Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор работ предшественников 17
1.1. Аэродинамика ротора и структура вихревого следа 18
1.2. Экспериментальная диагностика закрученных течений 23
1.2.1 Контактные методы 26
1.2.2 Оптико-лазерные методы диагностики 29
1.3. Обледенение и методы его диагностики 38
1.3.1.Прямые методы диагностики обледенения 44
1.3.2. Косвенные методы определения обледенения 49
Выводы по главе 1 55
Глава 2. Применение оптико-лазерных методик для исследования вихревого следа за моделью ротора ветрогенератора 57
2.1. Описание водяного канала и используемого оборудования 58
2.2. Модель ротора ветрогенератора 62
2.3. Описание использованных методик измерения
2.3.1. Визуализация 65
2.3.2. Метод цифровой трассерной визуализации
2.4. Результаты визуализации течения 78
2.5. Реконструкция 3-х компонентного поля скорости и оценка погрешностей измерений 80
2.6. Определение областей ближнего и дальнего следа и сравнение с классическими теориями ротора 91
2.7. Измерения силовых характеристик 96
2.8. Расчет поля завихренности, определение положения вихрей 102
Выводы по главе 2 110
Глава 3. Анализ пульсационных характеристик в следе за ротором 112
3.1. Число Струхаля как безразмерный критерий динамического подобия потоков 113
3.1.1. Описание использованного оборудования 115
3.2. Исследование вихревого следа 116
Выводы по главе 3 123
Глава 4. Развитие оптико-лазерных методов диагностики наледи 124
4.1. Развитие абсорбционного метода диагностики наледи 125
4.2. Развитие оптико-лазерного метода диагностики наледи на основе эффекта полного внутреннего отражения 128
4.2.1 Описание метода 128
4.2.2.Алгоритм обработки изображений 130
2.2.3. Калибровки и экспериментальные результаты 132
4.2.3. Ограничения метода 132
4.2.5.Альтернативный алгоритм обработки изображений 133
4.2.6. Систематическая погрешность при обработке изображений 136
4.2.7. Применение метода для диагностики наледи на лопастях 137
Выводы по главе 4 139
Выводы по работе 140
Список литературы
- Экспериментальная диагностика закрученных течений
- Описание использованных методик измерения
- Описание использованного оборудования
- Развитие оптико-лазерного метода диагностики наледи на основе эффекта полного внутреннего отражения
Экспериментальная диагностика закрученных течений
Измерительные приборы, применяющиеся для измерения сложных турбулентных потоков должны иметь высокое пространственное и временное разрешение. Сейчас особое внимание уделяется разработке современных методов диагностики, позволяющих выполнять синхронные измерения в очень сложных нестационарных и интенсивно закрученных вихревых потоках. Такие потоки возникают позади рабочих колес реальных ветрогенераторов или в вихревых потоках, генерируемых в различных модельных устройствах, широко применяемых в вихревых технологиях.
В качестве экспериментальных моделей этих течений и для отработки новых методик диагностики зачастую используются достаточно простые конструкции. Например, в ИТ СО РАН и Датском техническом университете (ДТУ) для этих целей используется цилиндрический контейнер с вращающимися дисками, которые можно рассматривать как простейшую модель роторов турбины с бесконечным числом лопастей. В исследованиях, выполненных на этих установках, были разработаны методы диагностики нестационарного развития вихревых течений, связанные с распадом одиночного вихря в устойчивую вращающуюся мультиспиральную структуру, подобную структуре концевых вихрей за ротором [29,30]. Эти исследования позволили выработать рекомендации для использования описанных подходов для диагностики винтообразных концевых вихрей в следах за роторами.
Под оптическими подразумеваются методы, основанные на регистрации изменения характеристик собственного или внешнего излучения, или регистрации изменения оптических свойств. При этом широкое использование лазеров для различных измерений обусловлено их высокой монохроматичностью, когерентностью, направленностью излучения, возможностью использования в модулируемом, непрерывном и импульсном режимах [31, 36]. В монографии Дубнищев Ю.Н. и др. [35] обсуждаются методы измерения локальных кинематических параметров и полей скоростей потоков, основанные на селекции доплеровского сдвига частоты в свете, рассеянном исследуемой средой. Гильберт-оптика излагается в контексте задач визуализации и измерения полей фазовой оптической плотности. В свою очередь для оптической диагностики газовых потоков на аэродинамических установках широко используются панорамные оптические измерения, детально представленные в монографии Бойко В.М. и др. [34], когда экспериментальные данные представляются в виде изображений. Для визуализации структуры потока применяются теневые и интерференционные методы, а так же методы лазерного ножа с использованием эффектов рассеяния зондирующего лазерного излучения на присутствующих в потоке светорассеивателях. Интерференционные методы могут использоваться для визуализации и регистрации полей плотности, тепловых потоков и поверхностного трения.
Как правило, оптические методы классифицируются по следующим основным категориям [34]. 1. Методы, основанные на регистрации собственного излучения объекта. Регистрация интенсивности и спектрального распределения характеристического излучения позволяет идентифицировать объект, его форму, плотность, температуру и скорость. 2. Методы, основанные на просвечивании объекта излучением внешнего источника. К недостаткам можно отнести интегральный характер изменения параметров волны, по всему пути зондирующего излучения, что затрудняет применение в трехмерных потоках. 3. Методы, основанные на регистрации излучения молекул газа, возбуждаемого в результате различных внешних воздействий и физико-химических процессов в исследуемой среде. 4. Методы, основанные на регистрации рассеянного в среде лазерного излучения. Являются наиболее универсальными для регистрации кинематических характеристик нестационарных потоков жидкости и газа. Позволяют проводить как локальные, так и панорамные (полевые) измерения в трехмерных потоках с высоким пространственным и временным разрешением. В настоящее время являются самыми универсальными и информативными, однако требуют использования мощных источников лазерного излучения и чувствительных фотоприемников. Следует отметить, что дополнительно к оптическим методам, в гидродинамическом эксперименте, для исследования локальных турбулентных, потоков широко применяются контактная термоанемометрия [37], а так же электродиффузионный метод [38-40]. 1.2.1 Контактные методы Термоанемометрия
Термоанемометрические методы измерения скорости потока основаны на использовании свойства металлического проводника изменять свое сопротивление при изменении температуры. В основе измерительных приборов лежит использование миниатюрного металлического преобразователя (нити), нагреваемой электрическим током и помещаемой в исследуемую точку потока. Интенсивность отвода тепла от нити зависит от скорости жидкости в исследуемой области. Изменение сопротивления нити егистрируется чувствительной мостовой схемой, в одно из плеч которой включен преобразователь. При помощи предварительной калибровки устанавливается прямая зависимость между изменением скорости потока и сопротивлением датчика. Эта схема используется в термоанемометрах постоянного тока.
Существует и другая разновидность термоанемометров, поддерживающих сопротивление датчика постоянным. Это достигается путем подачи через систему с обратной связью переменного тока на датчик для компенсации отвода тепла от последнего. Использование одновременно двух/трех термоанемометрических датчиков позволяет измерять две/три компоненты вектора скорости потока [41].
Ввиду малости чувствительных элементов датчиков их возмущающее действие на поток является незначительным, что позволяет добиться высокой локальности измерений. Кроме того, термоанемометры обладают малой инерционностью и поэтому чувствительны к флуктуациям потока, что позволяет сравнительно точно измерять высокочастотные пульсации скорости (до 500 кГц) [38]. Следует также отметить, что термоанемометрические методы измерений имеют достаточно низкий уровень шума. Существенным источником погрешности при использовании термоанемометрических методов является эффект утечки тепла к державкам датчика, что требует постоянной калибровки датчика.
Описание использованных методик измерения
- Двухкомпонентным лазерным анемометр - Dantec 2-D Fiberflow LDA, выполненным на аргоновом лазере мощностью 2 Вт и коммерческом процессоре для обработки доплеровских сигналов (BSA57N2)
Стенд функционирует следующим образом. Два насоса управляют потоком в канале. Один насос переменной скорости ускоряет поток от нулевой скорости приблизительно до 30 % от максимальной скорости. Помимо возможности управления количеством оборотов насоса, имелась возможность управлять углом наклона его лопаток. Второй насос позволяет дать добавочную мощность, чтобы достигнуть приблизительно 60 % от способности канала, управляя углом наклона лопастей насоса. Максимальная скорость воды в канале составляет 1 м/с.
Подвижная платформа установлена на рельсы сверху канала. Скоростью и положением платформы можно управлять компьютером, установленным около канала. Платформа предназначена для позиционирования модели ротора вдоль и по сечению канала. Регулируемое крепление двигателя удерживает шаговый двигатель. Крепление разработано таким образом, что усилие от шагового двигателя передается на шкив ротора модели через ременную передачу.
Тестовая модель ветрогенератора была специально изготовлена с возможностью визуализации течения. Крепление было смещено на 0,6 м позади крыльчатки ротора, чтобы избежать возмущения потока. Пластина тензометра состоит из алюминиевой пластины длиной 1 см между моделью ротора и регулируемым креплением с 2-мя тензометрами, установленными последовательно. Тензометр используется, чтобы измерить усилие, оказываемое потоком воды на модель ветрогенератора. Усилитель тензодатчиков помещен около канала и связан кабелем с тензометром. Сигнал с усилителя оцифровывается системой сбора данных и отображается на компьютере в режиме реального времени.
Лазер и камеры системы PIV предназначены для высококачественной визуализации в высоком разрешении в одной плоскости рядом с концом лопасти.
Высокоскоростная цветная камера (карманная камера Casio High Speed EXILIM EX-FC100) предназначена для регистрации спиральной структуры концевых вихрей и детального изучения вихрей. Устанавливается и фиксируется на штативе.
Лампы. Для флуоресцентной визуализации использовались два вида ламп. Первая - 500 ваттная галогенная лампа и две лампы, обеспечивающих цвет формата RGB.
Для измерения пульсаций скорости использован 2D лазерный доплеровский анемометр (Dantec 2-D Fiberflow LDA). Анемометр выполнен на аргоновом лазере мощностью 2 Вт и коммерческом процессоре DSP для обработки доплеровских сигналов (BSA57N2). Длины волн лазерного излучения составляли 514.5 нм (зеленый свет) и 488 нм (синий свет). Размер измерительной зоны ЛДА - 0.12x0.12x1.52 мм. Доплеровский сигнал от светорассеивающих частиц обрабатывался сигнальным процессором BSA57N2 и на персональном компьютере.
Для определения оптимального положения ротора в канале, в области, где скорость набегающего потока была близкой к постоянному значению, были проведены тестовые измерения профиля скорости в горизонтальном и вертикальном сечении измерительного участка (рис. 2.2). Значение скорости потока в месте предполагаемого расположения ротора всегда была близка к V = 0,36 м/с и ее колебания в ходе тестовых экспериментов не превышали 3 %. Контроль скорости потока осуществлялся независимым гидрометрическим измерителем скорости ОТТ Z400. Было установлено, что во избежание влияния пограничного слоя на измеряемые характеристики поля течения, исследуемая модель ротора должна размещаться не ближе 0,3 м от дна и вертикальной стенки канала, но при этом и не приближаться к водной поверхности ближе 15 см. Таким образом, оптимальный размер исследуемого диаметра модели ротора не должен превышать 0,4 м.
Описание использованного оборудования
Следует подчеркнуть, что полученные результаты подтверждают многие основные положения существующих теорий ротора. Прежде всего, это относится к простейшей теории Фруда [1], которая для расчетной быстроходности X = 5 оптимального колеса тестируемой ветровой турбины предполагает двойное замедление осевой скорости в дальнем следе по сравнению с его замедлением на турбине. Действительно u/V для Х = 5 (см. рис. 2.16) на турбине (точки) замедляется на 1/3, а в дальнем следе на 2/3, как и предсказывает теория Фруда. Для быстроходности выше оптимальной (X = 6), как и ожидалось, замедление потока на турбине становится более одной трети. Следующим элементом классических теорий является предсказание расширения следа за ветровыми турбинами при оптимальном режиме примерно в 1,22 раза [25]. Действительно, для Х = 5 (рис. 2.12) по мере удаления от турбины радиус концевых вихрей увеличивается практически до нижней горизонтальной границы области наблюдения, приблизительно отстоящей от оси вращения на 1,28 R. Соответствия этих положений будет также показаны далее при анализе поля завихренности.
Важным элементом для теорий ротора с конечным числом лопастей является предположение о постоянстве шага между витками вихревой структуры следа в осевом направлении. Несмотря на отмеченное выше двукратное замедление осевой скорости в следе, осевое расстояние между ядрами двух ближайших концевых вихрей не претерпевает таких значительных изменений, а практически остается постоянным. Данный важный факт для утверждения вихревых теорий ротора с конечным числом лопастей был также отмечен в воздушных измерениях в аэродинамической трубе за моделью ветровой турбины в рамках проекта «MEXICO» [85]. Еще одним важным предположением аналитической модели с постоянной циркуляцией вдоль лопасти, разработанной в рамках концепции оптимального ротора Н.Е. Жуковского [2], было предположение о полном отсутствии тангенциального вращения у концевых вихрей. Результаты данных измерений для оптимального режима (см. w/V для X = 5 на рис. 2.12) этот факт подтверждают.
Еще одно интересное наблюдение данных измерений связано с обнаружением закрутки потока перед пропеллером турбины, которое ранее фиксировалось в визуализациях Рябушинского. В связи с этим следует, наверное, по-новому подойти к оценке возможности использования его оригинальной вихревой модели для ротора, описанной в первом параграфе статьи Н.Е. Жуковского [2]. Последний интересный вывод данных измерений связан с подтверждением модели дальнего следа, предложенной при теоретическом исследовании устойчивости концевых вихрей [5]. В модели дальнего следа внутренняя структура следа была равномерной, предполагалось, что неоднородности, связанные с вихревой пеленой в виде зафиксированных ранее «мостиков» и «языков», сгладятся и нивелируются на расстоянии 3 радиусов от ротора турбины. Действительно, для обоих режимов наблюдается исчезновение указанных структур вниз по потоку за турбиной.
Таким образом, проведенные исследования не только позволили диагностировать мгновенную структуру трехмерного поля скорости в продольном сечении течения за трехлопастным ротором при разных режимах течения, но и позволили подтвердить и обосновать некоторые предположения и гипотезы классических теорий ротора.
Новым фактом, впервые установленным здесь и подтвердившем основной вывод теории Фруда [1] об удвоении индуцированной скорости торможения в дальней следе по сравнению с его значением на роторе, стал расчет коэффициента торможения на рисунке 2.17.
Последним интересным заключением из кинематических измерений потока является четкое наблюдение неустойчивости концевых вихрей (разрушения и отсутствия их ядер) в дальнем следе на участке без его расширения и с постоянным значением коэффициента торможения (около 2/3). Неустойчивость таких винтовых вихрей была неоднократно доказана визуализацией и в численных расчетах, но в данной работе в эксперименте с четким выделением зоны дальнего следа она была установлена впервые.
Для определения производительности ротора и напора, силы, с которой поток давит на ротор, были проведены измерения момента и напора потока на ротор.
Формулы для определения производительности и безразмерного коэффициента напора производились следующим образом. Пусть на ротор набегает поток с постоянной скоростью Vo, как показано на рисунке 2.18. Напор - это сила, сонаправленная с движением потока, возникающая вследствие скачка давления на роторе в результате торможения потока со скорости Vo до скорости Ui.
Развитие оптико-лазерного метода диагностики наледи на основе эффекта полного внутреннего отражения
Для создания поглощающей среды в воду добавлялся перманганат калия. Подкрашенная жидкость поступала из бака через сопло на центр вращающегося с постоянной скоростью диска, формируя трехмерное волновое течение. Пленка освещалась источником света через матовое стекло. Изображение регистрировалось камерой и программно обрабатывалось на компьютере. Использовались два диска с диаметрами 300 мм и 76 мм. В экспериментах со стеклянным диском диаметром 300 мм расход задавался в интервале Q\ = 0,25 -г- 4 мл/с. В качестве жидкости использовалась подкрашенная дистиллированная вода. Скорость вращения wx задавалась в интервале = 0,5-1,2 06/0. В экспериментах с дюралевым диском диаметром 76 мм расход Q2 задавался в интервале 0,25 -г- 25 мл/с. Скорость вращения задавалась в интервале w2 = 0,5 -г- 30 об/мин. Сопло диаметром )=0,5-ь2мм закреплялось над центром каждого диска на высоте Н (0,5 -г- 4 мм).
Схема реализации абсорбционного оптического метода для исследования полной геометрии волновой пленки на поверхности вращающегося диска. На рис. 4.6 представлено поле толщин волновой пленки на поверхности диска диаметром 300 мм. Частота вращения - 1,2 об/с, расход - 3 мл/с, Н—2 мм. Пленка имеет толщину от 0,1 мм на периферии диска до 0,5 мм у центра. На рис. 4.7 показано восстановленное поле толщины пленки на диске диаметром 76 мм при со = 5 об/с, Q = 5 мл/с, Н—2 мм. Полученные абсорбционным оптическим методом поля толщин позволяют визуализировать течение и восстановить его детальную структуру: амплитуду, длину, крутизну и скорость волн. Указанные возможности делают метод удобным для диагностики волновой пленки жидкости на вращающейся поверхности.
Метод основан на явлении полного внутреннего отражения света границей раздела двух сред [105-111]. На твердой светорассеивающей поверхности под толщей наледи создается светящееся пятно (0,1-1мм). В результате преломления света на границе раздела сред лед-воздух и полного внутреннего отражения возникает изображение светового кольца на светорассеивающей поверхности. Оценка геометрических параметров освещенной зоны дает информацию о толщине наледи и ее наклоне в зоне измерения. По главной диагонали эллипса, аппроксимирующего освещенную область, определяется толщина наледи. Эксцентриситет пропорционален тангенсу угла наклона поверхности жидкости.
Эффект полного внутреннего отражения возникает на границе раздела двух сред с разными коэффициентами преломления. Явление преломления лучей на границе раздела сред описывается законом Снелиуса: n1sina1 i2sina2. Ход лучей над светорассеивающей поверхностью представлен на рис. 4.8.
На поверхности сформирован ламбертовский источник света. На границе раздела газ-жидкость, приходящие под углом меньшим предельного угла отражения, лучи света преломляются и выходят из жидкости. Лучи, приходящие под углом, большим предельного угла отражения, отражаются к светорассеивающей поверхности. В результате преломления и отражения на границе раздела возникает изображение, напоминающее кольцо (рис. 4.9). По его геометрическим параметрам толщина пленки жидкости восстанавливается по следующей формуле:
При наличии волн на поверхности жидкости или наледи изображение принимает форму нескольких дуг, расположенных вблизи источника света (рис. 4.10).
Метод позволяет проводить полевые измерения. Для этого на светорассеивающей поверхности формируется множество источников света. Каждый источник света формирует свое изображение кольца, несущего информацию о параметрах наледи в его окрестности. По изображениям вычисляются толщины наледи или пленки жидкости в окрестности источников света, и, далее, производится интерполяция. Метод измерения поля толщин иллюстрирует рис. 4.11. Для получения множества изображений был использован набор полупроводниковых лазеров.
Калибровки и экспериментальные результаты Была проведена калибровка на пластинах льда (гі2—1,35) известной толщины. Установка (рис. 4.16) состоит из лазера, камеры и пластины льда. Лед замораживался на светорассеивающей поверхности. Пучок света лазера формировал изображение в плоскости светорассеивающей поверхности. Изображение фиксировалось камерой и программно обрабатывалось по описанному выше алгоритму. Полученные результаты представлены на рис. 4.17 (ромб - известная толщина, квадрат - измеренная толщина). По оси Y отложена толщина в миллиметрах.
