Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Объекты и методика исследования 29
1.1.Модели кольцевых диффузоров 29
1.2. Измерения параметров потока по тракту кольцевых диффузоров и методика обработки экспериментальных данных, полученных при исследовании структуры течения 30
1.3.Модели конических диффузоров 38
1.4. . Методика проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных при исследовании структуры течения в коническом диффузоре 40
1.5.Визуализация течения при проведении исследований 41
Глава 2. Исследование течения в кольцевых диффузорах 48.
2.1. Исследование структуры течения в кольцевом диффузоре 48
2.1.1.Изучение поля газодинамических параметров во входном сечении диффузора 48
2.1.2.Исследование поля газодинамических параметров по тракту диффузора.51 2.1.3. Исследование полей газодинамических параметров на выходе из диффузора 52
2.2. Исследование структуры потока в кольцевом диффузоре при наличии генераторов вихрей 54
2.2.1 .Выбор формы генераторов вихрей, места установки и количества 54
2.2.2.Влияние генераторов вихрей на газодинамические параметры диффузора 57
2.3.Исследование влияния гладкости перехода от цилиндра к конусу на газодинамические параметры и структуру течения в диффузоре 68
2.3.1 Исследование параметров течения в диффузоре 2 с увеличенным радиусом перехода от цилиндра к конусу 68
2.3.2 Исследование течения в диффузоре 2 с генераторами вихрей в проточной части 70
2.4. Визуализация структуры отрывного течения в кольцевом диффузоре...ЛЪ
2.5. Измерение пульсаций давления 76
2.6. О причинах стабилизации отрывного течения в диффузорах 79
2.7. Изменение скорости потока по тракту диффузоров 81
Глава 3. Исследование структуры потока в конических диффузорах 127
3.1. Исследование структуры потока при различных вариантах равномерного поля скоростей на входе 127
3.1.1 Структура потока в коническом диффузоре при одноконтурном подводе воздуха и равномерном поле скоростей на входе 127
3.1.2.Структура потока в коническом диффузоре при двухконтурном подводе воздуха и равных скоростях в контурах на входе 130
3.2.Исследование структуры потока в диффузоре при неравномерных полях газодинамических параметров различной конфигурации на входе 136
3.2.1.Неравномерность, создаваемая изменением расхода воздуха в контурах 136
3.2.2.О причинах стабилизации течения в диффузоре 142
3.2.3.Неравномерность, создаваемая решеткой лопаток, устанавливаемой перед входом 144
3.3. Изучение течения в диффузоре при наличии генераторов вихрей 149
Выводы к главе 3 151
Выводы 154
Литература
- Измерения параметров потока по тракту кольцевых диффузоров и методика обработки экспериментальных данных, полученных при исследовании структуры течения
- Методика проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных при исследовании структуры течения в коническом диффузоре
- Исследование полей газодинамических параметров на выходе из диффузора
- Структура потока в коническом диффузоре при одноконтурном подводе воздуха и равномерном поле скоростей на входе
Введение к работе
Диффузорные (расширяющиеся) каналы используются для преобразования кинетической энергии потока в энергию давления, которые при плавном переходе от сечения меньшей площади к сечению большей площади обеспечивают минимальные потери давления. Известно, что для получения минимальных потерь полного давления необходимо проектировать диффузорные каналы без отрыва потока с минимально возможным углом раскрытия. Однако на практике требуется сокращение длины диффузоров и увеличение степени расширения потока в них. Увеличение степени расширения может сопровождаться чрезмерным ростом гидравлических потерь вследствие возникающего отрыва потока.
Диффузорные каналы являются часто используемым элементом в проточных частях различных технических устройств. Например, в стационарных компрессорах и в двигателях, используемых в газоперекачивающих станциях, обязательно используются кольцевые диффузоры между компрессорами низкого и высокого давления, между компрессором и камерой сгорания, на выходе из турбины. Диффузорные каналы могут быть и другими элементами различных устройств, например, в системах трубопроводов используются конические диффузоры.
В других технических устройствах (испытательных стендах, энергетических установках) широко применяются конические диффузоры. Имеющийся большой материал по исследованию конических диффузоров и обобщения экспериментальных данных для них, обуславливают необходимость сравнительного анализа тех и других схем. В связи с этим в работе проводится исследование, как кольцевых, так и конических диффузоров. Одним из основных направлений работ по улучшению показателей газоперекачивающей станции является уменьшение потерь энергии в выпускном тракте и кинетической энергии выходящих газов, то есть понижения полного давления газа за последней ступенью турбины. Одним из путей для достижения этой цели является снижение потерь давления при неизменной скорости газов.
Другим направлением работ является повышение эффективности переходных устройств между компрессором и камерой сгорания.
При разных режимах работы устройств, в которых используются диффузорные каналы, происходит изменение параметров, в частности скорости» потока в широком диапазоне.
Для создания выпускных трактов и переходных устройств, допустимых габаритов, отвечающих требованиям транспортировки газа и преобразования его кинетической энергии с наивысшей эффективностью необходимо знать качества диффузорных каналов различных типов. Одной из целей совершенствования диффузорного канала является увеличение степени расширения с параллельным использованием средств, улучшающих его характеристики. Главным средством такого улучшения является воздействие на отрыв пограничного слоя.
Диффузорные каналы должны иметь форму проточной части, обеспечивающую максимальную эффективность, т.е. безотрывное течение в широком диапазоне скорости потока на входе, а также иметь наиболее равномерные поля распределения параметров потока на выходе. Как известно, максимальная эффективность диффузора при одной и той же степени расширения может быть получена в канале с наименьшим значением угла раскрытия. В то же время малый угол раскрытия приводит к увеличению длины канала, т.е. к увеличению материалоемкости и веса конструкции. Кроме того, кольцевые диффузорные каналы, используемые к системе компрессора, как правило, содержат стойки и имеют на входе неравномерный и нестационарный поток, что относится к причинам, приводящим к снижению эффективности диффузорных каналов. Таким образом, при разработке конструкции диффузоров должны учитываться конкретные условия, в которых они используются. Расчеты диффузоров, проводимые по современным методикам, учитывающим вязкость газа, позволяют определять в стационарной постановке задачи положение точки отрыва в кольцевом осесимметричном диффузорном канале, не имеющем на входе окружной и радиальной неоднородности потока. В связи с этим может наблюдаться расхождение рассчетного и реального
положения точки отрыва и, соответственно, эффективности диффузорного канала и величин скорости потока на выходе. В виду ограниченности экспериментальных данных по продувкам кольцевых диффузорных каналов с большими углами раскрытия, а также конических диффузоров в условиях неравномерного сжимаемого нестационарного потока на входе, представляет интерес проведение соответствующих экспериментальных исследований с » целью определения влияния указанных характеристик течения на эффективность диффузоров для возможного их использования при разработке новых методик расчета. Сокращение длины диффузорного канала возможно путем увеличения степени расширения с параллельным использованием управления отрывом пограничного слоя.
Цель работы: выяснение влияния различных факторов на гидравлические качества различных (кольцевых и конических) диффузорных каналов, определение гидравлических характеристик каналов при изменении скорости потока, определение возможности управления отрывом.
Задача работы:
Исследование свойств отрывного течения, возникающего под воздействием градиента давления и воздействие на отрыв одним из известных способов управления.
Отрыв потока - одна из основных и наиболее сложных проблем аэромеханики. Появление отрыва приводит к резким изменениям давления, скорости и температуры потока по сравнению с их значениями в условиях присоединенного течения. Рабочие характеристики гидромашин (насосов, турбин, вентиляторов, компрессоров) и их элементов (диффузоров, каналов, трубопроводов), а также летательных аппаратов и морских судов ( самолетов, ракет, кораблей, подводных лодок и др.) непосредственно зависят от отрыва потока поскольку их оптимальные значения достигаются в условиях, близких к отрыву. При возникновении отрыва требуется большая мощность для компенсации потерь энергии, и могут развиться вредные явления типа помпажа, срыва и т.п., которые приводят к разрушению конструкций. Управляя отрывом,
можно избежать разрушительного воздействия потока воздуха, связанного с отрывом и вихреобразованием.
Отрыв, как правило, приводит к вредным последствиям, вызывая потери энергии, возникновение неустойчивости и т.д.
Известно много работ, посвященных исследованию различных типов течений с присутствующим в них отрывом потока [1-5,7,10-39,41-43,45-48, 51-53, 55-58]. Отрыв потока и характеристики отрывных течений зависят от большого числа параметров. К таким параметрам относятся критерии подобия для течения газа, т.е. числа Рейнольдса - Re и Маха - М , факторы, учитывающие неравномерность скоростей, температур и давлений.[ ]
Отрыв потока возникает при внешнем обтекании различных тел, таких как стойки, крылья, криволинейные поверхности, и т.д. Отрыв возникает также и при внутреннем течении в каналах различной конфигурации, в частности, в каналах с расширяющейся проточной частью. Отрыв от обтекаемой поверхности может возникнуть при наличии определенных факторов, к которым относятся положительный градиент давления и вязкость. Как известно, отрыва можно избежать, профилируя обтекаемые поверхности, обеспечивая, где это возможно, отрицательный или достаточно малый положительный градиент давления в направлении течения.
Наиболее часто встречаются каналы с градиентом давления в проточной части компрессоров. Это межлопаточные каналы рабочих колес и направляющих и спрямляющих аппаратов, а также переходные каналы, имеющие различную конфигурацию проточной части. В компрессорах при проектировании всех обозначенных устройств, стремятся обеспечить безотрывное обтекание образующих поверхностей, что не всегда возможно, так как они должны обеспечивать высокие гидравлические качества в широком диапазоне параметров потока на входе в условиях ограниченной длины проточной части. Это обуславливает возможность возникновения отрыва потока. В связи с этим полезно знать степень влияния различных факторов на гидравлические качества диффузорных каналов, знать структуру отрывного течения, определить возможные способы предотвращения отрыва потока с учетом широкого изменения параметров на входе.
В виду трудностей, возникающих при исследовании пространственного
течения в осесимметричных кольцевых каналах и отсутствии, в связи с этим,
экспериментальных данных, таких как характеристики диффузора в
зависимости от приведенной скорости потока Хвх , а также полей параметров по
высоте канала на выходе, представляет интерес проведение исследований,
направленных на подробное исследование структуры потока в каналах с положительным градиентом давления для определения их характеристик в
широком диапазоне скоростей потока на входе и полей параметров в проходных
сечениях.
Как известно [1,2,3,4,5,6,7,8,9-12], гидравлические характеристики
диффузоров зависят от многих параметров, в частности:
А)от угла расширения проточной части \/;
Б)степени расширения проточной части n=F i;
В)формы поперечного сечения
Г)формы образующей
Д)условий на входе (состояния пограничного слоя, поля скоростей на входе)
Е)режима течения (число Re=wiDi IV)
Ж)сжимаемости потока (число M=Wi/a),
AM а именно: = —=- =f (Re, М, \j/, n, ki, кг, кз),
2g где: % - коэффициент сопротивления диффузора, ДН - общее сопротивление диффузора, у - удельный вес газа wi - скорость основного потока на входе,
Re — критерий подобия Рейнольдса, подсчитанный по гидравлическому диаметру узкого сечения диффузора на входе - Di М - число Маха,
п- степень расширения диффузора і/-угол расширения диффузора
ki - коэффициент , характеризующий состояние пограничного слоя (поля скоростей)
кг - коэффициент, характеризующий форму поперечного сечения диффузора кз — коэффициент, характеризующий форму образующей диффузора, а - скорость распространения звука в потоке, м/с.
Ввиду отсутствия достаточных данных о связи сопротивления диффузоров с перечисленными параметрами, для практических расчетов применяется метод разделения потерь, заключающийся в рассмотрении сопротивления диффузора, состоящим из двух слагаемых: местного сопротивления из-за расширения
ПОТОКа И СОПрОТИВЛенИЯ ТреНИЯ: Полн= 4расш + 4тр
В работах [1, 2] приведена связь коэффициента сопротивления диффузора полн от наиболее часто употребляемого коэффициента потерь полного давления 0=Р вых/Р вх в виде:
вдлн =2(1 - cO/pw2 , который в случае учета сжимаемости можно
, k+l {aJ представить в виде: полн=——- х у .
Зависимости пОЛН =f(X) и a =f(X) представляют собой характеристики
диффузорного канала, в частности, качество сохранения полного давления в
нем при изменении скорости потока на входе.
Гидравлические качества диффузорного канала могут быть оценены также по
Р -Р коэффициенту повышения статического давления в нем г= 2. ,
ри /2
где Рг и Pi значения статического давления на выходе и входе диффузора соответственно. Характеристика диффузора тогда представляется в виде зависимости т)=€(Я).
Как известно, такими зависимостями удобно пользоваться для сравнения различных каналов.
Следует отметить, что, несмотря на значительные достижения в современных методах расчета вязких, турбулентных двумерных и трехмерных течений, экспериментальное определение характеристик диффузоров остается актуальной задачей. Это связано с теми особенностями течений в диффузорах, которые в основном и рассматриваются в настоящей работе.
В реально используемых диффузорах течение сопровождается отрывом потока и воздействие на него, как правило, преследует цель ослабить интенсивность отрыва из-за невозможности его полной ликвидации. В работе будет показано, что при этом в диффузоре, с исходной двумерной конфигурацией (кольцевой, конические диффузоры) образуются трехмерные структуры, появляются как радиальная, так и азимутальная неоднородности потока. Подобные эффекты пока не поддаются математическому моделированию.
Другой проблемой, которая тоже в настоящее время не имеет возможности быть промоделированной на основании численных расчетов, является воздействие на поток в реальном диффузоре генераторов вихрей. Анализу этих эффектов также посвящены эксперименты настоящего исследования.
Кроме того, следует заметить, что, несмотря на усовершенствование расчетных методов, наблюдается расхождение в определении изменения по тракту и по высоте канала на выходе коэффициентов потерь полного давления и коэффициентов повышения статического давления в расчете и эксперименте даже для двумерных течений. Следствием этого несоответствия является расхождение расчетных и экспериментальных распределений по тракту скорости потока и положения точки начала отрыва потока, если в канале имеет место градиент давления.
Переходные каналы между компрессорами низкого и высокого давления, а также между компрессором и камерой сгорания, имеющиеся в системе многорежимного ТРДЦ, должны обеспечивать заданные потери полного давления и неравномерность полей полного давления й скорости на выходе. В связи с этим, представляет интерес экспериментальное определение этих параметров путем продувки таких каналов в широком диапазоне осредненных параметров потока на входе с целью уточнения результатов расчетов. Кроме того, при проектировании укороченных каналов необходимо также знать цену такого изменения, так как в этом случае увеличивается возможность возникновения отрыва потока, как указывалось выше, и для обеспечения приемлемых гидравлических характеристик в этом случае необходимо предусмотреть возможные способы его предотвращения.
Подобрать и оптимизировать способ управления отрывом потока можно пока только экспериментальным путем.
Представляет интерес исследование течения в диффузорах, имеющих большой угол раскрытия, с целью повышения их эффективности путем использования одного из известных способов управления отрывом потока. •
Были ранее известны и в последнее время появились работы [13-43], в которых описаны такого типа явления, когда течение из-за отрыва потока теряет в пристеночной зоне двумерные свойства и становится трехмерным. Основная часть этих работ посвящена описанию различных примеров внешнего обтекания с отрывом и последующим присоединением потока: обтекание вогнутой криволинейной стенки дозвуковым потоком, обтекание тел с передней точкой торможения, течения с замкнутыми отрывными зонами. Во всех перечисленных случаях были обнаружены трехмерные эффекты, характеризующиеся образованием в пристеночной зоне вихрей Тейлора-Гертлера, оси которых параллельны основному потоку, а размеры одного порядка с толщиной пограничного слоя. Аналогичная система периодически расположенных (в пристеночной зоне) вихрей, соизмеримых с толщиной пограничного слоя, была обнаружена авторами работы [43], в которой описаны результаты исследования течения на наружной обечайке камеры смешения эжектора в зоне присоединения потока при нулевом коэффициенте эжекции. Этот эффект является следствием потери устойчивости пограничного слоя при его резком повороте в результате нарушения равновесия между центробежными силами и силами давления.
В книгах П.Чжена [15,16] обобщен опыт теоретического и экспериментального исследования отрывных течений. Описаны физические картины и механизм отрыва потока, возникающего при внешнем обтекании двумерных, осесимметричных и пространственных тел. Также описаны возникновение отрыва и формирующаяся при этом структура потока при течении в плоских, осесимметричных каналах, в диффузорах. Описаны методы расчета отрыва потока в указанных случаях. Однако все описанные теоретические разработки выполнены на основе экспериментальных исследований отрывных течений в упрощенных моделях. В частности,
рассмотрены диффузоры, имеющие квадратные, прямоугольные и круглые поперечные сечения. Исследовались геометрия диффузоров, эффективность, влияние на нее углов раскрытия [15, стр173-192,], формы и геометрии проточной части. Описаны опыты Гибсона [17] по исследованию различных диффузоров, имеющих круговую, квадратную и прямоугольную форму с различным отношением площадей и соответственно углов раскрытия при скорости потока на входе 1.2-8м/с.
Паттерсон [18] на основании данных Гибсона [17], Петерса[46], Ведерникова [19], Вюллерса [20], определил, что при проектировании диффузоров, имеющих, круглое, квадратное или прямоугольное сечение, необходимо соблюдать следующие требования: 1-выбирать угол раскрытия 6-8°,
2-выбирать, по возможности, круглое поперечное сечение, 3-уменыпать толщину пограничного слоя на входе, 4-скруглять угловые точки,
5-при больших углах раскрытия (более50°) использовать дефлекторы или закручивать поток на входе по закону «твердого тела».
Все выводы делались на основе измерений полного давления во входных и выходных сечениях диффузорных каналов прямоугольного и круглого сечения. Структура течения не исследовалась.
Было так же установлено, что при изменении угла от 0 - 45° в упомянутых типах диффузоров можно наблюдать различные режимы течения, а-безотрывное течение при малых углах раскрытия,
б-трехмерный отрыв переходного типа при угле раскрытия 15°, с переходной областью, в которой положение, размеры и интенсивность отрыва изменяются по времени,
в-установившееся двумерное течение при угле раскрытия большем, чем 17° с областью развитого отрыва треугольной формы с возвратным течением, г-отрыв потока от обеих стенок при угле раскрытия больше 30°с образованием струйного течения.
Характеристики диффузора улучшаются при использовании коротких или
длинных направляющих лопаток. Возвратное течение при этом исчезает или
ослабляется, направление основного потока становится более устойчивым и
упорядоченным. По этим исследованиям были сформулированы следующие
условия оптимальности диффузоров:
-Минимум потерь полного давления совпадает с оптимумом эффективности
диффузора. При чем, эффективность диффузора оценивалась коэффициентом
Срі „ л Cpid-Cpi 1 .
ц=—— , который меньше 1, и выражение — — = 1 имеело
Cpid Срі 7]
минимум. Идеальный коэффициент восстановления давления определялся по
F2 формуле - Cpid = 1 —у •
F2
Текущий коэффициент восстановления давления: Cpi = 2 F2 —- ,
который эквивалентен используемому в представляемой работе коэффициенту
Р -Р полезного действия диффузора ц-- —-, где давления Р2 и Pi — значения
ри II
статического давления, осредненные по всей площади каналов на выходе и входе.
По данным Гибсона [17] и Рейда [23] оптимальный конический диффузор возможен при угле раскрытия около 7° и длине, обеспечивающей степень расширения диффузора не более 25.
Следует отметить, что представленные данные получены в результате исследования течения с градиентом давления в сильно упрощенных моделях при скорости течения, имеющей значения, соответствующее коэффициенту приведенной скорости А.=0.03-0.1, т.е. без учета сжимаемости. На практике, диффузоры, используемые в реальных турбинах, компрессорах, вентиляторах, насосах, имеют вид кольцевых каналов сложной формы с криволинейными стенками. Эти каналы располагаются между вращающимися лопаточными колесами, создающими вблизи себя шаговые и радиальные неравномерности
потока, в условиях изменяющегося (в зависимости от режима работы) среднего числа X. Значения А, зависят от расположения такого канала и могут изменяться в диапазоне А=0.3-0.8. Кроме того, возмущения, распространяющиеся от вращающихся роторов, имеют нестационарный характер.
Влияние этих факторов на эффективность диффузорных кольцевых каналов изучено слабо.
Известен ряд работ, посвященных исследованию диффузорных каналов [6,7,9] [2] [3,8], в которых рассмотрены характеристики диффузорных каналов, работающих в условиях реальных скоростей потока на входе и выработаны рекомендации по проектированию таких устройств. В частности, отмечено повышение величины коэффициента сопротивления, на 15-20% для кольцевых диффузорных каналов, установленных за работающей турбомашиной по сравнению со значениями при неработающей турбомашине. Объяснением этого явления может служить изменение структуры потока под воздействием шаговой и радиальной неравномерностей, формирующихся на выходе из турбомашины. Можно предположить, что изменение структуры потока заключается в отличии формы и размеров отрывного течения. Однако структура потока подробно в диффузорных каналах не исследовалась, как не исследовались шаговая, радиальная и окружная неоднородности потока на входе и выходе диффузоров.
Как показывает представленный выше обзор имеющихся публикаций, исследования кольцевых диффузорных каналов не дают достаточного представления для рекомендаций при проектировании, и позволяют производить предварительную приближенную оценку эффективности таких каналов. Кроме того, сложно предсказывать возникновение отрыва потока и форму распределений параметров по высоте канала, таких как скорость потока и коэффициент восстановления полного давления.
Отсутствие достаточного количества экспериментальных данных по исследованию течения в каналах внутреннего течения обусловлено трудностями, возникающими при проведении таких исследований. К числу таких трудностей относится определение осредненных параметров течения в
каналах, визуализация его структуры. Для более точного определения эффективности повышения давления в диффузоре необходимо знать, насколько хорошо в таких каналах выполняются требования осевой симметрии потока. Так как в реальных условиях это требование не всегда соблюдается, то полезно знать какое влияние оказывает окружная и радиальная неравномерности на структуру потока и сопротивление диффузора. Кроме того, может отсутствовать радиальное равновесие течения, поэтому интересно знать, как закрутка потока влияет на эффективность диффузора. Предполагается, что числа Re, определенные по параметрам на входе в диффузорные каналы, используемые в проточной части компрессора имеют значения соответствующие автомодельным течениям и влияние на характеристики диффузоров =f(A ), cr=f(X) может не учитываться, но это предположение также требует проверки. В настоящей работе показано, что в исследованных моделях диффузорных каналов потери на выходе зависят от числа Re, определенного по длине входного канала и скорости потока в нем.
Одним из определяющих параметров течения в диффузоре является величина скорости потока на входе, которая может быть выражена с помощью коэффициента приведенной скорости Хъх . В реальных условиях диффузорные каналы могут работать в широком диапазоне скоростей на входе, поэтому исследования должны проводиться в широком диапазоне его значений, чтобы определить влияние сжимаемости.
В настоящее время нет полных данных о характере неравномерности потока за лопаточными машинами, особенно это относится к нестационарным возмущениям, возникающим на входе и на выходе" лопаточных машин и изменяющимся очень сильно, как по высоте канала, так при изменении ее режима работы по частоте вращения и расходу. Поэтому представляет интерес исследование влияния неравномерностей различного рода на структуру течения в диффузорных каналах.
В зонах отрыва потока образуются вихри, в которых линии тока вблизи стенки направлены к точке отрыва навстречу линиям тока основного потока и потому разделяющая линия тока, отходящая от поверхности в точке отрыва,
является границей между поверхностными линиями тока зоны обратного течения от поверхностных линий тока области безотрывного течения. Геометрическое место точек отрыва потока - линия отрыва потока от стенки.
Известно из теории пограничного слоя, что необходимым условием отрыва трехмерного, вязкого потока, является обращение в нуль в точке отрыва производной составляющей скорости потока, направленной по нормали к линии отрыва от стенки.
Критерий отрыва от стенки может быть записан в виде
duy/dy у=о=0,
где иу - составляющая скорости в направлении, перпендикулярном линии
отрыва, у - направление по нормали к поверхности.
Маскеллом [26] установлено, что в точке отрыва параметр ссо , определяемый
т формулой tgOo = ІШІу- о — ,
где тх и Ту - компоненты поверхностного трения Tw ,
и который характеризует направление линий тока, подходящих к линии отрыва из области безотрывного течения и из зоны отрыва, имеет одинаковые значения, что обусловлено тем, что обе линии тока должны касаться друг друга в плоскости стенки, образуя точку возврата в месте отрыва. Можно сказать, что точки отрыва трехмерного течения расположены в точках возврата поверхностных линий тока и в точке отрыва линии тока должны не только касаться друг друга, но и касаться стенки. Линия отрыва должна быть огибающей разделяющих линий тока. Как показано в работе [15, стр. 198] линия отрыва может быть изогнутой в виде синусоиды, как это было получено для отрыва потока, визуализированного в трубе прямоугольного сечения.
Для определения свойств отрывного течения необходимо проведение опытов по выявлению его структуры, для чего необходимо использовать методы визуализации течения. Визуализация основывается на указанных выше свойствах отрыва. Работ, описывающих структуру трехмерного отрывного течения, и ее экспериментального исследования, по-прежнему мало и в редких случаях задачи об отрыве трехмерного турбулентного течения решаются
теоретически. К таким работам относятся исследования отрывного течения на поверхности крыла, в плоских диффузорных каналах, при обтекании цилиндра на пластине, при обтекании затупленных тел.
Как наблюдали Фокс и Кляйн [24] в разных случаях возникновения отрывного обтекания поверхностей плоских диффузоров с прямолинейными и криволинейными стенками, отрывное течение может иметь разные стадии развития: 1 - быть неустановившемся, когда изменяются размеры отрывной зоны и ее расположение во времени, 2- быть полностью развитым, когда течение становится относительно установившимся с образованием вблизи стенки вихревого циркуляционного течения.
Данных по структуре отрывного течения в каналах кольцевых диффузоров и об изменении его характера при изменении условий на входе не известно. Ответить на вопрос о типе отрывного течения в кольцевых диффузорных каналах можно при использовании методов исследования, предусматривающих визуализацию течения.
Визуализировать структуру отрывного течения в диффузорном канале сложно из-за пространственности течения. Как известно, для визуализации пространственных внутренних течений не подходит известный шлирен-метод, который использовался разными авторами [21,22] для визуализации течения в каналах имеющих прямые стенки и прямоугольное поперечное сечение, так как при искривлении смотрового окна при круглом поперечном сечении невозможны наблюдения с помощью шлирен-метода. Другие методы, основывающиеся на фотографировании картины течения, полученной либо с помощью введения дыма, или при использовании для визуализации пузырьков, визуализации методом газовых струй и с помощью закиси азота или с помощью нитей, не пригодны для кольцевых каналов по указанным выше причинам. Для определения структуры внутреннего течения эффективным может оказаться один из способов визуализации линий тока путем предварительного нанесения на ограничивающие поверхности визуализирующего вещества, обозначающего линии тока и затвердевающего за короткое время. После проведения опыта эти «затвердевшие линии тока» на криволинейной поверхности могут быть сфотографированы и проанализированы.
Таким способом можно получить линию, обозначающую начало отрыва потока, которая представляет собой огибающую линий тока в начальном участке зоны отрывного течения.
Как правило, качественной картины линий тока на поверхности не достаточно. Визуализация с помощью быстро затвердевающих красителей должна сопровождаться измерением физических параметров потока, таких как статическое давление, давление заторможенного потока, измерение динамических характеристик потока. Для получения более подробной картины течения полезно измерять поля указанных параметров по высоте канала и в окружном направлении, что позволяет иметь в результате их осреднения более точные данные по эффективности диффузорного канала. Построение линий постоянства полного и статического давления и на их основании полей скорости потока в отдельных сечениях канала дает дополнительное представление о структуре потока в них и может служить одним из способов визуализации течения.
Известны различные способы сокращения потерь энергии, возникающие вследствие отрыва потока. Они имеют целью либо предупреждение отрыва, либо его ликвидацию в начальной стадии, либо сокращение области отрывного течения. Техника предотвращения и ослабления отрыва одинаковая, различающаяся интенсивностью воздействия. Для предотвращения отрыва потока используются устройства, устраняющие влияние вязкости подводящие энергию к потоку в вязком слое, и без подвода энергии. В свою очередь, предотвращение отрыва потока без подвода энергии —«пассивное» может осуществляться также по-разному. Наиболее хорошо отработаны способы «пассивного» управления отрывом на крыльях. Описаны и проанализированы эти способы в монографии «Управление отрывом потока» П.Чжена [16] .В частности, в разделе 4.5.2 описаны генераторы вихрей, которые применяются для устранения отрыва потока. Проведен анализ работ, посвященных исследованию двумерного турбулентного пограничного слоя на плоской пластине при ее обтекании с градиентом давления. Такие исследования проводили Шубауэр и Спангенберг [48] в специальной аэродинамической
трубе, которая позволяла создавать положительный градиент давления различной величины и исследовать влияние на отрыв пограничного слоя принудительного перемешивания, вызванного генераторами вихрей. Способ управления отрывом с помощью генераторов вихрей осуществляется без подвода энергии. Было исследовано влияние перемешивания на характеристики • пограничного слоя. Производились подробные измерения профилей скорости и распределения давления за различными устройствами, создающими вихри. Измерения производились для определения средних характеристик пограничного слоя: толщины пограничного слоя и толщины потери импульса. Было установлено, что для всех обследованных устройств, таких, как плуг, ковшик, завихритель, сужающийся клин, генератор вихрей, купол, экранированный слив - механизм перемешивания одинаковый. Он состоит в том, что в пограничный слой направляется поток с более высокой скоростью и это сопровождается возникновением продольных вихрей. Продольные вихри примыкают к границе пристеночного слоя и, взаимодействуя друг с другом, способствуют перемещению жидкости с большим количеством движения к стенке, где движется замедленный поток. Происходит перемешивание частиц воздуха с разной скоростью. Этот процесс является непрерывным источником подвода энергии, он мешает естественному замедлению потока и росту толщины пограничного слоя под действием сил трения и положительного градиента давления. Генераторы вихрей в виде прямоугольных лопаток, установленных на стенке и выступающих в основной поток из пограничного слоя на расстояние на 20% превышающее его толщину, были использованы в проточной части дозвукового диффузора воздухозаборника сверхзвукового транспортного самолета. Эти данные приведены в работах [38,16, стр289-301]. Были получены хорошие результаты: при скорости потока на входе в дозвуковую часть диффузора, соответствующей числу М=0.5 степень восстановления полного давления повысилась до 0.986, а степень неравномерности потока снизилась до 0.03 по сравнению с аналогичными параметрами - 0.976 и 0.055, полученными без генераторов вихрей. Использование оптимальной системы генераторов вихрей позволило сократить на 30% длину диффузора. Следует отметить, что исследованный диффузор имел
форму проточной части близкую двумерной. Кроме того, показаны результаты применения генераторов вихрей при одном значении скорости потока на входе. В ряде работ [40,27,42] представлены положительные результаты, полученные при управлении пограничным слоем с помощью генераторов вихрей различной конструкции на пластине, в круглом диффузоре, на крыле и в • воздухозаборнике самолета. Применение генераторов вихрей позволяет сместить начало отрыва потока вниз по потоку. Например, при установке генераторов вихрей в круглом диффузоре с \/=16°[41] величина потерь полного давления понизилась до уровня, соответствующего диффузору с углом раскрытия i/=8°, что при сохранении отношения площадей, эквивалентно уменьшению длины диффузора в 2 раза.
Приведенный обзор данных, полученных другими авторами, показывает, что применение генераторов вихрей простой конструкции позволяет воздействовать на отрыв потока, сокращая его интенсивность, тем самым, повышая эффективность устройств, работающих с положительным градиентом давления. Следует также отметить, что опубликованные материалы описывают мероприятия по воздействию на отрыв потока, примененные в упрощенных моделях при малых скоростях потока и не рассматривают причины изменения эффективности работы таких моделей, так как зачастую отсутствуют данные об изменениях в структуре потока, произошедших под воздействием этих мероприятий.
Таким образом, течение в кольцевых каналах с положительным градиентом давления в широком диапазоне значений приведенной скорости потока на входе А.вх=0.3-0.9 к настоящему времени изучено недостаточно".
Данные о воздействии на отрывное течение в кольцевом канале с большим углом раскрытия v/ 8° - практически отсутствуют.
Представляет интерес исследование структуры потока в канале кольцевого диффузора, имеющего большой угол раскрытия, с целью предотвращения отрыва потока в нем путем воздействия на отрыв с помощью генераторов вихрей.
Аналогичные опыты по воздействию на отрывное течение в коническом диффузоре, имеющем угол раскрытия конуса больше 8°, с помощью пассивных способов управления пограничным слоем также представляют интерес. Кроме того, представляет интерес исследование влияния окружной и радиальной неравномерности на структуру потока и эффективность канала с градиентом давления и присутствующий в нем отрыв потока. Проведение таких исследований в широком диапазоне значений приведенной скорости потока на входе с подробным измерением азимутальных полей статического и полного давления позволит проследить за изменением структуры и особенностями отрывного течения.
В представляемой работе приведены результаты экспериментального исследования отрывного течения в кольцевом диффузоре, с углом раскрытия обечайки на периферии i/=16°, и круглом коническом диффузоре, имеющем угол раскрытия конуса \/ 12°.
В кольцевом диффузоре производилось воздействие на отрыв потока методами управления отрывом потока без затрат энергии: 1-е помощью генераторов вихрей, имеющих форму прямоугольных пластин,
2- изменением формы (радиуса кривизны) наружной обечайки на входе в диффузор.
3- совмещением двух указанных выше способов.
При проведении исследований измерялись характеристики исходного кольцевого диффузора и диффузора, с мероприятиями по управлению пограничным слоем в широком диапазоне скоростей потока на входе, соответствующих значениям приведенной скорости А-вх О.З - Хщах • Подробно исследовалась структура потока во входном и выходном каналах путем измерения азимутальных и радиальных полей статического и полного давления. На основании этих измерений определялась структура потока построением линий постоянства полного давления и скорости потока в них. Для определения положения линий отрыва на ограничивающих поверхностях, производилась визуализация течения внутри диффузора введением краски в проточную часть диффузора при скорости потока на входе, соответствующей
значению ХвхЮ.б. В исходном кольцевом диффузоре производилось исследование влияния толщины пограничного слоя на периферийной стенке входного кольцевого канала на структуру отрывного течения в диффузоре, а также влияния окружной неравномерности в виде решетки толстых профилей, расположенной во входном канале на эффективность диффузора. Была проведена оптимизация размеров генераторов вихрей, их количества, места и способа расположения. Во все указанных случаях определялись характеристики диффузора и проводилось их сравнение с характеристиками исходного варианта. На основании этого сравнения производился выбор оптимальных генераторов.
В диффузоре с измененной формой периферийной стенки применялись оптимизированные генераторы вихрей.
В коническом диффузоре исследовалась структура отрывного течения в исходном варианте диффузора путем определения азимутальных и радиальных полей полного и статического давления на входе и выходе и определялась его эффективность при различных значениях скорости на входе: А,=0.3 - 0.9. Были проведены подробные измерения статического давления по тракту диффузора при различных значениях скорости на входе. На примере конического диффузора проведено исследование влияния неравномерности потока различной конфигурации во входном канале на структуру течения в диффузоре и его эффективность. Воздействие на отрывное течение производилось с помощью пластинчатых генераторов вихрей.
Защищаемые положения
Автор выносит на защиту: результаты экспериментального исследования аэродинамических характеристик и структуры течения в диффузорных каналах кольцевой и конической конфигурации при относительных длинах диффузоров (М)К(шьц=0.35, (dBX/l)KOH=0.26, в диапазоне чисел =0.3...0.9,0.95. Значения числа Re= ЯеілХ=(1/ц)хривхЬВх находились в широком диапазоне: минимальное число Рейнольдса ReLBX min =9.1-105 было одинаковым для двух диффузоров (А.вх=0.3), максимальное число Reux max определялось запиранием канала на входе в диффузор и для диффузораї - Remax=2.72-106 (Хвх=0.9), а для диффузора2 - Re =2.87-106 (Хвх=0.95);
результаты экспериментального определения повышения эффективности рассмотренных каналов с помощью генераторов вихрей; результаты экспериментального определения особенностей структуры отрывного течения в диффузорах различных типов, а также при наличии воздействия на течение;
результаты анализа особенностей аэродинамических процессов: отрыв потока, образование трехмерных структур, формирование радиальной и окружной неоднородностей потока;
Практическая ценность полученных автором результатов прежде всего в их экспериментальном характере, поскольку рассматриваемые автором сложные течения в настоящее время не могут быть описаны на основе расчетов в такой степени представительности, как по данным проведенных измерений и визуализации структуры потока.
Полученные конкретные характеристики диффузоров: потери полного давления, кпд диффузора, степень неоднородности потока, представляют непосредственную ценность и могут быть использованы для практических расчетов диффузорных течений.
Полученные данные о возможности управления диффузорным течением путем профилирования проточной части и генераторами вихрей дают конкретную информацию, которая может быть непосредственно использована.
Большой объем материала по визуализации течения в кольцевых и конических диффузорах с различным профилированием, с генераторами вихрей
и без них, дает важные, новые наглядные представления о сложной
аэродинамике течения в диффузорах.
Апробация. По результатам исследования параметров течений в диффузорах
были сделаны 6 докладов: на Всесоюзных научно-технических совещаниях по
теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений, организатором которых была Акадмия Наук Эстонской ССР - 3 доклада:
1. Дедовская Н.Н.
Воздействие турбулизаторов потока на отрывное течение в диффузоре.
Турбулентные струйные течения. Тезисы докладов 1Y Всесоюзного научного
совещания по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений,
часть 2, АН ЭССР, Таллин, 1982г,стр 164-171.
2.Ледовская Н.Н.
Экспериментальное исследование трехмерной структуры отрывного течения в
осесимметричных кольцевых диффузорах. Турбулентные струйные течения.
Тезисы докладов Y Всесоюзного научного совещания по теоретическим и
прикладным аспектам турбулентных течений, часть 1, АН ЭССР, Таллинн,
1985г, стр 156-164.
3.Дедовская Н.Н.
Влияние ступенчатой неравномерности потока на входе в конический диффузор
на трехмерную структуру отрывного течения. Турбулентные струйные течения.
Тезисы докладов Y1 Всесоюзного научного совещания по теоретическим и
прикладным аспектам турбулентных течений, часть 1, АН ЭССР,
Таллинн, 1989г, стр.86-88.
Был сделан доклад на VI Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной
механике, организованном Академией Наук Узбекской ССР, проходившем в
сентябре 1986 г. в городе Ташкенте:
4.Васильев Ю.Н., Дедовская Н.Н.
Экспериментальное исследование трехмерной структуры отрывного течения в
коническом диффузоре в условиях равномерного и неравномерного полей
скоростей на входе. Тезисы докладов на VI Всесоюзном съезде по
теоретической и прикладной механике, Ташкент, 24-30 сентября, 1986г, стр.156.
Сделан доклад на Международной научной конференции «Двигатели XXI века» посвященной 70-летию ЦИАМ им.Баранова. 5. Ледовская.Н.Н.
Ячеистые структуры в каналах диффузоров и в проточной части сверхзвуковых ступенях компрессора. Материалы международной научной конференции« «Двигатели XXI века», 1-я часть, Москва, 5-7 декабря 2000 г., стр.110-111. Доклад на Четвертой междунардной школе-семинаре «Модели и методы Аэродинамики» Украина, Евпатория, июнь 2004г. бЛедовская Н.Н.
Экспериментальное исследование структуры отрывного течения в диффузорных каналах. Материалы Четвертой международной школы-семинара, Украина, Евпатория, 2004г.
Материалы исследования были опубликованы в 3-х статьях, напечатанных в трудах ЦИАМ,. в Инженерно-физическом журнале, издаваемом в г. Минске, и в журнале Компрессорная Техника и Пневматика.
1 .Дедовская Н.Н.
Некоторые способы повышения эффективности кольцевого диффузора с
большим углом раскрытия. Труды ЦИАМ, №1112, Москва,стр1-13, 1984г.
2.Ледовская Н.Н.
Экспериментальное исследование трехмерной структуры отрывного течения в
осесимметричных кольцевых диффузорах. Инженерно-физический журнал,
Минск, август 1986г, том 51, №2, стр. 321-328.
3.Дедовская Н.Н.
Ячеистые структуры в каналах диффузоров. Компрессорная Техника и
Пневматика. Москва, №12,2002г, стр4-9.
Объем и структура работы. Работа содержит введение, выводы и три главы: Глава 1. Объекты и методика, исследования, содержит описание объектов исследования, установок на которых проводилось исследование. Там же приводятся схемы препарирования исследуемых объектов, описываются методики измерений и обработки измеренных данных.
Глава 2. Исследование течения в кольцевых диффузорах содержит результаты определения характеристик кольцевых диффузоров, исследования структуры течения в кольцевом диффузоре. Глава 2 содержит разделы, посвященные изучению полей газодинамических параметров во входном сечении диффузора, полей газодинамических параметров по тракту диффузора, полей газодинамических параметров на выходе из диффузора. Также глава 2 содержит исследование структуры потока в кольцевом диффузоре при наличии генераторов вихрей, с выбором формы генераторов вихрей, места установки и количества, и определение влияния генераторов вихрей на газодинамические параметры диффузора.
В разделе 2.3 главы 2 содержатся данные по исследованию влияния гладкости перехода от цилиндра к конусу на газодинамические параметры и структуру течения в диффузоре.
В разделе 2.4 описаны результаты визуализации структуры отрывного течения в кольцевом диффузоре.
В разделе 2.5 приведены данные по измерению пульсаций давления .
В разделе 2.6 приведены результаты опытов по выявлению причин стабилизации отрывного течения в диффузорах.
В разделе 2.7 приведены интегральные оценки изменения скорости потока по тракту кольцевых диффузоров различной конфигурации с генераторами вихрей и без них.
Глава 3 содержит результаты экспериментального исследования структуры потока в конических диффузорах, изложенные в 3-х разделах посвященных: исследованию структуры потока при различных вариантах равномерного поля скоростей на входе;
исследованию структуры потока в коническом диффузоре при одноконтурном подводе воздуха и равномерном поле скоростей на входе;
исследованию структуры потока в коническом диффузоре при двухконтурном
подводе воздуха и равных скоростях в контурах на входе;
исследованию структуры потока в диффузоре при неравномерных полях
газодинамических параметров различной конфигурации на входе, а именно:
с неравномерностью, создаваемой изменением расхода воздуха в контурах,
с неравномерностью, создаваемой решеткой лопаток, устанавливаемой перед
входом. Глава также содержит данные, свидетельствующие о причинах
стабилизации течения в диффузоре.
Раздел 3.3. описывает опыты по изучению течения в диффузоре при наличии
генераторов вихрей.
Измерения параметров потока по тракту кольцевых диффузоров и методика обработки экспериментальных данных, полученных при исследовании структуры течения
Проведены исследования структуры течения в двух кольцевых осесимметричных диффузорах с отношением площадей n=FBbK/FBX=2 (рис.1.1). Каналы диффузоров образовывались наружной обечайкой и центральным телом. Внутренняя поверхность наружной обечайки в дальнейшем называется периферией, наружная поверхность центрального тела в дальнейшем - втулка. Диффузоры имели одинаковые углы раскрытия наружной обечайки (периферии) i/=16,. отличались на периферии радиусами перехода от цилиндра к конусу: диффузор 1 с Ri =40мм ( R=R/hBX=1.03)H диффузор 2 с Яг =288мм ( R=R X=7.4).
Модели устанавливались при продувке вертикально на фланце трубы, отводящей воздух к компрессорным установкам, создающим разрежение. Входной участок представлял собой кольцевой канал постоянной высоты Нвх=38.8мм, длиной LBX =4.4 Н вх. На периферии вход имел форму лемнискаты. Центральное тело на входе было скруглено радиусом R= 190мм и на всем протяжении модели имело форму цилиндра, крепившегося к корпусу модели с помощью шести стоек обтекаемой формы, равно расположенных по окружности в выходном канале за поясом измерений на расстоянии L =2.7 Нвых. Выходной участок имел постоянную высоту Нвых -11мм и длину 1 , =6.7 Нвых.
Воздух из бокса через вход попадал в модель, а затем по системе трубопроводов поступал в компрессорную установку, которая создавала разрежение на выходе из модели. Регулирование расхода осуществлялось с помощью дроссельной заслонки, установленной на выходе из модели. Расход воздуха изменялся в диапазоне GB=3.8...12кг/с.
Измерения параметров потока по тракту кольцевых диффузоров и методика обработки экспериментальных данных, полученных при исследовании структуры течения.
Модели кольцевых диффузоров имели достаточно подробное препарирование инерционными приборами. Схема препарирования показана на рис.1.2. Вдоль тракта моделей в десяти сечениях, расположенных так, как показано на схеме препарирования имелись приемники статического давления на наружной обечайке и на центральном теле. В каждом сечении на периферии и втулке находилось по 3 приемника, равно расположенные по окружности. В расширяющейся части диффузора таких сечений было - 4. Вдоль образующей диффузоров в 10 - ти точках на периферии ив 10 — ти точках на втулке также измерялось статическое давление. Изменение статического давления по тракту должно было показать положение начала отрыва потока.
Производилось измерение пульсаций статического давления на периферии и полного давления по высоте канала на выходе из диффузоров. Полное давление на входе в модели равнялось барометрическому. Температура воздуха на входе равнялась температуре в боксе и измерялась двумя термометрами сопротивления. Расход воздуха через модели определялся по перепаду статического давления в сечении 2 перед входом в расширяющуюся часть диффузора.
Для оценки работы диффузоров в процессе исследования измерялись поля полного давления по окружности и высоте канала при входе в диффузор и на выходе их него. Для измерения полей полного давления использовались многоточечные радиальные гребенки. Для измерений во входном канале использовались 6 гребенок, имеющих по 8 приемников, расположенных по радиусу так, как показано на схеме препарирования, представленной на рис.1.2. Гребенки в выходном канале (6 штук) имели по 12 приемников, расположение которых по высоте выходного канала указано так же на рис.1.2. Гребенки полного давления во входном и выходном каналах были равно расположены по окружности в поворотных кольцах. Специальные механизмы поворота колец позволяли их перемещать по окружности на угол 57 и устанавливать в 19 положений с интервалом 3. Такая методика измерения полного давления позволяла получать в сечении на входе 912 значений полного давления, а в выходном сечении 1140 значений.
Для определения толщины пограничного слоя на периферии входного канала устанавливались под углом 120 по окружности, (сечение 3) три миниатюрные восьмиточечные гребенки полного давления.
В расширяющейся части диффузоров располагались в трех сечениях по длине (сечение 5, сечение 6, сечение 8) пятиточечные гребенки полного давления, которые позволяли определять профиль скорости в пристеночном слое внутри диффузора.
Измерения полного давления на входе и выходе, давление на стенках во всех сечениях производились с помощью групповых регистрирующих манометров. Один из замеров давления на стенке на входе в модель (сечение 2) был выведен на вакуумметр.
Для измерения пульсаций давления в выходном канале использовался датчик ДК-5, а также датчики, имеющие более широкие частотные диапазоны. Показания датчиков фиксировались с помощью шлейфового осциллографа и записывались на магнитную ленту. Пульсации полного давления на выходе из диффузоров измерялись с помощью малоинерпионных датчиков давления, установленных в специальные устройства, имеющие приемные отверстия на различных радиусах. Регистрация их показаний производилась с помощью магнитофона. Частотный диапазон производившихся измерений составлял 1000Гц и для измерений пульсаций статического давления ограничивался свойствами датчика, а для измерений пульсаций полного давления ограничения вносились присоединенным объемом, имевшимся перед приемной частью датчика.
Методика проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных при исследовании структуры течения в коническом диффузоре
Как указывалось выше, при проведении исследований подробно измерялись параметры течения по тракту диффузора. К таким параметрам относится измерение статического давления. Результаты измерения статического давления вдоль проточной части диффузора при скорости потока, соответствующей А.вх представлены на рис.2.5 в виде изменения отношения Pj /Во по длине диффузора, выраженной в виде отношения lj /h . Из рассмотрения этой фигуры видно, что в цилиндрическом канале на периферии происходит уменьшение давления из-за некоторого увеличения скорости потока, происходящего в результате поворота потока на периферии (из-за изменения кривизны линий тока в точке перехода от цилиндра к конусу). В то же самое время статическое давление на втулке практически не изменяется. На протяжении длины, соответствующей 1; 1/51д, где 1д - длина диффузора, в диффузоре наблюдается рост давления, по характеру совпадающий с кривой, полученной в результате гидравлического расчета. В дальнейшем рост давления замедляется, видимо, вследствие возникновения отрыва потока. Тем не менее, на протяжении диффузорного участка отношение Pi /Во изменяется от Рі/Во=0.8 ДО 0.845 и в выходном цилиндрическом канале повышается до Pj/Bo до 0.875 (сечение 10). Кривые, соответствующие значениям статики на периферии и втулке практически совпадают, что можно отнести за счет возникновения отрыва потока и на втулочной поверхности. Наличие" отрывного течения подтверждается измерением полного давления по высоте канала вблизи периферийной стенки (см. рис. 2.6), которое производилось внутри диффузора. Представленные данные показывают, что вблизи периферии имеет место отрывная зона, и, по мере движения потока по тракту от сечения 5 к сечению 8, происходит увеличение занимаемой ею площади проходного сечения.
На рис.2.7-2.9 представлены результаты измерения полного давления на выходе из диффузора, произведенного радиальными гребенками по окружности на режиме, по скорости на входе соответствующем А,вх=0.64. На основании полученных данных построены (рис.2.7) распределения по азимуту значений полного давления в каждой точке измерений в виде зависимости P /Bo=f(q ) для каждого из приемников радиальных гребенок и распределения по высоте выходного канала осредненных по азимуту значений коэффициента потерь полного давления сТдиф=Р „ыхЛЗо (рис.2.8). Эти данные были использованы для визуализации течения построением изолиний полного давления на развертке выходного сечения диффузора в виде: адиф=Р Вых/Во =const , которые представлены на рис.2.9. Осредненные по окружности значения давления по каждой из шести гребенок показьшают, что наименьшие величины потерь наблюдаются в ядре потока (1-сг)=0.013 - 0.015. На втулочной поверхности (1-о")=0.06, и вблизи наружной обечайки (1-а)=0.16. В результате осреднения распределений Р по окружности и по высоте канала получено значение о диф=0.9 при скорости на входе Х =0.64. Расположение изобар и их уровни давления показьшают, что на выходе из диффузора вблизи стенок и в ядре поток неравномерен. На периферии наблюдаются 6 зон пониженного полного давления (адаф=0.84-0.85). В ядре потока (адаф=0.99) имеется также 6 зон, расположенных по две периодически по окружности. Период между парами равен -120. На втулке также зарегистрировано 6 зон пониженного давления, которые занимают существенно меньшее пространство, чем на периферии, и располагаются периодически между периферийными зонами. Изобары, изображенные на рис.2.9 из-за наличия зон пониженного давления имеют вид синусоид. Величина потерь полного давления на периферии составляет 16% и 8% на втулке.
На рис.2.10 и рис.2.11 представлены характеристики диффузора в виде зависимостей (ЬстдифЭ Явх) и т]диф = f(A,Bx). Как показывает анализ представленных кривых, по мере увеличения скорости на входе от =0.3 до Я-вх max =0-9 происходит увеличение потерь полного давления более, чем в 10 раз, соответствующим образом изменяется величина стдаф от адаф=0.98 при Хвх=0.31 до адиф=0.82 при А,вх=0.83. Следует отметить, что значения (1-стдаф) и гдиф изменяются линейно в соответствии с увеличением скорости до =0.83, дальнейшее увеличение скорости потока на входе приводит к резкому увеличению потерь полного давления и сокращению г\. Такое поведение кривых можно объяснить возникновением на входе в диффузор местных сверхзвуковых зон и формирующихся вслед за ними скачков давления в связи с чем возникают дополнительные потери полного давления. Возникновение местных скачков приводит к резкому уменьшению величины Одаф. Рост скорости сопровождается увеличением размеров местных сверхзвуковых зон и при Хвх=0.9 происходит полное запирание канала диффузора на входе.
Подробное исследование структуры потока внутри канала диффузора производилось при Хвх=0.6. На рис.2.12 а,б приведены данные, показывающие изменение коэффициента приведенной скорости X вдоль тракта диффузора, подтверждающие вышесказанное. На входе наблюдается разгон скорости на наружной обечайке на 5%. Распределение по длине диффузорного участка осредненных в каждом сечении значений скорости, отличается от распределения, полученного в результате гидравлического расчета. Величины скорости по сечениям на 20% выше, чем значения, полученные в результате гидравлического расчета. Такое изменение скорости является следствием отрывной зоны, загромождающей проточную часть. В результате существования отрывной зоны, занимающей 20% канала по высоте и 3А канала по длине, скорость потока уменьшается в ядре течения на 10-15%, повышение давления прекращается, и диффузор своих функций не выполняет.
Исследование полей газодинамических параметров на выходе из диффузора
На рис.2.24 представлены характеристики диффузора, полученные при уменьшении расстояния от входа в диффузор до генераторов вихрей до Ь 18.8мм, представленные в виде изменения rj при изменении скорости потока на входе в диффузор. Перед диффузором в этом случае устанавливались генераторы вихрей, обозначенные в таблице 2, как варианты «а» - 6 и «е» - 24. Оказалось, что постановка генераторов варианта «а» на расстоянии Ь=18мм не привела к существенному улучшению работы диффузора и увеличению значений г, по сравнению со случаем, когда Ь= 38.8мм. Постановка генераторов варианта «а» ближе ко входу привела к уменьшению эффективности диффузора. Распределение по высоте канала значений сгдаф при Ь= 18.8мм представлено на рис.2.25. Сравнение величин адаф с аналогичными данными при Ь=38.8мм показывает, что среднее значение стдаф на периферии и втулке уменьшилось на 1.5 - 2%. Как следует из распределения Р по азимуту, приведенного на рис.2.26, в данном случае при приближении генераторов вихрей ко входу в диффузор на выходе из него происходит увеличение количества зон пониженного давления и снижается уровень полного давления на периферии и втулке. Изменение давления на стенках канала по тракту приведено на рис.2.27, где показано снижение роста давления внутри диффузора.
Таким образом, проведенное исследование показало, что оптимальное расстояние между генераторами вихрей на периферии и входом в диффузор равно 38.8мм, что соответствует одной высоте канала на входе. Д. Диффузор, имеющий генераторы вихрей на втулке и периферии.
При исследовании торможения потока в диффузоре с использованием управления пограничным слоем на периферии было замечено, что поле полных давлений на выходе из диффузора при постановке генераторов вихрей лучшего варианта («а» - 6) только на периферии имеет профиль близкий к отрывному. Поэтому была предпринята попытка постановки дополнительных генераторов вихрей на цилиндре, образующем втулочную поверхность, для предотвращения отрыва потока на ней. Была проведена оптимизация размеров генераторов, устанавливавшихся на втулке, а также их способа расположения, относительно друг друга, количества и места расположения относительно входа в диффузор. Как было показано на рис.2.14 генераторы вихрей на втулке устанавливались в трех сечениях: 1 - на расстоянии bi =35мм, 11 - на расстоянии Ьі=-15мм, и 111 -на расстоянии bi =-55мм. Характеристики диффузора, полученные для всех перечисленных случаев, приведены на рис.2.28 в виде зависимости гд„ф =f(A.BX ).
Сравнение кривых показывает, что наилучшим местом установки генераторов, имеющих размеры 1хЬ=18х5мм, является сечение 11, расположенное внутри диффузора на расстоянии 15мм от входа. При этом тдиф возрос во всем диапазоне скоростей потока на входе. Произошло изменение в распределении давления по окружности и по радиусу, о чем свидетельствуют рис.2,29 и 230, на которых эти распределения изображены. Видно, что распределения по высоте канала величин адаф выравниваются. В этом же сечении устанавливались генераторы вихрей с размерами 1хЬ=7х5мм в количестве z=52, при а=15, параллельно и встречно. На рис.230, 231, 232 приведены результаты измерения Р в этих случаях. Видно, что улучшаются распределения полного давления по окружности и по высоте канала и это приводит к повышению тідаф при всех рассмотренных значениях скорости потока на входе. Как видно из рис.233, сокращение отрывных зон и выравнивание полного давления сопровождается ростом статического давления. На рис.2.34 приведено распределение величины (1-а) при изменении скорости потока на входе в диффузор для исходного варианта диффузора, при постановке генераторов вихрей только на периферии и при постановке генераторов на периферии и втулке. Сравнение этих зависимостей показывает, что постановка генераторов вихрей только на периферии позволяет снизить потери полного давления в диффузоре при А,вх=0.6 на 36% а постановка генераторов вихрей на периферии и втулке приводит к уменьшению потерь в диффузоре на 45% .На рис2.35 показано, как при этом меняется величина ст по окружности для каждой из 6-ти гребенок на выходе из диффузора. Рассмотрение этих кривых для трех вариантов позволяет заключить, что при постановке генераторов вихрей на периферии и втулке получены наибольшие значения Стер и наиболее равномерное поле полного давления по окружности. Изобары полного давления в выходном канале диффузора (рис.236) для случая постановки одинаковых генераторов вихрей на периферии и втулке показывают, что зоны отрыва потока на втулке практически исчезли, центры зон повышенного давления сместились к периферии, изменилась протяженность зон отрыва потока на периферии, как по окружности. Так и по высоте канала. Е. Измерение пульсаций давления на выходе из диффузора.
Известно, что возникновение отрыва потока сопровождается усилением его динамики в области низких частот, а также изменением масштаба турбулентности.
Изменение в структуре отрывного течения под воздействием вихрей, сходящих с генераторов, отражается на интенсивности пульсаций статического давления и масштабе вихревых структур.
В исходном диффузоре для измерений пульсаций давления на выходе на периферийной стенке устанавливался емкостной датчик пульсаций ДК-5, который имел линейную статическую градуировку в рабочем диапазоне давлений до 0.4кг/см2
Показания датчика при скорости потока на входе в исходный вариант диффузора, соответствующей Хвх=0.6 были записаны на магнитную ленту. На рис.237 а, б, изображена статическая тарировка датчика и его амплитудно-частотная характеристика. Так как амплитудно-частотная характеристика имеет две резонансные частоты на частотах 180Гц и 500Гц, обработка магнитограмм производилась с применением низкочастотного фильтра с частотой среза г=90Гц. Тот же датчик использовался при проведении испытаний по оптимизации генераторов вихрей.
При обработке магнитограмм пульсаций определялись величины спектральной плотности мощности. Интегрируемая часть спектра находилась в диапазоне частот Af=0... 100Гц. Полученные спектры для исходного варианта диффузора и диффузора с генераторами вихрей представлены на рис.238 а-е , характер спектров соответствует турбулентному шуму в указанной выше полосе частот. На спектре наблюдается одна характерная частота, которая, возможно, появляется из-за помех, создаваемых усилителем.
Структура потока в коническом диффузоре при одноконтурном подводе воздуха и равномерном поле скоростей на входе
Как показали пневмометрические измерения в условиях равномерного и неравномерного потока на входе, отрывное течение в исследованном диффузоре стационарное, стабилизированное в пространстве и, в некоторых случаях, имеет периодическую структуру, период которой составляет 60. Ввиду отсутствия стоек в проточной части, было проведено исследование по влиянию на стабилизацию течения и его периодичность радиальных гребенок для измерения полного давления, имеющихся на выходе; период в расположении гребенок совпадает с периодом вихревых зон при отрыве. Для этого было проведено исследование течения без 5 гребенок на выходе. Результаты измерения Р на 1/6 части выходного сечения диффузора представлены на рис.3.16 а,б,в,г,д. Измерения проводились, как при равномерном, так и неравномерном потоке на входе в диффузор, имеющем различное соотношение между скоростями в наружном и внутреннем контурах. Сравнение полей, представленных на рис.3.16 с аналогичными картинами, полученными при измерении Р вых шестью гребенками показывает, что гребенки на выходе не оказывают влияния на формирование периодических структур и на стабилизацию отрывного течения в диффузоре.
Было проверено предположение о том, что причиной стабилизации течения в диффузоре является незначительная неравномерность на входе (возможно, эксцентричность течения во внутреннем контуре), которую трудно обнаружить, но своим присутствием она заставляет течение стабилизироваться. Это предположение было проверено на примере течения в диффузоре, имеющем на входе местную неравномерность потока. Неравномерность потока в этом случае создавалась с помощью трех лопаток, установленных, как показано на рис3.17 в секторе входного сечения, расположенном по азимуту в интервале р=24...66. После измерения полей во входном и выходном сечениях диффузора неравномерность смещалась по азимуту ( р=94 132) и проводились аналогичные измерения. Поля скоростей, полученные в этих двух случаях при входе в диффузор и на выходе из него представлены на рис.3.18 а,б,в,г. ІСак показывают результаты измерений, смещение неравномерности на входе, состоящей из трех вихрей по часовой стрелке на 60 приводит к тому, что течение в диффузоре поворачивается на такой же угол в том же направлении. При этом протяженность отрывной зоны по азимуту не изменяется, но несколько изменяется форма зоны отрыва.
Как видно из рассмотренных выше результатов исследования, неравномерное течение на входе вызывает изменение структуры течения на выходе. Это приводит к изменению в распределении статического давления и, как следствие, изменению коэффициента полезного действия диффузора, что следует из рассмотрения рис.3.6. По-видимому, при неравномерности потока на входе, происходит взаимодействие потоков наружного и внутреннего контуров, а также взаимодействие потока наружного контура со стенкой. Имеющиеся в данных случаях пограничные слои и возникающие в них возмущения оказывают влияние на формирование течения в диффузоре. Следует обратить внимание на тот факт, что в случае неравномерного потока на входе вида вх-нар аг, Хм „нуіїгЮ происходит резкое увеличение значений коэффициента С,, что является следствием сокращения площади, занимаемой отрывом потока и сопутствующим увеличение роста давления в диффузоре. Неравномерность, создаваемая решеткой лопаток, устанавливаемой перед входом.
Во входном цилиндрическом канале перед диффузором устанавливалась решетка лопаток, создающих закрутку потока (см рис.1.5) Лопатки имели профиль, постоянный по высоте, со спинкой, образованной дужкой круга, а корыто плоскостью. Лопатки имели следующие геометрические параметры: высоту Ь=35мм, хорду Ь=20мм, максимальную относительную толщину профиля с=0.1. Лопатки закреплялись консольно во входном пилиндрическом канале в количестве z=16 штук на расстоянии 1= d вх от входа в диффузор. Конструкция лопаток позволяла устанавливать их параллельно и навстречу друг другу под углом ±15 к направлению потока.
Исследование течения в диффузоре при постановке решетки лопаток на входе в диффузор производилось в случаях равномерного и неравномерного потока перед ними.
В данном случае представлены данные, полученные для двух случаев: 1-решетка с параллельно установленными лопатками под углом +15, 2-решетка с лопатками, установленными навстречу друг другу под углами ±15. Соотношения скоростей потока в контурах в первом случае: А,нар-0.55, Д-внуцгФ , во втором случае: Я.нар=0.51, Хвну1р=0.74. Приводимые здесь результаты выбраны из большого количества данных ввиду того, что в обоих случаях наблюдался наибольший рост давления в диффузоре по сравнению с остальными опытами, проведенными при постановке лопаток, создающих закрутку потока на входе и где рост давления в диффузоре не наблюдался.
Результаты измерения полного давления и статического давления в виде полей скоростей перед входом в диффузор на 1/6 части поперечного сечения входного цилиндра, полученные на расстоянии 1=3/4 dBX от выходных кромок лопаток, приведены на рис 3.19 а,б, где а- поле за лопатками, установленными параллельно, а б- поле за лопатками, установленными навстречу друг другу
