Управление отрывом потока в диффузорных каналах. 
Экспериментальное исследование

Актуальность темы

.

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 осесим^етричном 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 приводи? 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 с1 положительным градиентом давления для определения их характеристик в широком диапазоне скоростей потока на входе и полей параметров в проходных сечениях. I.

Как известно [1,2,3,4,5,6,7,8,9−12], гидравлические характеристики диффузоров зависят от многих параметров, в частности:

A)от угла расширения проточной части vj/- Б) степени расширения проточной части n=F2/Fi;

B)формы поперечного сечения Г) формы образующей.

Д)условий на входе (состояния пограничного слоя, поля скоростей на входе) Е) режима течения (число Re=wiDi /v) Ж) сжимаемости потока (число M=Wi/a), А/У, а именно: ?,= —=- =f (Re, М, у, n, ki, кг, кз), т 2g где: § - коэффициент сопротивления диффузора, АН — 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, пстепень расширения диффузора 1|/-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 о=Р*вых/Р*вх в виде: га>лн =2(1 — cO/pw2, который в случае учета сжимаемости можно.

Зависимости £, ПОЛн =f (A.) 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 рр коэффициенту повышения статического давления в нем т= 2 2 1, ри 12 где Рг и Pi значения статического давления на выходе и входе диффузора соответственно. Характеристика диффузора тогда представляется в виде зависимости rj=f (X).

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. 1.

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-уменылать 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,.

6-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 °C 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.

Cpi ", Cpid-Cpi 1, ц=—-—, который меньше 1, и выражение —-— = —1 имеело.

Cpid Cpi 77 минимум. Идеальный коэффициент восстановления давления определялся по.

F2 формуле — Cpid = 1 —у .

F2 у p2dF2 -у PldFx Текущий коэффициент восстановления давления: Cpi = 2 F2—, который эквивалентен используемому в представляемой работе коэффициенту.

— Рг-Рх ри21 2 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 полезного действия диффузора г= 2 2 где давления Рг и Pi — значения потока, в условиях изменяющегося (в зависимости от режима работы) среднего числа X. Значения X зависят от расположения такого канала и могут изменяться в диапазоне Х=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 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 Хвх. 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 1 формулой tgOo = llIIly>o — ,.

Tz где тх и Ту — компоненты поверхностного трения xw, 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 поверзшостей плоских диффузоров с прямолинейными и • криволинейными стенками, отрывное течение может иметь разные стадии развития: 1 — бьггь 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 vj/>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 Хвх=0.3 — Хшах. 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 А. вх=0.6. 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: Х—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)КОЛьц=0.35, (dBX/l)KOH~0.26, в диапазоне чисел Хвх=0.3.0.9,0.95. Значения числа Re= ReLBX=(1 /ц)х pUBXLBX находились в широком диапазоне: минимальное ' число Рейнольдса ReLBX mm =9.1−105 было одинаковым для двух диффузоров (Лвх=0.3), максимальное число ReLBX max определялось запиранием канала на входе в диффузор и для диффузора1 — 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 вихрейрезультаты экспериментального определения особенностей структуры отрывного течения в диффузорах различных типов, а также при наличии воздействия на течениерезультаты 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, 1982 г, сгр 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, 1985 г, 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, 1989 г, 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 механш$е, Ташкент, 24−30 сентября, 1986 г, 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 2004 г. бЛедовская Н.Н.

Экспериментальное исследование структуры отрывного течения в диффузорных каналах. Материалы Четвертой международной школы-семинара, Украина, Евпатория, 2004 г.

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, 1984 г. 2. Ледовская Н.Н.

Экспериментальное исследование трехмерной структуры отрывного течения в осесимметричных кольцевых диффузорах. Инженерно-физический журнал, Минск, август 1986 г, том 51, № 2, стр. 321−328. 3 Ледовская Н.Н.

Ячеистые структуры в каналах диффузоров. Компрессорная Техника и Пневматика. Москва, № 12,2002 г, 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 входеисследованию структуры потока в коническом диффузоре при одноконтурном подводе воздуха и равномерном поле скоростей на входеисследованию структуры потока в коническом диффузоре при двухконтурном подводе воздуха и равных скоростях в контурах на входеисследованию 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.

Выводы.

1 Проведено экспериментальное исследование аэродинамических характеристик моделей кольцевых и конических диффузоров в широком диапазоне приведенной скорости потока от А,"ш,=0.3 до А. тах^О.9, * соответствующего запиранию канала, при управляющих воздействиях на отрыв потока.

2 Получены новые экспериментальные данные по структуре потока в канале кольцевого диффузора, имеющего большой угол раскрытия, и найдены возможности предотвращения отрыва потока в нем путем воздействия на поток с помощью генераторов вихрей. Исследованы параметры и структура течения в широком диапазоне значений приведенной скорости при подробных измерениях параметров потока и визуализации течения.

3 Получены новые результаты экспериментальных значений аэродинамических характеристик моделей кольцевых и конических диффузоров, имеющих отношение площадей п-FBbK/FBx — 2 для кольцевого и 4.3 для конического каналов. Исследования проводились при широком диапазоне значений приведенной скорости потока на входе.

4 В работе показано, что воздействие на структуру потока путем изменения радиуса кривизны при переходе к расширяющейся части канала позволяет снизить потери полного давления в 1.5−2 раза за счет сокращения размеров вихрей в отрывном течении.

5 Воздействие на структуру иечения генераторами вихрей позволяет дополнительно снизить на столько же потери полного давления в диффузоре во всем рассмотренном диапазоне скорости потока на входе.

6 Совместное воздействие на поток профилированием входной части и оптимальным расположением генераторов вихрей позволяет снизить потери в кольцевом диффузоре в 5−6 раз., что соответствует возможности сокращения длины такого диффузора в 2.5−3 раза.

7 В кольцевом диффузоре впервые обнаружено, что зоны отрыва потока на периферии чередуются с зонами безотрывного течения, что приводит к формированию стабилизированной лепестковой структуры в плоскости выходного сечения канала. В диффузоре без генераторов вихрей структура потока имееет периодический характер: наблюдается периодический отрыв потока на периферии и втулке, содержащий крупно-масштабные вихри, диаметр которых в 50 раз превышает толщину пограничного слоя. Периодичность < отрывных зон составляет ~60°, смещение зон отрыва на периферии относительно зон отрыва на втулке ~30°. Воздействие на отрыв генераторами вихрей приводит к изменению на порядок размеров вихрей и расположению их осей вращения вдоль стенки, что позволяет их классифицировать, как вихри Гертлера. Период отрывного течения увеличивается до ~120°. Изменение структуры отрывного течения и уменьшение масштабов вихрей дает снижение потерь полного давления.

8 Изучено воздействие окружной и радиальной неравномерностей на отрыв потока в коническом диффузоре с углом раскрытия конуса 16°в широком диапазоне значений приведенной скорости потока на входе от ^"=0.3 до Ящах=0.9 .

9 Впервые показано, что отрывное течение в коническом диффузоре имеет установившийся пространственный характер, содержит зоны отрыва и зоны присоединенного течения. Установлено, что наилучшие интегральные характеристики диффузора соответствуют невозмущенному равномерному потоку на входе.

Введение

неоднородностей потока на входе приводит к увеличению потерь полного давления. Воздействие генераторами вихрей на неоднородный поток на входе позволяет повысить эффективность диффузора и получить параметры близкие у их значениям при невозмущенном равномерном потоке.