Гидродинамические аспекты проектирования кавитационных труб

• Автор: Борусевич, Валерий Олегович
• Шифр специальности: 05.08.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 185 с. : ил.

Ведение
Раздел 1 Анализ состояния вопроса. Положения, выносимые на защиту
Раздел 2 Метод гидродинамического проектирования универсальной
кавитационной трубы замкнутого типа
2.1 Алгоритм проектирования

2.2 Методы гидродинамического проектирования элементов
установки
2.2.1 Требования к параметрам потока в рабочем участке. Проектирование
рабочего участка
2.2.2 Прогнозирование степени турбулентности в ядре потока рабочего
♦ участка. Проектирование системы управления турбулентностью
потока
2.2.3 Проектирование конфузора
2.2.4 Проектирование диффузора. Определение оптимальной величины угла расширения и коэффициента раскрытия, рекомендации для выбора
формы
2.2.5 Проектирование поворотных колен. Оптимизация кавитационных
характеристик

2.2.6 Проектирование обратного канала: анализ течения в обратном канале,
обоснование требований к растворительной способности и определение параметров обратного канала
2.2.7 Проектирование импеллерного насоса
2.2.7.1 Рекомендации к проектированию элементов кавитационной трубы с
учетом необходимости уменьшения неоднородности поля скоростей в диске импеллера
2.2.1.2 Определение гидравлических потерь проточного канала и его
отдельных элементов
^ 2.2.13 Выбор оптимальных величин диаметра и частоты вращения
импеллера
2.2.7.4 Определение геометрических параметров лопастей насоса
2.2.8 Оценка акустических качеств проектируемой установки. Критерии достижения заданных требований по уровням фонового шума в
рабочем участке

Раздел 3 Применение результатов работы
3.1 Эксплуатационные качества кавитационной трубы. Диаграмма
эксплуатационных режимов КТ ИИЦ
3.2 Степень турбулентности и неоднородности потока в рабочем участке
^ трубы КТ ИИЦ
3.3 Акустические характеристики установки
, Заключение
Литература
Рисунки

Постоянное совершенствование средств вычислительной техники и развитие численных методов расширяет круг вопросов, при решении которых наряду с традиционно используемыми экспериментальными методами значительный объем исследований выполняется расчетными методами. Однако очевидный прогресс расчетных методов не дает оснований говорить о вытеснении экспериментальных модельных исследований и полной замене их в каких-то областях расчетом. Существующие тенденции указывают не на снижение роли эксперимента в настоящее время и в будущем, а на изменение подхода при решении различных задач гидромеханики: физический эксперимент используется в более полном взаимодействии с расчетными методами. Можно назвать, по крайней мере, три причины, по которым физические эксперименты на моделях исследуемых объектов и в настоящее время, и в обозримом будущем останутся актуальными, несмотря на широкое развитие расчетных методов исследований [1].
Используемые в математических моделях уравнения либо являются приближенными, либо имеют ограниченную область применимости (ламинарный поток, отсутствие кавитации, дозвуковые значения скоростей и т.д.). Поэтому, при использовании результатов расчета, полученных с использованием тех или иных математических моделей, должны быть определены критерии определения диапазонов изменения параметров, в которых используемые аппроксимации и допущения не приводят к неприемлемым ошибкам. Такие критерии могут быть получены только экспериментально на физических моделях.
- Развитие судостроения требует рассмотрения новых конструкционных решений. Для математического описания поведения этих комплексных структур в различных условиях необходимо построить системы уравнений и граничных условий, либо получаемых, либо подтверждаемых по результатам эксперимента.
Разнообразие режимов движения судна и стремление к повышению экономической эффективности эксплуатации судов приводит к необходимости отыскания путей воздействия на условия течения. Последнее требует выполнения углубленных исследований процессов, происходящих при движении тела в потоке. Однако, до тех пор, пока уравнения этих тонких явлений, описывающих процессы воздействия на поток и реакции потока на вносимое возмущение, не получены, их математическое моделирование невозможно.
Представляется, что в процессе дальнейшего развития гидродинамические лаборатории будут уделять все большее внимание решению перечисленных проблем. В этом случае, с одной стороны, развитие компьютерных методов приведет к замене значительного
й2 0,03
(18)
и2 х! м
Как видно, генерируемая хонейкомбом энергия турбулентности выше для случая ламинарного течения в ячейках, чем полностью развитого турбулентного. Поскольку на практике, в реальной конструкции хонейкомба используется сварка ячеек по длине и технологически не преставляется возможным зачистка в местах сварки, то поверхность внутри ячеек имеет турбулизаторы и можно ожидать реализации турбулентного режима уже при небольших числах Рейнольдса, То есть в большинстве практических случаев для генерируемой хонейкомбом турбулентности следует использовать выражение (17).
Интенсивность турбулентности на выходе из хонейкомба продолжает снижаться и далее вниз по потоку при наличии успокоительного участка и конфузора. Это происходит за счет вязкой диссипации энергии турбулентности в процессе течения в успокоительной секции и конфузоре а также за счет влияния поджатая в конфузоре.
Происходящие при этом процессы имеют следующее физическое описание. На начальном участке после хонейкомба турбулентная энергия сосредоточена в возмущениях небольшого масштаба и затухает в соответствии с приведенным выше выражением (15)
течение этого периода микромасштаб возрастает с интенсивностью ' 2, в то время как
наибольший масштаб турбулентности (характеризуемый так называемой постоянной Лойцянского) первоначально эквивалентный поперечному размеру ячеек хонейкомба, 1/5
растет со скоростью . Очевидно на каком то расстоянии эти два масштаба
сравниваются. Дальнейшее затухание энергии турбулентности происходит со скоростью й2 ~ (х/м)"512- Расстояние х*, на котором происходит выравнивание различных масштабов турбулентности, называемое точкой перехода к окончательному периоду затухания, характеризуется как показано Батчелором [22], выражением:
Нетрудно оценить, что лишь при очень малых скоростях движения и очень малых размерах ячеек можно ожидать достижения точки х* до рабочего участка, таким образом, можно полагать что для большинства практически реализуемых случаев происходит затухание в соответствии с выражением (15), то есть:
Влияние стабилизирующего участка и конфузора
(19)