Диссертация (Разработка и реализация методики определения параметров жидкой фазы влажно парового потока в элементах проточных частей турбомашин), страница 11

Опыт эксплуатации системы «ПОЛИС» [12, 19, 73, 74] показал, что наданный момент реализация IPI метода во влажно паровом потоке затруднительнав связи с большой концентрацией капель в потоке.В настоящей работе используется PIV метод. Данная методика реализованав программном комплексе ActualFlow, интегрированном в систему «ПОЛИС».Принцип действия подробно описан в [57]. Каждое изображение разбивается наэлементарные области, в которых рассчитывается максимум корреляционнойфункции:1 2 , = /2=− /2 /2=− /2 1 (, )∙ 2 ( + , + ),(2.1)где I1(x,y) и I2(x,y) - интенсивность отраженного от частиц и зарегистрированногокамерой света (степень серого) в элементарной области для первого и второгокадров соответственно.

Максимумом корреляционной функции соответствуетнаиболее вероятному смещению трассеров [57]. При этом используетсяподпиксельная точность для достижения наибольшей точности определениясмещения системы в элементарной области.Для расчета выражения (2.1) используется стандартный алгоритм быстрогопреобразования Фурье с применением корреляционной теоремы, в соответствии скоторой [57]:1 2 = ℑ−1 ℑ 1 ∙ ℑ∗ 2 ,(2.2)uде ℑ и ℑ−1 – прямое и обратное преобразование Фурье соответственно. Врезультате в каждой элементарной области по максимуму корреляционнойфункции определяется величина смещения трассеров между двумя кадрами ().Зная величину задержки между двумя импульсами лазера (∆) можно определитьвектор скорости:=∙ ,∆(2.3)72где S - масштабный коэффициент для пересчета скорости в м/сек.

Разработчикисистемы «ПОЛИС» отмечают следующие характеристики PIV метода [57]:Диапазон измеряемых скоростей 0,001-1000 м/с.Базовая погрешность измерения полей скорости – не более 1 %.Общий алгоритм работы PIV метода представлен на Рисунке 2.14.Рисунок 2.14.Кросскорреляционные алгоритм вычисления векторов скорости по изображениямчастиц в потоке [57]Помимоопределениямгновенныхполейскоростей,алгоритмы,реализованные в программе ActualFlow, позволяют получать статистическиосредненные картины течения по группе полученных в результате работы PIVалгоритма распределений скоростей в потоке [57].

Данная процедура основана наанализе функции плотности вероятности (ФПВ) пульсаций скорости в каждойпространственной точке, которой соответствует вектор скорости. Основноепредположение, на котором построен подход – это экспоненциальное (гауссово)затухание ФПВ. На основе этого метода происходит фильтрация векторных полейитерационным путем: все вектора, для которых хотя бы одна компонентаскорости не попадает в область осредненного отклонения от среднего значения,считаются неверными. После проведенной фильтрации производится расчетосредненногополяскоростейпутем расчета математического ожиданиякомпонентов скорости в каждой точке исследуемой области.73В [68] изложены общие принципы и рекомендации по применению системылазерной диагностики «ПОЛИС» для исследования влажно паровых потоков.2.1.5. Измерение размеров капель с помощью метода инерционногоосажденияВерификация разрабатываямой в данной работе методики бесконтактногоопределения размеров капель производилась с использованием метода осаждения,позволяющего определять дисперсный состав капель в потоке.

Этот подходоснован на инерционном осаждении капель влаги на покрытую вязким масломпластину. Схема зонда представлена на Рисунке 2.15. На улавливающую пластину(3), которая расположена на штанге (1), наносится слой вязкого вещества (вданном случае силиконовый вазелин, разбавленный керосином).

После чегоштанга устанавливается во внешний корпус (2) таким образом, чтобы осьприемного отверстия (4) была параллельна плоскости улавливающей пластины.При этом положение штанги относительно внешнего корпуса (2) обеспечивается спомощью направляющих штифтов (5). Данный зонд устанавливается в потоктаким образом, чтобы вектор скорости среды был направлен вдоль оси приемногоотверстия (4). После чего штанга прокручивается вокруг своей оси на 180градусов, тем самым открывается и закрывается доступ для полидисперснойсреды к улавливающей пластине (3). На поверхность вязкого слоя попадаюткапли и консервируются на нем.

Зонд выводится из потока и улавливающаяпластина устанавливается под микроскоп (см. Рисунок 2.16). Установленной наокуляр оптического прибора цифровой фотокамерой DCIM510 делается снимокосажденныхчастицжидкойфазы.Обработкаполученныхфотографийпроизводится в специализированной программе ScopePhote. Зная о величинемасштабного коэффициента (какое количество пикселей изображения содержитсяв одном миллиметре), можно определить размеры каждой капли на изображении.74Рисунок 2.15.Зонд инерционного осаждения капель.

а: схема зонда; б: внешний вид штанги сулавливающей пластинкойРисунок 2.16.Оптический микроскоп с установленной цифрой фотокамерой2.1.6. Рабочая часть и исследуемые объектыДля проведения исследований в одиночных каналах использоваласьсъемная рабочая часть, представленная на Рисунке 2.17.75Рисунок 2.17.Рабочая часть для исследования одиночных каналовДля решения задачи 2, поставленной в первой Главе, экспериментальныеисследованияпроводилисьвплоскомнесимметричномсоплеЛаваля,геометрические характеристики которого представлены на Рисунке 2.18, здесь жеизображена схема рабочей части. Расчетный режим исследуемого каналадостигается при величине = 0,315 на срезе сопла, значение определяется последующей формуле:=0,(2.4)где - статическое давление в точке исследуемого канала; 0 – давление полноготорможения потока перед соплом. При этом на срезе сопла достигаетсябезразмерная скорость = 1,34.Пар в рабочую часть поступает из ресивера КВП 2.

В ее боковой стенкеорганизовано отверстие, в которое установлено оптическое стекло (8 на Рисунке2.18). Оно предназначено для визуального наблюдения с помощью теневогоприбора ИАБ-451 за волновыми процессами, проявляющимися в потоке. Приэтом отверстия 8 выполнены с двух сторон рабочей части, а их образующаяограничиваетобластьоптическихнаблюдений.Специальныекамеры2,76предназначены для отбора водяной пленки с поверхности и ее удаления черездренажи 3, которые соединены с системой сепарации пленки, о которой будетсказано ниже.

Организованная таким образом сепарация необходима дляповышения качества работы оптических методов исследования, так какобразующаясянастеклахводянаяпленкарасфокусируетполучаемоеизображение, а также уменьшает количество поступающего на регистрирующиеприборы света.Для определения начальных параметров пара перед соплом в рабочей частиустановлены зонды давления полного торможения 1 и температуры полноготорможения 4.

В профилированной вставке сопла 5 сделано сверление (7),выведенное за пределы рабочей части, которое предназначено для измерениястатического давления влажнопарового потока за исследуемым каналом.Помимо визуального наблюдения за проявлением волновой структурысверхзвукового потока, в сопле Лаваля производилось измерение статическогодавления вдоль профилированной стенки канала (см. позицию 5 на Рисунке 2.18),в которой были организованны дренажные отверстия. На Рисунке 2.19представлено расположение дренажных отверстий с их относительнымикоординатами вдоль оси x.Началом координат для оси является положение горла канала.

Значенияотносительных координат, отмеченных в прямоугольниках на Рисунке 2.17,определялись следующим образом:= ,(2. 5)где x – координата вдоль сопла, исходящая из геометрического минимальногосечения; L – длина расширяющейся части канала (72,5 мм). Измерениестатического давления проводилось с помощью парокоммутатора ИДК-16.77Рисунок 2.18.Геометрические характеристики сопла Лаваля и схема рабочей части78Рисунок 2.19.Расположение дренажей для измерения статического давления на стенкеПринципиальнаясхемасистемысепарациипленкисторцевойповерхности исследуемого канала через щели (позиция 2 на Рисунке 2.19)представлена на Рисунке 2.20. Отсос пароводяной смеси производился за счетсоздания в мерном баке (1) разряжения с помощью водоструйного эжектора (2).Величина перепада давления на щели регулировалась с помощью вентиля (3).Сепарируемая вода осаждалась в мерном баке, а пар поступал в смешивающуюкамеру эжектора, где происходил процесс его конденсации.