Диссертация (Прогнозирование и управление кавитационными характеристиками бустерных оседиагональных насосов кислородно-керосиновых ЖРД с использованием численного моделирования), страница 10

4.2.3).Рис. 4.2.3.Отношение площади кавитации или обратных токов к площадипроходного сечения от относительного расходного параметра.Показано, что течения, направленные против потока на входе в колесоначинаются раньше, чем при q=0.5. Несмотря на то, что результаты были67выполнены с учетом кавитации в шнеке (когда кавитационная каверна не зашлаещё вглубь канала), обратные течения существуют и на режимах работы насоса безвидимой кавитации.В работе [14] получена схожая картина кавитации (рис. 4.2.4) с картинамикавитации, представленными на рис. 4.2.1.

На рисунке 4.2.4 видны три типакавитации:–вихреваякавитация(1),котораяпоявляетсяврезультатегидродинамического взаимодействия жидкости вытекающей из зазора с напорнойстороны в сторону входа в колесо и течения жидкости на входе в насос;– кавитацию в сдвиговых слоях (2), которая появляется из-за большойскорости истечения жидкости из зазора (около 20 м/с при осреднении поокружности, при этом локально скорость больше) и меньшей скорости жидкостина входе (5 – 10 м/с);– кавитацию в зазоре или щелевую кавитацию (3), которая появляется из-заобтекания тупого угла на периферийной части лопасти.Рис. 4.2.4.

Фотография кавитации при q>0.5 (без обратных токов). Цифрамиобозначено:1 – вихревая кавитация; 2 – кавитация в сдвиговых слоях; 3 – кавитация в зазоре.68Для более детального понимания в источнике [14] представлен рисунок 4.2.5,где показаны вектора и линии тока в зазоре шнекового колеса. Слева на рисункевход в насос и впереди стоящей лопасти нет. Из представленной авторами картинывидно, что щелевая кавитация замыкается на периферийной поверхности лопасти,после чего начинает образовываться сдвиговая кавитация, которая переходит ввихревую кавитацию. Однако из полученных в результате расчета картин векторови линий тока можно дополнить рис.

4.2.5, где красным цветом и цифрой 4 показаныуточненные границы каверны, синим цветом присоединенная каверна, чернымцветом вектор радиальной скорости по всасывающей стороне.Корпус (статор)4ВсасывающаястороналопастиНапорнаястороналопастиРис. 4.2.5. Схема кавитации от утечек в зазоре, красным, синим и чернымцветом картина течения, полученная в результате расчета на исследуемом насосе.Цифрами обозначено:1 – вихревая кавитация; 2 – кавитация в сдвиговых слоях; 3 – кавитация взазоре; 4 – картина течения, полученная в результате расчета.Таким образом, из рисунка 4.2.5 видно, что часть щелевой кавитациизамыкается на периферийной поверхности (3), а оставшаяся часть (4) сносится внаправлении вихревой кавитации (1) и переходит в сдвиговую (2). Также израсчетов видно, что существует присоединенная кавитация, которая подмывается69в радиальном направлении, как потоком жидкости от вихря, так и радиальнымпотоком по всасывающей стороне.При больших входных давлениях (рис.

4.2.1, точка Δh/n2·10-6=1,54, и рис.4.2.2 точка 1), когда каверна существует, но ещё не сильно развита, кавитацияпредставляет собой профильную или пузырьковую кавитацию на входе, вихревуюкавитацию, которая окружена парожидкостной смесью, щелевую кавитацию,замыкающуюся на периферии входной кромки и частично смываемую потокомперетечек в зазоре, который (поток) переходит в сдвиговую кавитацию (рис._4.2.6).Рис. 4.2.6. Картина кавитации при больших давлениях на входе (Δh/n2·10-6=1,54).Левая картина – часть межлопаточного канала на периферии лопасти, остальныекартины показаны сечениями (верхняя часть сечений корпус, нижняя поверхностьэтих сечений является межлопаточным каналом, а не втулкой, напорная стороналопасти не показана).

Цифрой 4 обозначена область замыкания каверны накорпусе.Вблизи входной кромки видно, что кавитация замыкается на корпусе, однаков реальной конструкции насоса, в месте замыкания каверны на корпусе, диаметркорпуса немного увеличивается в сторону входа (как будет показано ниже, вданном расчетном случае, на кавитационные характеристики это сильно не влияет).Это совпадает с результатами, полученными в статье [14, 28], где показана зонаэрозии на корпусе, а про замыкание каверны на корпусе сказано, что при большихзазорах каверна не замыкается на корпусе, однако объяснения этого явления вданных источниках нет.При дальнейшем снижении входного давления начинает появляться четкаяприсоединенная каверна на всасывающей стороне лопасти, а жгут, как и область70парожидкостной смеси (щелевая кавитация или кавитация в сдвиговых слоях),начинает увеличиваться по длине и ширине, вплоть до определенного давления навходе, в данном расчетном случае соответствующего Δh/n2·10-6=0,455 (рис.

4.2.2точка 2) и представленного на рис. 4.2.7. Данное явление развития кавитациисовпадает с источником [105], где сказано, что щелевая кавитация и вихрь на входедолжны достигнуть крайних стадий своего развития в то время, как профильнаякавитация будет находиться ещё в стадии возникновения.Рис. 4.2.7. Картина кавитации при Δh/n2·10-6=0,455. Левая картина – частьмежлопаточного канала на периферии лопасти, остальные картины показанысечениями (верхняя часть сечений корпус, нижняя поверхность этих сеченийявляется межлопаточным каналом, а не втулкой, напорная сторона лопасти непоказана).При уменьшении относительного кавитационного запаса до Δh/n2·10-6=0,33,жгут уменьшается и распадается на мелкие пузыри – парожидкостную смесь,которая увеличивается по длине вглубь канала.

При этом присоединеннаякавитация смещается вглубь канала вслед за щелевой кавитацией. Похожее течениепоказано в источнике [91].71При снижении Δh/n2·10-6≈0,238 жгут (вихревая кавитация) доходит доследующей кромки в виде парожидкостной смеси (рис. 4.2.1). Присоединеннаякаверна растет во всех направлениях.На продвинувшуюся вглубь канала каверну (рис.

4.2.2. точка 3 соответствуетΔh/n2·10-6=0,207) начинают действовать три потока (рис. 4.2.8). Первый – этоперетечки с напорной стороны на всасывающую (рис. 4.2.8 - а), второй – этовторичное течение или перетечки из зазора (рис. 4.2.8 - б), а третий – это основнойпоток на входе в шнек.Рис. 4.2.8. Картина кавитации при Δh/n2·10-6=0,207. Левая картина – частьмежлопаточного канала на периферии лопасти, остальные картины показанысечениями (верхняя часть сечений корпус, нижняя поверхность этих сеченийявляется межлопаточным каналом, а не втулкой, напорная сторона лопасти непоказана).

Буквой а – обозначено первичное течение через зазор; б – вторичноетечение через зазор.При перетекании с напорной стороны лопасти на всасывающую поток можетобладать большой скоростью. Таким образом, дойдя до напорной стороны72следующей лопасти, одна часть потока течет через зазор, образуя вторичноетечение (4.2.8 б), а вторая часть потока, ударяясь о напорную сторону, создаетвихрь, в котором может образовываться каверна (рис.

4.2.8 – сечения 5 и 6).Вторичное течение из зазора выходит с меньшей скоростью и изменяет своёнаправление. Изменение направления во вторичном потоке обусловлено тем, чтоскорость потока упала и уже сравнима со скоростью на входе в колесо.Вторичное и первичное течение создают область взаимодействия двухпотоков, скорость в которой падает и повышается статическое давление, за счетчего происходит локальное схлопывание пузырей в парожидкостной смеси иобразовывается жидкостная область. Данное явление видно в различных работах[13, 16] и для примера представлено на рисунке 4.2.9.Конец каверныЗонавзаимодействияпервичного ивторичноготеченияРис. 4.2.9.

Кавитация в межлопаточном канале шнека постоянного шага суглами установки лопасти на периферии менее 10 градусов на режиме течения безобратных токов [13]. Течение жидкости снизу вверх.На напорной стороне, как уже было сказано выше, образуются вихревыеструктуры, в которых течет парожидкостная смесь. Эти вихревые структурыбывают парными (рис.

4.2.8 – сечение 5, 6). Первая вихревая структура образованапервичным (или вторичным) течением, а вторая радиальным потоком вдольлопасти. Данное течение можно увидеть у Лакшминараяна (рис. 4.2.10), когдапограничные слои на напорной стороне взаимодействуют с зоной интерференции[4, 94].При продвижении каверны глубже по межлопаточному каналу6(Δh/n2·10-=0,184, рис.

4.2.11 сечения 1-9) виден рост присоединенной каверны не только в73сторону выхода, но и в сторону входа. Присоединенная каверна покрытагазожидкостной смесью по всей длине канала, но по концентрации содержанияпаров нельзя уверенно сказать есть ли четкая граница раздела фаз или нет.Рис.

4.2.10. Схема течения в осевом преднасосе.На рис. 4.2.11 (рис. 4.2.2 точка 4) видно появление третичного потока,которыйпрактическинеотличаетсяповекторам направлениятеченияотносительной скорости от основного потока, однако привносит влияние в течениена входе.Замыкание парожидкостной смеси на корпусе занимает почти весь входнойучасток колеса по периферийной части лопасти. Течение на входе в колесопрактически не возмущено обратным потоком вторичных и третичных течений,что объясняется потерей энергии при смешении с основным потоком в колесе.Данное обстоятельство видно и на рисунке 4.2.9, где на входном участке колесаимеются лишь небольшие облака пузырьков направленных против движенияосновного потока.На первичных и вторичных течениях в зазоре образуются устойчивыекаверны в сдвиговых слоях (рис.

4.2.11 сечения 4, 6, 8, 9), которые дойдя донапорной стороны, образуют вихревые жгуты с кавернами (рис. 4.2.11 сечения 710), и, если в случае вторичного течения вихрь с каверной существовал толькоодин, то в данном случае их образуется два, хотя и механизм появления вихрей,описанный выше, остался тем же самым.