Численное и экспериментальное исследование нестационарных явлений в гидродинамических вихревых камерах

• Автор: Дектерев, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 121 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ
1.1. Характеристики закрученных потоков
1.2. Формирование закрученных течений
1.3. Использование закрученных потоков
1.4. Прецессирующее вихревое ядро (ПВЯ)
1.5. Формирование ПВЯ за колесами гидротурбин
1.6. ПВЯ в камерах сгорания
1.7. Общие особенности ПВЯ при изотермических условиях
1.8. Эффект ограничения
1.9. Выводы по анализу литературы
ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА, ТЕХНИЧЕСКОЙ БАЗЫ И МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Экспериментальная установка
2.1.1. Насос XI00-80-160Т-
2.1.2. Частотный преобразователь ВЕСПЕР Е2-8300-030Н
2.1.3. Преобразователь расхода дифференциальный Сапфир-22-ДД
2.1.4. Вихревая камера
2.2. Определение частотных характеристик потока
2.2.1. Пьезоэлектрические датчики давления
2.2.2. Усилитель сигнала LP-
2.2.3. Преобразователь напряжения АЦПЕ
2.2.4. Программа L-Graph
2.2.5. Методика определения частотных характеристик
2.3. Описание метода Particle Image Velocimetry (PIV)
2.3.1. Принцип метода

2.3.2. PIV система ПОЛИС
2.3.3. ActualFlow
2.3.4. Методика PIV применительно к данной работе
2.4. Визуализация течения
ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ВИХРЕВОЙ КАМЕРЫ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПВЯ
3.1. CFD пакет STAR-CCM+
3.2. Уравнения для описания турбулентных течений
3.3. Расчетная оптимизация геометрии ВК
3.4. Сравнение DES моделей, имеющихся в STAR-CCM+
3.5. Зарождение ПВЯ
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. ОБСУЖДЕНИЯ. СОПОСТАВЛЕНИЯ
4.1. Оптимизированная вихревая камера
4.2. Влияние геометрических модификаций на структуры вторичных вихрей
4.3. Частотные характеристики ПВЯ
4.4. Изменение давления в камере
4.5. PIV Эксперимент
4.5.1. Определение аксиальных скоростей потока
4.5.2. Профили тангенциальной скорости
4.6. Пульсационные характеристики
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Использование закрученных потоков газов и жидкостей стало неотъемлемой составляющей современных технологических процессов. Формирование закрученных течений происходит за колёсами гидротурбин ГЭС или в следе самолетных и гребных винтов, а также ветрогенераторов и пр. Циклоны, сепараторы, вихревые расходомеры - во всех этих устройствах используется закрутка потока рабочей среды. Полезные свойства закрученных течений в большой мере применяются в энергетике, например, с помощью неё добиваются стабилизации пламён в горелочных устройствах. Однако закрученные течения имеют не только положительные особенности. В сильнозакрученных потоках часто происходит формирование нестационарных структур, таких как прецессирующее вихревое ядро (ПВЯ). Низкие частоты прецессии вихревого ядра, образующегося, к примеру, за колесом гидротурбины ГЭС, могут привести к резонансу с собственными частотами гидроагрегата, что, в свою очередь, повлечет за собой сильные вибрации, представляющие серьезную опасность для всей конструкции ГЭС. Образование ПВЯ в вихревых камерах сгорания может быть причиной термоакустического резонанса, следствием чего также являются сильные вибрации и шум. Кроме того, было установлено, что ПВЯ может влиять на эффективность работы вихревых аппаратов. Несмотря на многолетние исследования данного явления, на настоящий момент нет достаточной информации для конкретного определения причин и механизмов образования прецессии вихря и, соответственно, разработки эффективных методов управления данным явлением. По этим причинам детальное исследование эффекта ПВЯ по-прежнему остается актуальной задачей.
В последние годы всё интенсивней развиваются компьютерные технологии, а вместе с ними увеличивается количество работ, связанных с численным моделированием сложных течений, включая закрученные потоки с

включающие в себя совокупность экспериментальных и расчетных исследований [88, 104, 109, 113, 127]. Тем не менее, для оперативного получения максимально полной достоверной информации о структуре сложных течений необходимы совместные экспериментально-расчетные исследования с использованием локальных и полевых методов эксперимента и стационарных и нестационарных расчетов. Именно проведению таких исследований и посвящена данная работа.