В горелочных устройствах интенсивная закрутка потока, ведущая к распаду вихря и образованию приосевой зоны возвратного течения, широко применяется для стабилизации пламени и улучшения процессов смешения. Однако подчас в сильно закрученных течениях генерируются нестационарные вихревые структуры, такие как прецессирующее вихревое ядро, препятствующие работе промышленных вихревых аппаратов. В частности, при возникновении прецессирующего вихревого ядра в камерах сгорания возможен резонанс с термоакустическими модами, следствием чего являются шумы и снижение эффективности и срока действия аппарата. Несмотря на многолетние исследования данного явления, конкретные причины и механизмы образования прецессирующего вихревого ядра до сих пор не определены. Это связано со сложной нестационарной трехмерной структурой потока и его непредсказуемым поведением в зоне распада вихря.
Методика проведения эксперимента и численного моделирования.
Рабочим участком является осесимметричная цилиндрическая вихревая камера, изготовленная из оргстекла. Закрутка потока создается с помощью лопаточного завихрителя. Через сопло закрученная жидкость попадает в цилиндрическую камеру диаметром 104 мм и длиной 104 мм. Используются сменные завихрители с параметрами крутки S = 0.6, 1 и 1.4 (15, 14 и 14 лопаток, соответственно), а также сменные сопла диаметром 30, 40 и 52 мм, позволяющие варьировать структуру закрученного потока. Параметр крутки завихрителя рассчитывается по формуле, представленной в [Гупта]:
где d и dℎ - диаметры завихрителя и втулки соответственно, а - ψ угол наклона лопаток. На выходе из рабочего участка установлена крестовина, препятствующая возникновению вторичных вихревых структур.
Над соплом диаметрально противоположно установлены 2 пьезодатчика, фиксирующие пульсации давления внутри камеры. При таком расположении датчиков колебания давления, генерируемые непосредственно прецессирующим вихревым ядром, регистрируются ими в противофазе, что позволяет избавиться от посторонних вибраций путем вычитания сигналов. Частота прецессии прецессирующего вихревого ядра определяется посредством преобразования Фурье полученного разностного сигнала. Время проведения каждого измерения составляет 120 секунд, за которые происходит порядка 5000 пульсаций давления. Перепад давления между входом и выходом из камеры dP1, дающий представление об интенсивности вихреобразования.
Численное моделирование проводилось с помощью коммерческого CFD-пакета Star-CCM+. Для расчета нестационарного процесса использовался метод отсоединенных вихрей, замыкание осуществлялось использованием модели Спаларта-Аллмараса. Геометрическая модель является точной копией экспериментальной установки, и состоит из 400000 многогранных ячеек с 3 призматическими слоями. Визуализация с помощью изоповерхности λ-критерия показала наличие в камере прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ), вращающегося в направлении закрутки потока.
Данная вихревая структура возникает вследствие распада вихря из-за внезапного расширения потока. Подобные явления часто встречаются в технике – например, в вихревых топках или на гидротурбинах ГЭС. Пульсации давления, генерируемые ПВЯ, оказывают серьезное влияние на технические аппараты, в связи с чем изучение этого явления играет важную роль.
Далее представлено сопоставление численных и экспериментальных данных: распределение осредненной осевой компоненты скорости по радиусу (слева) при диаметре сопла d = 40 мм, параметре крутки завихрителя S = 0.87, расходе жидкости Q = 3 л/с, высота над соплом составляет 10 мм. Также приведено сравнение зависимостей частоты прецессии от расхода жидкости (справа) при диаметре сопла d = 40 мм и параметре крутки завихрителя S = 0.53.
Моделирование весьма точно
повторяет эксперимент – вблизи сопла практически совпадают как структура
течения, так и положения зоны рециркуляции и пика максимума скорости. На
большем расстоянии от сопла профили отличаются сильнее. Частота прецессии
практически одинакова в эксперименте и моделировании. Т.е. можно
констатировать, что использованный метод численного моделирования достаточно адекватно
описывает исследуемое течение.
Некоторые публикации авторов:
1. Шторк С.И Винокуров А.П. Алексеенко С.В. Журнал "Современная наука", ISSN 2076-6866, №2 (10) 2012, стр. 45-49.
2. Shtork S.I., Vinokurov A.P., Alekseenko S.V. Study of unsteady swirling flow in a hydrodynamic vortex chamber // World Academy of Science, Engineering and Technology. - December 2012. - Issue 72. - P. 944-947. (Proc.International Conference on Fluid Mechanics, Heat Transfer and Thermodynamics (ICFMHTT 2012), Phuket, Thailand, December 24-25, 2012)