива, а также разрабатываются вихревые аппараты на базе микромасштабных реакторных и теплообменных систем, улучшаются химические и тепло-массообменные технологии. Новые перспективные вихревые технологий получения и преобразования энергии являются чрезвычайно актуальными и во многом определяют конкурентоспособность на мировом рынке. Успешное решение этих актуальных проблем и создание техники нового поколения напрямую зависит от разработки нового оборудования и методов диагностики закрученных течений широко применяющихся в энергетике, на транспорте, в машиностроении и пр. Увеличение точности диагностики различных технологических течений необходимо как для описания режимов работы и совершенствования вихревых технологий, так и для разработки и совершенствования современных методов их расчета.
В частности, исследование динамики вихревого следа любых роторных машин, в том числе, осевых ветротурбин, гидротурбин, судовых винтов и вертолетов с целью минимизации его негативного воздействия является одной из приоритетных задач. Важным фактором, оказывающим кардинальное влияние на структуру течения в вихревых реакторах, является явление распада вихря (vortex breakdown). Феномен распада вихря обусловлен внезапной перестройкой структуры течения, что существенно влияет на технологический процесс. Но и сам распад вихря весьма чувствителен к внешним возмущениям, и для исследования режимов его формирования необходимо применять самые передовые бесконтактные оптико-лазерные методы.
Широко распространенными оптическими лазерными методами бесконтактной диагностики скорости различных течений жидкости и газа являются лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА), измеряющая скорости сопутствующих потоку частиц в фиксированной точке течения - измерительном объеме, и цифровая трассерная визуализация, выполняющая анализ структуры потока по трекам частиц - PIV (particle image velocimetry) и PTV (particle tracking velocimetry).
Методы PIV - следящие за треками маркирующих частиц - дают на эталонных вихревых течениях до 10% погрешности, для сложных нестационарных градиентных течений погрешность достигает 20%. Пока это не
достаточно для решения сложных практических задач. С другой стороны, методы ЛДА, обладая высоким пространственным и временным разрешением, предполагают последовательность измерений от точки к точке. Они требуют квазистационарности и стабильности исследуемого физического явления во время измерения, что не всегда представляется возможным в ходе эксперимента и обычно не характерно для технологических процессов. Для решения актуальных задач диагностики пульсирующих интенсивно закрученных течений в промышленности необходима разработка новых или совершенствование данных методов, которые позволят выполнять более точные синхронные измерения.
Оптико-лазерные измерительные системы в теплофизике и гидродинамике -динамично развивающаяся область знаний и технологий. ИТ СО РАН занимает одно из лидирующих мест в России и в мире по разработке указанных систем. Это касается как лазерных доплеровских анемометров ЛДА, созданных на основе полупроводниковых лазеров и позволяющих проводить точные измерения даже в замутненных потоках, так и полевых измерителей скорости типа PIV. Разрабатываемые системы диагностики одно- и двухфазных потоков соответствуют мировому уровню, а по ряду показателей превосходят его. Данные наши исследования и разработки соответствуют приоритетным научно-техническим направлениям Российской Федерации.
Цель и основные задачи работы. Создание экспериментальных методов диагностики исследования вихревых течений, обеспечивающих синхронные бесконтактные измерения кинематических характеристик в сложных нестационарных интенсивно закрученных натурных или модельных потоках жидкости, с целью детального понимания физических механизмов развития неустойчивости и распада концентрированных вихрей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
1. Систематизация сведений об исследуемой проблеме, аналитический обзор
зарубежных и отечественных научных информационных источников,
сравнительный анализ и обоснование методов исследования нестационарных
процессов и вихревых течений.
2. Разработка методики измерения трехмерного поля скорости и
пульсационных характеристик потока жидкости для исследований динамики
винтовых вихревых структур оптико-лазерными методами.
-
Разработка устройств бесконтактной оптико-лазерной диагностики в гидродинамическом эксперименте и их практическая реализация в измерительных комплексах.
-
Экспериментальные исследования нестационарных вихревых течений, генерируемых различными закручивающими устройствами.
Цель работы определяет следующие основные направления исследования.
1. Экспериментальное исследование развития неустойчивости
локализованных в пространстве, замкнутых интенсивно закрученных течений.
2. Сравнение сценариев развития трехмерной неустойчивости в различных
конфигурациях замкнутого потока жидкости.
3. Исследование механизма распада вихревой структуры и факторов,
влияющих на формирование различных форм распада.
4. Изучение эволюции и распада вихревых следов при вариации параметров
течения за моделями осевых турбин.
Методы и подходы исследования. В ходе выполнения работ применены подходы экспериментальной бесконтактной оптической диагностики нестационарных вихревых потоков жидкости в различных приложениях, основанных на лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА), анемометрии изображений частиц - цифровой трассерной визуализации (PIV) и скоростной визуализации.
Экспериментальное моделирование вихревых течений и диагностика оптико-лазерными методами позволили получить достоверные количественные данные об исследуемых физических процессах. В частности, при лазерно-доплеровской диагностике течений погрешность измерения скоростей не превышала 2 %, а при диагностике течений с помощью стереоскопической системы цифровой трассерной визуализации (PIV) была менее 5 %.
Научная новизна.
В работе впервые разработаны и реализованы новые подходы в диагностике сложных нестационарных течений, вихревых структур, а также вихревых следов, определенных через мгновенное трехмерное поле скорости за вихрегенератором; обработке информации в оптических системах регистрации динамики винтообразных вихрей и распада вихревой структуры.
Предложена методика условного осреднения для оптико-лазерной диагностики вихревых структур, обеспечивающая адаптацию локальных и полевых оптико-лазерных методов и успешное детальное исследование эволюции вихревых структур и трехмерного поля скорости закрученного течения жидкости в следе за вихрегенератором.
Впервые установлено, что сценарии перехода от стационарного к нестационарному режиму течения и развитие неустойчивости существенно отличаются для замкнутых контейнеров круглого и прямоугольного сечений.
Показано, что неустойчивости в интенсивно закрученных замкнутых течениях могут развиваться как с увеличением, так и затуханием пульсаций скорости потока. Получены количественные экспериментальные данные о развитии неустойчивости интенсивно закрученного вихревого течения.
В работе впервые экспериментально обнаружено и показано существование мультиспиральных распадов вихря, возникающих в результате распада устойчивой комбинации вихревых мультиплетов с циркуляцией одного знака.
Впервые экспериментально подтверждено существование двух новых форм - триплетного и квадруплетного распада вихря. Ранее были известны семь разных форм распада вихря, шесть из которых описывали различные деформации ядра вихря, и только одна соответствовала разделению вихревого ядра на два -двуспиральный распад.
Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе полученных результатов и выводов разработаны и реализованы функциональные узлы измерительных систем. Созданы действующие макеты и стенды. Разработанные измерительные системы применяются в исследованиях гидродинамики закрученных низкоскоростных потоков и импульсного знакопеременного движения светорассеивающих поверхностей. Сфера применения может быть расширена на другие области научного эксперимента и промышленного производства. Результаты работы внедрены и используются на крупнейшем предприятии отечественного гидротурбостроения ОАО «Силовые машины - ЛМЗ», в ряде научных и учебных организаций России: Институте гидродинамики (диагностика вихрей и внутренних волн), в лабораториях Института теплофизики СО РАН (тепломассообмен, безопасность атомной энергетики, нанотехнологии), Пермском государственном университете (исследования конвекции), Пермском государственном техническом университете, Томском государственном университете, Исследовательском центре проблем энергетики КазНЦ РАН и Казанском государственном техническом университете им А.Н. Туполева, Новосибирском государственном университете. Крупным практическим результатом явилось оснащение Государственного специального эталона единицы скорости воздушного потока ГЭТ 150-85 новейшим лазерным измерительным комплексом «ЛАД-015» (Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева, г. Санкт- Петербург).
Практическая ценность представленных результатов подтверждается успешным применением разработанных устройств, методов и подходов в конкретных работах, а так же в российских и международных проектах. Измерители скорости лазерные доплеровские ЛАД-0** утверждены типом средств измерений и внесены в Государственный реестр средств измерений за номером 46694-11 (Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) от 21 апреля 2011 г. № 1872 "Об утверждении типов средств измерений", п. № 25).
Разработанная автором диссертации методика комплексной оптико-лазерной диагностики нестационарных вихревых течений позволила выработать единый подход в экспериментальном изучении развития неустойчивости вихревого течения жидкости, а также получить в физическом эксперименте не только качественные, но и количественные данные о пространственной структуре и характеристиках распада вихря.
Данная работа связана с научной тематикой ИТ СО РАН, в том числе, с исследованиями, проводимыми в рамках Федеральных целевых программ, ряда проектов РФФИ, а также, в соответствии с Соглашением от 2005 г. и Исполнительным протоколом объединенной программы исследований на период 2011-2013, между Лабораторией проблем тепломассопереноса Института теплофизики Сибирского Отделения Российской Академии Наук (ИТ СО РАН) и Секцией механики жидкости Института механики, энергетики и конструирования (МЭК) Датского технического университета (ДТУ), согласовывающего пункты объединенной программы исследований вихревых структур и аэродинамики ротора для ветро- и гидроэнергетики.
Личный вклад автора. Основные научные результаты, включенные в диссертацию и выносимые автором на защиту, получены соискателем самостоятельно. Постановка задач исследования и научная проблематика разрабатывалась диссертантом как единолично, так и при участии д.т.н. В.Г. Меледина и д.ф.-м.н. В.Л.Окулова, что обеспечило комплексный подход к изучению темы. В опубликованных совместных работах лично автором: 1) выполнены все экспериментальные исследования, отраженные в диссертации, получены экспериментальные данные, проведена обработка и анализ результатов исследований; 2) разработаны функциональные модули и интерфейсы лазерных доплеровских измерительных систем, предназначенных для измерения скорости нестационарного движения вихревых потоков; 3) разработана и апробирована методика оптико-лазерной диагностики нестационарных вихревых течений на основе комплексного использования Л ДА и PIV измерительных технологий.
Разработка измерительных систем на стадиях НИОКР, апробация и их практическая реализация выполнялась сотрудниками научного коллектива под руководством и при непосредственном участии автора. Соискатель являлся ответственным исполнителем исследовательских проектов по тематике диссертационной работы.
Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.
Основные положения, выносимые на защиту:
разработанная методика экспериментальных исследований динамики винтовых вихревых структур оптико-лазерными методами на основе высокого пространственного и временного разрешения (ЛДА) и мгновенного полного поля скорости (PIV);
разработка устройств бесконтактной оптико-лазерной диагностики в гидродинамическом эксперименте и их практическая реализация в измерительных комплексах;
- результаты экспериментальных исследований структуры локализованных в
пространстве нестационарных интенсивно закрученных течений, а также
развития трехмерной неустойчивости в различных конфигурациях замкнутого потока жидкости;
- результаты экспериментального исследования механизмов распада
вихревой структуры и факторов влияющих на формирование различных форм
распада;
- результаты экспериментального исследования развития неустойчивости и
методов управления областью разрушения вихревых следов при вариации
параметров течения.
Достоверность результатов обеспечивается использованием в работе универсальных и отработанных методов и устройств экспериментальной бесконтактной диагностики, таких, как ЛДА, PIV, скоростная визуализация. Детальным анализом характеристик используемых установок и устройств, задающих параметры течения, данными тестовых экспериментов, повторяемостью и согласованностью результатов измерений, проведенных в разное время, на различных гидродинамических установках и разными методами. Результаты тестовых экспериментов согласуются с опубликованными данными о характеристиках подобных течений, а также с опубликованными результатами аналитических исследований и численным расчетом исследуемых конфигураций и режимов вихревых течений.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и представлялись на: 4-10 международных научно-технических конференциях «Оптические методы исследования потоков» (Москва, Россия, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 и 2009), Международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Новосибирск, Россия, 1998 и 2000), 5, 6, 7 и 8 Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики» (Новосибирск, Россия, 1998, 2000, 2002 и 2004), XXXI международной школе-конференции "Advanced Problems in Mechanics" (Санкт-Петербург, Россия, 2003), 8-th International Conference on «Laser Anemometry Advances and Application» (Roma, Italy, 1999), 9-th (Millennium) International Symposium on Flow Visualization (Edinburgh, UK, 2000), 5th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (Soloniki, Greece, 2001), 447th EUROMECH Colloquium on Interaction Phenomena in Turbulent Particle-Laden Flows (Tallinn, Estonia, 2003), 448 EUROMECH Colloquium "Vortex dynamics and field interactions" (Paris, France, 2004), 2, 3, 5, 7, 9 и 11 Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт-Петербург, Россия, 2006, 2008, 2009, 2010, 2011), International conference "HYDRO-2006 Maximizing the benefits of Hydropower" (Porto Carras, Greece, 2006), 2 International Symposium on Instability and Bifurcations in Fluid Dynamics (DTU, Copenhagen, Denmark, 2006), IUTAM Symposium "Hamiltonian dynamics vortex structures turbulence"
(Moscow, Russia, 2006), III международной конференции «Тепломассообмен и
гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, Россия, 2008), ШТАМ
Symposium "150 Years of Vortex Dynamics" (DTU, Copenhagen, Denmark, 2008), 7,
8 и 9 Европейских конференциях по механике жидкости (Manchester, UK, 2008;
Munchen, Germany, 2010; Rome, Italy, 2012), VII Международной конференции
«Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике» (Новосибирск,
Россия, 2010), 8 International Symposium On Particle Image Velocimetry
(Melbourne, Australia, 2009), Wake conference (Visby, Sweden, 2011),
Международной конференции "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность", «Не-За-Те-Ги-Ус» - 2012, (Звенигород, Россия, 2012), Conference The Science of Making Torque from Wind 2012 (Oldenburg, Germany, 2012), X международной конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Алушта, Украина, 2012), а также на научных семинарах ИТ СО РАН.
Цикл работ «Многоспиральные распады вихря» был отмечен Премией имени академика Г.И. Петрова Российского Национального комитета по теоретической и прикладной механике РАН (2012), а картина мультиспирального распада вихря как наиболее существенный физический результат была представлена на обложке Journal of Fluid Mechanics (V. 683, 2011). Работа по созданию и применению лазерных доплеровских измерителей скорости (ЛДИС) в качестве экспериментальной измерительной базы стала победителем VII Конкурса русских инноваций в номинации «Лучший промышленный проект» (2008), практические результаты работы отмечены золотой медалью "Innovations for investments to the future" Американо-Российского делового союза (ARBU, 2009), золотой медалью VII Московского международного салона инноваций и инвестиций (2007), Дипломом победителя в номинации "Научное и технологическое оборудование" конкурса "Научный прибор -2011", проводимого в рамках 5-ой Международной специализированной выставки "SIMEXPO - Научное приборостроение - 2011", и т.д.
Публикации. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы более чем в 80 научных работах, в том числе в 23 работах из перечня ВАК, среди которых 20 статей в ведущих научных журналах. Подано 5 заявок на патент, получены положительные решения о выдаче патентов на изобретения и полезные модели.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 313 с, включая 132 рисунка и 11 таблиц. Список литературы содержит 209 источников.
