Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование турбулентного течения околоцилиндрического тела на плоской поверхности 23
1.1. Состояние вопроса об обтекании препятствий на плоской поверхности.23
1.2. Численное моделирование — .27
1.2.1. Основные уравнения 27
1.2.2. Выбор модели турбулентности и граничных условий 29
1.3. Физическое моделирование 30
1.3.1. Модели и экспериментальное оборудование 30
1.3.2. Методы визуализации и измерения полей скоростей 33
1.4. Влияние глубины погружения двумерного препятствия в турбулентный пограничный слой 35
1.5. Трансформация обтекания двумерного препятствия в зависимости от угла скольжения 45
1.6. Обтекание трёхмерного препятствия в зависимости от его удлинения 49
1.7. Выводы по главе 1. 58
Глава 2. Круговой цилиндр в равномерном и градиентном потоках .60
2.1. Состояние вопроса. 60
2.1.1. Особенности обтекания кругового цилиндра равномерным потоком . 61
2.1.2. Круговой цилиндр при обтекании сдвиговым потоком 71
2.2. Влияние удлинения на характер обтекания цилиндра равномерным потоком 74
2.2.1. Картины течения 74
2.2.2. Поле скоростей в ближнем следе 77
2.2.3. Изменение частоты схода вихрей по высоте цилиндра 81
2.3. Моделирование градиентных потоков большой толщины 84
2.3.1. Состояние вопроса 84
2.3.2. Критерии подобия 89
2.3.3. Аэродинамические трубы 93
2.3.4. Устройства для моделирования градиентных потоков 96
2.4. Влияние градиента скорости на аэродинамические характеристики и частоту схода вихрей 108
2.4.1. Модельные исследования 108
2.4.2. Результаты натурных наблюдений 111
2.5. Выводы по главе 2 114
Глава 3. Круговой цилиндр в усложнённых граничных условиях 115
3.1. Взаимодействие поперечно обтекаемого цилиндра с экраном 115
3.1.1. Обзор исследований 115
3.1.2. Аэродинамические силы 119
3.1.3. Распределение давления 126
3.2. Влияние надстроек на поверхности цилиндра на его аэродинамические характеристики 143
3.2.1. История вопроса 143
3.2.2. Постановка задачи и методика исследований 146
3.2.3. Распределение давления на поверхности 150
3.2.4. Характер изменения аэродинамических сил 155
3.3. Воздействие акустического поля на характер обтекания цилиндра 157
3.3.1. Обзор исследований и постановка задачи 157
3.3.2. Трансформация течения в ближнем следе при наложении звука.. 162
3.3.3. Влияние звука на структуру течения в области торца 169
3.4. Выводы по главе 3 176
Глава 4. Обтекание двух консольных цилиндров в условиях равномерного и градиентного потоков .179
4.1. Обзор интерференции цилиндрических тел и постановка задачи . 179
4.1.1. Тандемное расположение (/3=0). 180
4.1.2. Расположение цилиндров рядом (/=90). .182
4.1.3. Цилиндры под углом выноса (0
4.1.4. Взаимовлияние двух консольных цилиндров 184
4.2. Пара консольных цилиндрических тел в условиях равномерного потока при акустическом воздействии и без него 187
4.2.1. Последовательное расположение... 188
4.2.2. Параллельное расположение 196
4.2.3. Цилиндры под углом выноса 205
4.3. Взаимодействие двух консольных цилиндров в условиях потока с
вертикальным градиентом скорости 211
4.3.1. Картины течения 212
4.3.2. Характеристики поля скоростей ближнего следа 216
4.4. Выводы по главе 4 .223
Глава 5. Внешняя и внутренняя аэродинамика перспективных форм оболочек башенных градирен .225
5.1. Обзор исследований аэродинамики башенных градирен 225
5.2. Трехсекционная башенная градирня 230
5.2.1. Методика исследований внешней аэродинамики .232
5.2.2. Картины пристенных течений и распределение давления по поверхности. ... 240
5.2.3. Аэродинамические силы и характеристики ближнего следа 255
5.2.4. Влияние шероховатости в виде меридиональных рёбер 261
5.2.5. Взаимовлияние двух трехсекционных градирен 266
5.2.6. Методика исследований внутренней аэродинамики 280
5.2.7. Структура течения внутри оболочки 286
5.3. Гибридная башенная градирня. 299
5.3.1. Модель и методика исследований 301
5.3.2. Распределение давления по поверхности 302
5.3.3. Формы факела градирни 310
5.4. Выводы по главе 5 312
Глава 6. Аэродинамические исследования комбинированного высотного сооружения (башенная градирня - дымовая труба) 316
6.1. Физические предпосылки и постановка задачи 316
6.2. Методика физического моделирования работы КВС 319
6.2.1. Критерии подобия 319
6.2.2. Аэродинамическая модель 324
6.2.3. Экспериментальное оборудование .327
6.2.4. Методика термоанемометрических измерений и расчета полей концентраций примеси 330
6.3. Характеристики полей температур и скоростей внутри оболочки КВС ш при отсутствии ветрового потока 336
6.4. Закономерности течения внутри сооружения и в факеле при наличии ветрового потока 341
6.5. Распределение концентраций примеси, вносимой «дымовой» трубой внутри объема КВС и в факеле .348
6.6. Выводы по главе 6 354
Заключение 355
Литература
- Выбор модели турбулентности и граничных условий
- Влияние удлинения на характер обтекания цилиндра равномерным потоком
- Влияние надстроек на поверхности цилиндра на его аэродинамические характеристики
- Пара консольных цилиндрических тел в условиях равномерного потока при акустическом воздействии и без него
Введение к работе
Актуальность темы. В связи с ростом общего объема промышленного строительства в различных регионах страны возрастают требования к надежности работы тех конструкций и сооружений, которые подвергаются воздействию воздушных потоков. Кроме того в энергетике и различных областях техники широко используются устройства, нагревательные поверхности которых состоят из труб. В этом случае важно найти для этих устройств способы увеличения интенсификации теплообмена. Эти проблемы тесно связаны с изучением отрывного обтекания тел в различных условиях. Обычно конструкции и сооружения имеют конечную длину, плохообтекаемую форму, чаще всего призматическую или цилиндрическую, что затрудняет описание возникающего при этом пространственного течения численными или аналитическими методами. К тому же реальные тела могут находиться в условиях взаимного влияния, вблизи стенки или закреплены на ней одним концом, при высокой или низкой степени турбулентности набегающего потока, при наличии или отсутствии вертикального градиента скорости. Взаимодействие ветрового потока с наземными сооружениями и их элементами в натурных и модельных условиях изучалось многими авторами как у нас в стране (Барнштейн М.Ф., Савицкий Г.А., Серебровский Ф.Л., Федяевский К.К., Беспрозванная И.М., Фомин Г.М., Казакевич М.И., Горлин СМ., Рэттер Э.И., Худяков Г.Е., Некрасов И.В. и др.), так и за рубежом (Davenport A.G., Counihan J., Jensen M., Niemann H.-J., Roshko A., Parkinson G., Cermak J. E., Scorer R.S., Zdravkovich M.M. и др.). Пространственный характер обтекания, множественность режимов являются основными причинами недостаточной изученности этой проблемы. Поэтому необходимо дальнейшее теоретическое и экспериментальное' изучение влияния указанных параметров на закономерности распределения давления, вихреобраэования в следе за плохообтекаемыми телами, в первую очередь наиболее простой цилиндрической формы.
В то же время в промышленном строительстве все больше внимания уделяется новым сложным формам сооружений, аэродинамика которых неизвестна. Так, например, в связи с возрастанием мощности современных промышленных предприятий, в первую очередь, энергоблоков тепловых и атомных электростанций, актуальной становится задача увеличения единичной производительности башенных градирен, используемых в оборотных системах технического водоснабжения. Для традиционных форм башенных градирен (гиперболоид вращения) повышение производительности достигается главным образом за счет увеличения геометрических размеров башни. Однако с ростом размеров снижается устойчивость башни при ветровых и сейсмических нагрузках, увеличивается неблагоприятное воздействие ветра на работу градирни. Увеличение производительности башенных градирен без существенного увеличения их высоты может быть достигнуто, в частности, созданием новых форм оболочек, что подтверждается отечественным и зарубежным опытом. На стадии проектирования отсутствие теоретических моделей, позволяющих рассчитать ветровую нагрузку на градирни сложной формы оболочек и тепломассообмен внутри их при наличии и отсутствии ветрового потока, требует физического моделирования этих явлений. В этой связи становится актуальной задача моделирования приземного пограничного слоя заданной структуры и толщины, потока паровоздушной смеси внутри оболочки, определения условий корректного перехода от модельных результатов к натурным.
Наряду с этим, ухудшающаяся экологическая обстановка в районах расположения ТЭС, связанная с выбросами дымовых газов, заставляет все больше внимания уделять созданию нетрадиционных технологий удаления продуктов сгорания органического топлива, например, через комбинированное высотное сооружение (градирня - дымовая труба). Новое техническое решение требует теоретического и экспериментального обоснования своих преимуществ. Необходимо возможно полное представление о зависимости технологического процесса в градирне от различных факторов, одним из которых является скорость ветра. Для
решения этой задачи актуально проведение спеціш м^ф^аб^щщнь^-^сэд^ораний.
С.Петербур
*2g
Цель работы заключалась:
в экспериментальном установлении связи структуры турбулентного течения в окрестности двумерного препятствия и глубины его погружения в набегающий турбулентный пограничный слой, структуры турбулентного течения около трехмерного препятствия и его удлинения, позволяющие предсказать и оптимизировать внешнее обтекание тел, в том числе и башенных градирен;
в исследовании и обобщении результатов обтекания одного и двух круговых цилиндров при усложнённых граничных условиях. Получение новой экспериментальной информации об обтекании бесконечно длинных и консольно закреплённых цилиндров различного удлинения в дозвуковом равномерном и сдвиговом потоках при наложении акустического поля и без него, гладких и с надстройками, расположенных вертикально к плоской поверхности и горизонтально к ней с малым зазором. Распространение полученных результатов на создание новых конструкционных решений теплообменных устройств и способов повышения их эффективности;
в установлении физической картины, особенностей внешнего обтекания и характера течений внутри оболочек новых форм башенных градирен и комбинированного высотного сооружения, использующихся в системах оборотного технического водоснабжения ТЭС и АЭС, выбрав и разработав соответствующий метод моделирования и измерительный комплекс. Непосредственное использование результатов исследований для определения рациональной формы оболочки башенных градирен, разработке рекомендаций по их расположению на промплощадке и для эффективного удаления дымовых газов ТЭС.
Методика исследований. Приведенные в работе экспериментальные данные были получены на аэродинамических трубах Т-324 Института теоретической и прикладной механики СО РАН, 3-АТ-17,5/3 Сибирского НИИ энергетики (в настоящее время научно-исследовательской и проектно-строительной фирмы УНИКОН), Т-503 Новосибирского государственного технического университета. В процессе исследований применялись разнообразные методы и средства диагностики течения: визуализационные (шелковинки, саже-масляная пленка, дымовое трассирование), пневмометрические, весовые и термоанемометрические.
Научная новизна работы представлена
методикой моделирования характеристик приземного пограничного слоя для разных типов подстилающей поверхности в дозвуковых аэродинамических трубах с короткой и длинной рабочей частью;
расчетными и экспериментальными результатами о влиянии на характер обтекания призматического тела расположенного на плоской поверхности глубины его погружения в набегающий турбулентный пограничный слой, угла скольжения и удлинения;
экспериментальными результатами, полученными в малоисследованной области верхнего торца одного и двух круговых цилиндров, данными о взаимодействии поперечно обтекаемого цилиндра с близко расположенной плоской поверхностью;
обнаружением и трактовкой новых явлений, связанных с наложением акустического поля на вихревую структуру потока за одним и двумя цилиндрами различного удлинения при наличии и отсутствии угла скольжения;
впервые полученными аэродинамическими характеристиками новых форм башенных градирен как изолированных, так и находящихся во взаимодействии с другой такой же башней;
впервые полученными экспериментальными данными о характере вихревого движения
внутри комбинированного высотного сооружения (башенная градирня - дымовая труба) и
характеристиках факела.
Практическая значимость работы
результаты работы по обтеканию консольных круговых цилиндров в условиях однородного и градиентного потоков и по определению аэродинамических характеристик кругового цилиндра вблизи плоской поверхности использованы при разработке новой редакции Строительных норм и правил (раздел «Нагрузки и воздействия») для уточнения методики расчета ветрового воздействия на башенные конструкции и их элементы;
данные по исследованию аэродинамических характеристик трехсекционных башенных градирен и аэродинамике комбинированного высотного сооружения использованы в проектных организациях при разработке ресурсосберегающей технологии эксплуатации градирен в оборотных системах технического водоснабжения;
данные по структуре течения около призматических тел на плоской поверхности могут использоваться для управления отрывом потока на обтекаемых поверхностях, в частности, на башенных градирнях и для проверки существующих и разработки новых методов расчета сложных отрывных течений;
обнаруженные при обтекании цилиндров эффекты изменения структуры вихревого следа под влиянием акустических возмущений могут использоваться для повышения эффективности теплообменного оборудования ТЭС и АЭС путем интенсификации процессов теплообмена.
Достоверность результатов обоснована использованием в работе универсальных и отработанных методов исследований, проведением тестовых опытов, анализом систематических и случайных погрешностей измерений. Проведено сопоставление результатов, полученных численными методами, с помощью различных экспериментальных методов исследований в условиях различных установок, и показано их взаимное соответствие. Результаты работы согласуются с опубликованными теоретическими и экспериментальными данными о характеристиках подобных течений и с результатами исследований явлений, аналогичных изучаемых в данной работе. Данные, полученные в различных разделах работы, дополняют друг друга и дают целостную, физически непротиворечивую картину изучаемых явлений.
Автор защищает:
результаты экспериментальных исследований структуры течения в окрестности препятствия квадратного сечения, расположенного на плоской поверхности в широком диапазоне варьируемых параметров;
результаты экспериментальных исследований аэродинамических характеристик и структуры потока в ближнем следе за поперечно обтекаемым круговым цилиндром в широком диапазоне условий обтекания: вблизи экрана, при наличии продольных надстроек на поверхности, при наложении акустическою поля, при наличии вертикального градиента скорости;
полученные экспериментальные данные о взаимодействии двух консольных цилиндров в условиях равномерного и градиентного потоков, при акустическом воздействии и без него;
методику физического моделирования и диагностики работы башенных градирен в условиях штиля и ветрового потока;
результаты модельных экспериментальных исследований внешней и внутренней аэродинамики новых форм оболочек башенных градирен (трехсекционной и гибридной) в широком диапазоне варьируемых параметров;
результаты модельных экспериментальных исследований течения внутри оболочки и в факеле комбинированного высотного сооружения (гиперболическая башенная градирня -дымовая труба).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 2-й Европейской конференции по турбулентности (Берлин, Германия, 1988), Всесоюзной школе «Совершенствование проектирования и строительства градирен» (Москва, Россия, 1988 ), Симпозиуме ШТАМ по отрывным течениям и струям (Новосибирск, Россия, 1990), 7-м Международном симпозиуме МАГИ по градирням и брызгальным бассейнам (Ленинград, Россия, 1990), Всесоюзном совещании «Основные направления совершенствования исследований и проектирования энергетических объектов ТЭС и АЭС» (Нарва, Эстония, 1991), 1-st International Conference on Experimental Fluid Mechanics (Chengdu, China, 1991), Школе-семинаре ЦАГИ «Механика жидкости и газа» (Москва, Россия, 1991), Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, Россия, 1994), 1-st European Conference on Wind Engineering (Warsaw, Poland, 1994), 2nd East European Conference on Wind Engineering (Prague, Czech Republic, 1998), Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, Россия, 1998), 4-м Всероссийском научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, Россия, 1998), 7-й Международной конференции «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск, Россия, 2000), 8-м Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (г. Пермь, Россия, 2001), 6-th Asian Symposium on Visualization (Pusan, Korea, 2001), Joint Symposium between Sister Universities in Mechanical Engineering (Yeungnam University, Korea 2002), 3"1 East European Conference on Wind Engineering (Kiev, Ukraine, 2002), а также на семинарах в научно-исследовательских институтах: НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, 06.06.1988 н 31.01.2003; Институте гидромеханики АН УССР, г. Киев, 02.06.1988; Сумском филиале Харьковского политехнического института, г. Сумы, 24 05.1988; Институте физико-технических проблем энергетики АН Литовской ССР, г. Каунас, 30.05.1988; Институте теоретической и прикладной механики СО РАН, г. Новосибирск, 25.01.2002 и 25.04.2003; Институте теплофизики СО РАН, г. Новосибирск, 15.01.2003; Санкт-Петербургском государственном университете, г. Санкт-Петербург, 05.02.2003; НИИ гидротехники им. Б.Е. Веденеева, г. Санкт-Петербург, 06.02.2003; Новосибирском государственном техническом университете, г. Новосибирск, 25.02.2003.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 печатных работ. Основные результаты содержатся в работах [1-34].
Личный вклад диссертанта в работы, выполненные в соавторстве, заключается в его непосредственном участии в исследованиях на всех стадиях их проведения, обработке и оформлении полученных данных. Диссертанту принадлежит: развитие метода моделирования приземного пограничного слоя в аэродинамических трубах с короткой рабочей частью [10,26-27], постановка и личное проведение экспериментов по определению аэродинамических характеристик одной и двух трехсекционных башенных градирен [1-3, 9, 12, 16, 18-20], гибридной градирни и комбинированного высотного сооружения [17, 24-25], определение аэродинамических коэффициентов, установление картин обтекания, физическое объяснение механизмов явлений, наблюдаемых при обтекании цилиндрических тел в усложненных граничных условиях [4-9, 11, 13-15, 21-23], экспериментальное определение характера течения около призматического тела на плоской поверхности [28-34]. Диссертанту принадлежит написание большинства работ, выполненных в соавторстве, за исключением [11, 14]. В работах [II, 31, 34] диссертанту принадлежат результаты экспериментальных исследований. Представление совместных результатов согласовано с соавторами.
Основными соавторами работ Ларичкина В.В. являются: д.ф.-м.н. Козлов ВВ., д.ф.-м.н. Качанов Ю.С, д.ф.-м.н. Бардаханов СП., д.т.н. Коваленко В.М., к.т.н. Бычков Н.М., к ф.-м.н. Яковенко С.Н., н.с. Щербаков В.А., инж. Березин М.М.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 365 наименований и приложения. Изложена на 390 страницах, включая 177 иллюстраций. В конце каждой главы сформулированы основные результаты. В приложении представлены копии актов внедрения результатов, подтверждающих практическую ценность работы.
Выбор модели турбулентности и граничных условий
Данные на входной границе (вверх по потоку) задавались различными способами: {а) - из описанных ниже экспериментов, (б) - из экспериментов [Корнилов В.И. и др., 1987], (в) - из отдельного расчета развитого турбулентного пограничного слоя на плоской пластине (без препятствий), имеющего заданную толщину (см., например, [Курбацкий А.Ф. и др., 1999]. Экспериментальные профили скорости и продольной интенсивности турбулентности, полученные в подробных измерениях пограничного слоя на плоской пластине в работе [Корнилов В.Й. и др., 1987], аппроксимировались аналитическими функциями
На выходной границе вниз по потоку задавались нулевые производные по нормали к границе для всех искомых величин, что соответствует области течения, где влияние препятствия уже не сказывается или сказывается слабо. На верхней границе течения также задавались нулевые градиенты по нормали к ней и нулевая вертикальная скорость. Такая постановка соответствует пренебрежимо малому влиянию препятствия на верхней границе, расположенной в области свободного невозмущенного потока вдали от стенок аэродинамической трубы.
Подробности численного алгоритма реализации приведенной к - є модели турбулентности, использующего релаксацию по времени для рассматриваемой стационарной задачи, даны в работе [Курбацкий А.Ф. и др., 1996]. Численное решение определяющей системы уравнений .(1.1)...(1.5) с граничными условиями, сформулированными выше, выполнено для условий ниже описанного эксперимента при различном отношении h/S - высоты препятствия к толщине набегающего пограничного слоя перед препятствием.
Численный алгоритм реализации приведенной к - є модели турбулентности, использующего релаксацию по времени для рассматриваемой стационарной задачи разработан С.Н. Яковенко. Для каждого случая постоянного h/S проведена серия расчетов на неравномерных сетках, сгущенных у препятствия и отличающихся друг от друга минимальным интервалом
Расчеты показывают (см. также [Курбацкий А.Ф. и Яковенко С.Н., 1996, 1999]), что погрешности вычислений уменьшаются при последовательном удвоении узлов разностной сетки и локализуются на верхней грани препятствия.
С целью изучения внутренней структуры турбулизированного потока, формирующегося в окрестности двумерного препятствия и верификации результатов исследования на основе предложенной математической модели, в работе была проведена серия экспериментов в условиях невозмущённого потока с минимально возможной степенью турбулентности при частичном и полном погружении препятствия в развитый турбулентный пограничный слой. 1.3.1. Модели и экспериментальное оборудование
Эксперименты проводились в малотурбулентной дозвуковой аэродинамической трубе Т-324 Института теоретической и прикладной механики СО РАН с закрытой рабочей частью, квадратного сечения размерами 1x1 м со срезанными углами, длиной 4 м (рис. 1.2).
Диапазон скоростей потока трубы составляет от 2 до 60 м/с. Характеристики течения в рабочей части [Поляков Н.Ф., 1973]: неравномерность полей скоростного напора в ядре потока - ± 0,2%; градиент скорости dU/dx по длине рабочей части не превышает 0,005 м/с на метр; минимальный уровень продольной составляющей степени турбулентности находится в пределах єи — 0,04 -0,08%.
К основным особенностям аэродинамической трубы следует отнести: значительную степень поджатия потока в коллекторе п=17,6; наличие отсека со сменными детурбулизирующими сетками; использование специальных мер по защите основных узлов от вибраций; наличие системы регулирования скорости вращения ротора вентилятора с точностью поддержания заданного числа оборотов. рабочая часть трубы
В качестве моделей препятствий использовались деревянные цилиндры квадратного сечения (40x40; 20x20 и 10x10 мм), располагавшиеся на нижней стенке рабочей части трубы на расстоянии 2,81 м от среза сопла (серия экспериментов №1) или на пластине, установленной горизонтально на расстоянии 0,5 м от верхней стенки (серия экспериментов №2), рис. 1.3. Основная часть опытов проводилась при скоростях невозмущенного потока U0= 44 м/с, что соответствовало числу Рейнольдса на 1 м Re, 3,0-106 и U0=25 м/с (Re, -1,7-106). Степень турбулентности невозмущенного потока составляла w 0,08%. Для реализации развитого турбулентного пограничного слоя на пластине на её передней кромке наклеивался турбулизатор в виде полосы крупнозернистой наждачной бумаги шириной 30 мм. Аналогичный турбулизатор устанавливался сразу же за срезом сопла на нижней стенке рабочей части трубы. Практическая реализация двумерных (бесконечного удлинения) моделей осуществлялась их упором в боковые стенки трубы. Фактически в экспериментах удлинение моделей X=l/h было в пределах от 20 до 80. Коэффициент загромождения потока варьировался в пределах от 1 до 8%. Толщина турбулентного пограничного слоя в месте установки препятствия на плоской поверхности определялась по экспериментальным данным и в отдельных случаях вычислялась по формуле [Шлихтинг Г., J974]
Влияние удлинения на характер обтекания цилиндра равномерным потоком
Для понимания физических процессов, происходящих при обтекании тел потоком жидкости или газа, необходимо, в первую очередь, наблюдать в целом всю картину течения, что обычно достигается визуализацией. При исследовании обтекания консольных цилиндров в работе использовался метод «дымящей» проволочки. Поле течения визуализировалось «дымом», образующимся при испарении масла с поверхности тонкой проволоки 000,068 мм), нагреваемой электрическим током. Основными элементами экспериментального оборудования в этом случае являлись: электронный блок задержки, электромагнитный спуск фотоаппарата и специальная рамка с проволочкой. Подробное описание технического и приборного обеспечения этого метода для условий аэродинамической трубы Т-324 приведено в работе Щовгаль А.В. и др.; 1985]. В наших опытах рамка с проволочкой располагалась в плоскости поперечного сечения модели на расстоянии 180 мм от ее оси вверх по потоку. Различные картины обтекания были получены при перемещении проволочки вдоль образующей цилиндра в разных по высоте консольного цилиндра поперечных сечениях. Целью экспериментов являлось детальное определение структуры течения в области торца; цилиндра в условиях его обтекания равномерным потоком.
Исследование проводилось на модели цилиндра с плоским торцом удлинением Л=#//=3 и диаметром d = 85 мм при скорости набегающего потока (/«,=5 м/с, что соответствует числу Re=2,8-104. Цилиндр жестко крепился на середине боковой стенки рабочей части трубы Т-324 и был удален от ее начала на расстояние 0,785 м (рис. 2.8). Отметим, что достаточно точное положение струек дыма, обеспечивалось предварительным натягиванием находящейся в рамке проволоки, в результате чего сводился к минимуму эффект ее удлинения и провисания при нагревании электрическим током. В работе [Бэтил СМ., Мюллер Т.Дж., 1981] было показано, что если число Рейнольдса, рассчитанное по диаметру проволоки Red 20, то на расстоянии 100 мм вниз по течению, проволока не превышает уровень начальной турбулентности и не вносит в поток каких-либо периодических возмущений. В нашем эксперименте это требование удовлетворялось (Red=20).
На рис. 2.9 представлены примеры картин обтекания консольного цилиндра в разных по размаху сечениях. В сечении, близком к среднему, картина течения подобна картине обтекания цилиндра большого удлинения в докритической области чисел Re (см., например, [Ван-Дайк М., 1984]). Отрыв потока происходит с наветренной части поверхности цилиндра. Линии тока выпуклы (рис. 2.9 а). К сожалению, из-за малого размера оптического стекла не удалось визуализировать область формирования, вихревой дорожки Кармана, существование которой подтверждают термоанемометрические измерения. Картины течения у торца цилиндра (см. рис. 2.9 Ь) дают наглядное представление о переходе ламинарного течения в турбулентное. Важная особенность обтекания торца цилиндра состоит в том, что зона перехода имеет дугообразный контур, имеющий сходство с передней кромкой, что указывает на ее определяющее значение в формировании характера обтекания. Никаких признаков наличия регулярных вихревых структур в этом случае не наблюдается.
Смещение датчика вдоль и поперек потока осуществлялось штатным координатником аэродинамической трубы, при этом абсолютная погрешность определения координаты х была в пределах ±0,5 мм, а координаты у в -пределах ±0,1 мм. Смещение по оси z осуществлялось дискретно при выключенной аэродинамической трубе перемещением державки с датчиком вдоль двух направляющих, закрепленных на штанге. Точность установки датчика находилась в пределах ±0,2 мм от заданной величины.
На рис. 2.11 приведены профили средней скорости и интегральной интенсивности пульсаций скорости в следе за консольным цилиндром удлинением Л=10 для различных расстояний вдоль его высоты.
Из графиков видно, что общим для всех этих расстояний является увеличение ширины следа и абсолютных значений скорости на его оси при удалении сечения от цилиндра. При сравнении профилей скорости на уровне середины цилиндра и вблизи торца (z/#=0,9) можно видеть, что в одинаковых сечениях следа они? имеют сходный характер, однако количественно существенно отличаются (см. рис. 2.11 а), В застойной области за телом всегда абсолютные значения скорости выше для уровня, близкого к торцу, а в области ускорения течения на периферии следа, наоборот, они больше в. среднем; сечении.
Профили пульсаций скорости для всех уровней по высоте цилиндра на расстоянии примерно x/d=\ имеют два характерных максимума, соответствующих сдвиговым слоям пограничного слоя, сходящим с обеих сторон цилиндра. По мере удаления вниз по потоку эти пики сглаживается (см. рис. 2.11 Ь). Концевой эффект проявляется в том, что интенсивность пульсаций скорости в области торца цилиндра на оси следа последовательно убывает от 20% на расстоянии x/d= 1 до 5% на расстоянии x/d=3, в то время как в среднем сечении, на оси следа пульсации остаются высокими, вплоть до измеренного расстояния x/d=3, где и //0 2Г%.
Сравнение профилей U, и в следе за средним і сечением консольного цилиндра удлинением 10 и за средним сечением цилиндра удлинением 16с шайбами на концах показывает, что они имеют один и тот же характер, только вихревые структуры за цилиндром большого удлинения содержат больше распределенной энергии внешнего потока, что находит отражение в,более высоких значениях характеристик скорости (см. рис. 2.11).
Влияние надстроек на поверхности цилиндра на его аэродинамические характеристики
Шероховатость поверхности способствует увеличению обмена импульсом и энергией между пристенной областью и основным потоком. Исследования шероховатых цилиндров в поперечном потоке воздуха [Achenbach Е., 1977] свидетельствуют о существенном увеличении теплоотдачи, особенно в критической области обтекания. Достаточно подробно изучен теплоперенос при обтекании пристенных элементов шероховатости в работах [Мицкевич А.И., 1971; Юдин В.Ф., 1982; Пядишюс А. и др., 1987 и др.]..Авторами установлено, что энергетические показатели пучков оребрённых труб в несколько раз лучше показателей гладкотрубных пучков. Поперечное расположение ребер относительно трубы позволяет максимально развить поверхность теплообмена за счет уменьшения шага ребер и их толщины. Однако коэффициент теплоотдачи поверхности (в расчете на единицу полной поверхности трубы) с ростом коэффициента оребрения падает, так как он определяется не только конвективной теплоотдачей, но и термическим сопротивлением, зависящем от коэффициента теплоотдачи и геометрических размеров ребер. В настоящее время для расчета теплоотдачи и гидравлического сопротивления гладких и оребрённых труб используются экспериментально полученные уравнения подобия в широкой области изменения чисел Re.
В то же время практически нет работ по влиянию отдельной шероховатости на характер обтекания цилиндрических тел. А такие данные нужны, так как они могут позволить найти способы управления в естественных условиях кризисом обтекания или способы предупреждения колебаний конструкций, возбуждаемых ветровым потоком.
Обтекание цилиндров с надстройками различных геометрических форм, в основном призматических, рассмотрено в работах [Hoerner S.F., 1965; Жукау-скас А., 1984; Иделъчик И.Е., 1992; и др.]. Анализ результатов этих исследований показывает существенное влияние надстроек как на распределение давления по поверхности, так и на интегральные аэродинамические характеристики. В работе [Каримуллин И.Г., 1971] теоретически и экспериментально исследовалось влияние на аэродинамические характеристики местоположения одной, двух и трех надстроек, в виде узких длинных полос с полукруглым сечением (г = 0,1К) на поверхности кругового цилиндра при закритических числах Re. Показано, что несимметрично расположенные надстройки, а также надстройка, установленная только с одной стороны цилиндра, приводят к возникновению боковой силы по абсолютному значению соизмеримой с величиной лобового сопротивления. С увеличением чисел Re и М происходит уменьшение коэффициента боковой силы цилиндра с надстройкой, по мнению автора связанное с сокращением зоны возмущения, вызываемой надстройкой. Однако фрагментарное исследование влияния этого параметра не дает полного представления и физического объяснения наблюдаемых в экспериментах эффектов.
Обзор опубликованных работ показал, что изучению влияния одной из самых распространенных и геометрически простых форм надстроек - цилиндрической, уделено не оправдано мало внимания. Для практики важно установление существующих закономерностей при условиях наиболее близким к натурным. Реальные условия обтекания тел обычно характеризуются высокими значениями степени турбулентности набегающего потока и числа Рейнольдса. С точки зрения достижения максимальной эффективности управления аэродинамическими характеристиками цилиндра эти условия могут оказаться в некоторых случаях благоприятными. Постановка задачи и методика исследований
В работе ставилась задача экспериментального исследования влияния дополнительных продольных надстроек в виде круговых цилиндров малого диаметра на распределение ветрового давления по поверхности кругового цилиндра большого диаметра и его аэродинамические характеристики при высоких числах Рейнольдса и начальной степени турбулентности.
Решение задачи находилось путем физического моделирования процесса взаимодействия цилиндра с ветровым потоком в дозвуковой аэродинамической трубе З-АТ-17,5/3 [Хохлов В.А., 1971].
Экспериментальные исследования проводились в открытой рабочей части аэродинамической трубы, где формировался равномерный поток. При этом продольная составляющая степени турбулентности была равной =1,8 %. С целью оценки влияния удлинения исследовались две модели. Модель №1 представляла собой круговой цилиндр диаметром D=370 мм и высотой //=650 мм (удлинение Н/D = 1,75) с внутренним устройством в виде колпака (рис. 3.21). Степень шероховатости обтекаемой поверхности (k/d) была менее
Пара консольных цилиндрических тел в условиях равномерного потока при акустическом воздействии и без него
В последние годы приобретает большую практическую значимость поиск методов воздействия на различные течения, с целью управления их характеристиками. Поскольку течение за цилиндром носит большей частью регулярный характер, то есть основания полагать, что за счет наложения на него пульсирующего поля давлений удастся изменить аэродинамические параметры следа, а значит и аэродинамические характеристики тела.. 3.3.1. Обзор исследований и постановка задачи
Изучение влияния звуковых колебаний на. течение в окрестности обтекаемых дозвуковым потоком тел является предметом многих, теоретических и экспериментальных исследований (см., например, [Гиневский А.С.и др., 1978, 2001; Каравосов Р.К. и др., 1976; Тат C.K.W., 1978]). Кроме научного интереса, эта задача имеет большое практическое значение, так как нахождение способов управления аэродинамическими явлениями может повысить эффективность работы аппаратов и конструкций, взаимодействующих с потоками жидкости или газа. К настоящему времени получены многочисленные данные о чувствительности разнообразных течений к акустическим возмущениям. Для струй, следов, пристеночных течений показано, что при звуковом облучении происходит изменение аэродинамических характеристик [Власов Е.В. и др, 1967; Качанов Ю.С. и др., 1975; Айзин Л.Б. и др., 1979; Довгалъ А.В. и др., 1983; Козлов В.В., 1985; Bardakhanov S.P., 1987]. Эти изменения связаны в первую очередь с преобразованием существующих в указанных течениях когерентных структур -крупномасштабных периодических вихревых образований [Власов Е.В. и др., 1986].
В работе [Bloor S. М., 1964] установлено, что в докритическом режиме обтекания кругового цилиндра большого удлинения при Re 400 ламинарно-турбулентный переход обусловлен гидродинамической неустойчивостью слоя сдвига за отрывом. В результате образуются двумерные возмущения типа волн Толлмина-Шлихтинга с характерной частотой /,. Действие этих волн 157 распространяется на ближний след, в котором одновременно формируется вихревая дорожка Кармана с характерной частотой /,. Зависимость отношения этих частот ft/fs от числа Re представлена на рис. 3.32.
Наличие регулярности в течении за круговым цилиндром дает основания полагать, что путем звукового облучения можно повлиять как на. сами упорядоченные вихревые структуры, так и на их взаимодействие.
Авторы работы [Yamanaka G. et al, 1971], воздействуя на ближний след за цилиндром при Re=l,8-103 звуком с частотой, близкой к ft, наблюдали смещение области действия волн Толлмина-Шлихтинга навстречу набегающему потоку. В то же время при звуковом облучении следа с частотой схода вихрей fs периодические волны в слое смещения вообще не обнаруживались, зато кармановская дорожка вихрей фиксировалась даже на расстоянии x/d = 0,45 , тогда как без звука она проявлялась на расстоянии х# 3,25. Можно предположить, что между механизмом колебаний кармановской дорожки вихрей с частотой fs и наложенным на след за цилиндром звуковым полем с частотой /зв есть связь, в случае, когда f3e- fs, аналогично тому, что наблюдается при звуковом облучении следа за пластиной
[Бардаханов СП. и др., 1987]. Это частично подтверждают экспериментальные исследования работы [Detemple Е., 1987], в которой при Re 200 обнаружен эффект «захвата» частотой внешнего акустического поля частоты сходящих с цилиндра вихрей. Однако в литературе отсутствуют данные наблюдений этого явления при более высоких числах Re.
В работе [Власов Е.В. и др., 1977] при поперечном обтекании цилиндра проводилось исследование акустического поля на течение за рециркуляционной зоной, имеющей длину примерно 3d для рассматриваемого числа Рейнольдса (Re=l,05 104). В этом случае наблюдалось изменение интегральных характеристик при Sh3e=0,033...0,67 и Sh3e=1...3. Первый диапазон соответствует частотам, близким к частоте вихрей в следе, второй, по предположению авторов, - частотам в сдвиговом слое, развивающемся после отрыва потока от цилиндра. В то же время характер влияния акустического поля на течение в области отрыва пограничного слоя;в указанной работе не исследовался. Попытки выяснения обнаруженного эффекта привели к противоречивым результатам; Одни данные подтверждают гипотезу, что изменение структуры следа при наложении звука обусловлено в основном смещением точек отрыва на цилиндре [Rockwell D.O. et al., 1971], другие свидетельствуют в пользу гипотезы о прямом воздействии звука на структуру следа [Власов Е.В. и др., 1977].
В работах [Власов Е.В. и др., 1967; Качанов Ю.С. и др., 1975; Довгаль А.В. и др., 1983; Козлов В.В., 1985; Bardakhanov S.P., 1987] для ламинарных и турбулентных течений показано, что акустические возмущения преобразуются в вихревые. Можно предположить, что аналогичный механизм реализуется при звуковом облучении отрывного течения около поверхности цилиндра при поперечном его обтекании равномерным потоком. До сих пор этот вопрос оставался открытым. Вследствие недостаточного развития нелинейной теории гидродинамической устойчивости и отсутствия рациональной теории турбулентности, теоретическое изучение воздействия звука на следы за плохообтекаемыми телами затруднительно.
