Проведение экспериментов на натурных энергетических установках крайне дорого и трудоемко и подчас невозможно. Экспериментальное моделирование с использованием уменьшенных лабораторных моделей широко используется для отработки конструкций агрегатов. Так применительно к топочным камерам изотермическое моделирование на геометрически подобных уменьшенных моделях на основе только одного критерия подобия, числа Рейнольдса, позволяет с относительно небольшими затратами провести исследование особенностей аэродинамики камеры, которая, в свою очередь, определяет топочный процесс. В данном случае исследования проводились с использованием стенда, который является замкнутым гидродинамическим контуром, обеспечивающим расход рабочей жидкости (дистиллированная вода) до 8 л/с. За основу геометрии модельного рабочего участка, представляющего собой канал квадратного сечения с размерами 188×188×625 мм3, взята конструкция тангенциальной топки Е-500.
Жидкость из бака 2 подается в рабочую камеру 1 с помощью центробежного насоса 3 с двигателем постоянного тока. Расход жидкости измеряется ультразвуковым расходомером 5 на участке 6. Отличительная особенность установки в том, что плоские боковые стенки модели не дают оптических искажений, позволяя использовать бесконтактные оптические методы исследования течения. Поэтому данная установка использовалась для моделирования течений не только в тангенциальных топках, а также для исследования общих закономерностей динамики вихревых течений, применимых для широкого класса аппаратов с закруткой потока. Прецессия вихревого ядра, как известно, стабилизирует пламя, но может вызывать нежелательные колебания потока и пламени. Это явление может быть подробно изучено с помощью модельных концентрированных вихрей путём исследования их основных параметров – частоты и амплитуды смещения местоположения вихревого ядра, а также изучения волновых эффектов на концентрированных вихрях.
Эксперименты на модели включали в себя визуализацию течения, которая осуществлялась с помощью мелких пузырьков воздуха, подаваемых в контур перед рабочим участком. Для регистрации картины течения использовалась зеркальная цифровая камера высокого разрешения, имеющая, кроме того, функцию записи видео с частотой 60 кадров в секунду. Так же было проведено математическое моделирование вихревых структур с использованием коммерческого пакета Star CCM+.
Диафрагмирование модельной камеры позволяет стабилизировать поток и получить в целом осесимметричную картину течения. В камере с центральной диафрагмой и плоским дном образуется устойчивый прямолинейный вихрь (слева), идущий от дна камеры. Также на рисунке представлена расчетная вихревая структура, полученная с помощью построения изоповерхности давления. Несимметричный боковой выход из рабочего канала не влияет на характер течения в рабочей камере, однако, при смещении самой диафрагмы течение в камере кардинально меняется. В камере со смещенной диафрагмой и плоским дном ось вихря сворачивается в одинарную спираль (справа), частицы вокруг камеры совершают двойное спиральное движение, также появляются зоны рециркуляции потока. На рисунке видно хорошее качественное соответствие результатов численного моделирования и визуализации вихря.
Для изучения волновых эффектов на вихрях, в рабочую камеру была вмонтирована специальная пластина, которая перекрывает ось вихря вблизи выходного отверстия. Ниже представлено видео, полученное с использованием скоростной камеры. С помощью вращающейся пластины были получены солитоны, двигающиеся с постоянной скоростью против течения. Характерной особенностью солитонов является то, что сталкиваясь, они ведут себя как частицы, что можно наблюдать на видео после отражения одного из солитонов от дна камеры.
Некоторые публикации авторов:
1. Е.С. Анохина, Д.А. Дектерев, С.И. Шторк , C.В. Алексеенко Исследование стационарных вихревых структур в модельной камере сгорания // Вестник НГУ Серия Физика, 2012, №2, с. 56-65
2. Анохина Е. С., Шторк С.И., Алексеенко С.В. Экспериментальное и численное моделирование стационарных вихревых структур// Современная наука сборник научных статей, 2012 № 2 (10), с. 68-72