Диссертация (Прогнозирование и управление кавитационными характеристиками бустерных оседиагональных насосов кислородно-керосиновых ЖРД с использованием численного моделирования), страница 4

1.2.1.2) мы18получаем универсальную кавитационную характеристику, по которой можнопостроить примерную кавитационную характеристику.Рис. 1.2.1.2. Универсальная кавитационная характеристика насоса.Современные методы трёхмерного моделирования гидрогазодинамики сприемлемойточностьюпозволяютсмоделироватьтотилиинойтипгидродинамической кавитации в насосах с учетом различных входных давлений.1.2.2. Визуальное изучение и типы гидродинамической кавитацииВизуальное изучение гидродинамической кавитации основано на фото ивидео съёмке и позволяет определить и изучить различные типы кавитации.Однако, визуальное исследование кавитации в насосах не всегда возможно, в томчисле из-за стенда или щелевой кавитации, которая закрывает почти всёпериферийное сечение межлопаточного канала.Для описания процессов, происходящих в оседиагональных насосах, приразвитии кавитации необходимо выделить основные типы кавитации, описанные19при помощи визуального наблюдения.

Приведем типы гидродинамическойкавитации по классификации Acosta A.J [1].1.1.1. Перемещающаяся кавитация или перемещающиеся пузырьки кавитации(traveling bubble cavitation) – пузырьки (сферической формы, хотя и невсегда) перемещающиеся в потоке приблизительно с той же скоростьючто и поток. Данный тип кавитации изображен на рис. 1.2.2.1.Рис. 1.2.2.1. Перемещающаяся пузырьковая кавитация [1, 9, 3, 49].1.1.2. Пленочная(присоединенная)кавитация(sheetcavitation)–ссуществованием четкой поверхности раздела фаз, обычно находится навходной кромке или на носу у осесимметричных тел. Данный типкавитации изображен на рис.

1.2.2.2.Рис. 1.2.2.2. Пленочная кавитация [1, 56].201.1.3. Суперкавитация – это кавитация, при которой полость каверны сильноразвита и схлопывается за пределами профиля. Принципиальное отличиесуперкавитационного течения в том, что его характеристики остаютсястабильными, но потери энергии увеличиваются. Данный тип кавитацииизображен на рис. 1.2.2.3.Рис. 1.2.2.3. Суперкавитация [29, 79]1.1.4. Кольцевая кавитация (bubble ring) - очень кратковременная форма кольцавблизи поверхности тела - в отдельном регионе и изображена на рис.1.2.2.4.21Рис.

1.2.2.4. Кольцевая кавитация [1].1.1.5. Опоясывающая кавитация (band cavitation) – состоит из множествапузырьков образующих макроскопическую область кавитации [1] иизображена на рис. 1.2.2.5.Рис. 1.2.2.5. Опоясывающая кавитация [1].1.1.6. Зафиксированноепятнокавитации(fixedpatchcavitation)–присоединенная форма кавитации обычно клинообразной формы,начинается в месте минимального коэффициента кавитации [1].Фотография данного типа кавитации представлена на рис. 1.2.2.6.22Рис. 1.2.2.6. Зафиксированное пятно кавитации [9].1.1.7.

Двигающееся пятно кавитации (traveling patch cavitation) – та же формакавитации, как и в предыдущем пункте, которая двигается вниз по потоку,постепенно, сливаясь с перемещающимися пузырьками кавитации.1.1.8. Местная кавитация (spot cavitation) – область кавитации, больше похожаяна струйку или пятно (обычно возникает из-за шероховатости,неровностей, уступов и т.д.).1.1.9.

Кавитация в виде облака (cloud cavitation) – скопление пузырей кавитации,обычно образуется вокруг плохо обтекаемых тел, при нестационарномразрушении пленочной каверны вниз по потоку при обтеканиигидрокрыльев и лопастей, а также появляется в сдвиговых течениях иструях. Изображение данного типа кавитации дано на рис. 1.2.2.7.Рис. 1.2.2.7. Кавитация в виде облака [15].1.1.10.Вихревая кавитация на кромке (tip vortex cavitation) – сильновращающийся поток, образованный перетеканием потока с напорной23стороны лопатки на всасывающую. Фотографии данного типа кавитациипредставлены на рис.

1.2.2.8.Рис. 1.2.2.8. Вихревая кавитация на кромке [44, 81].1.1.11.Вихревая кавитация (vortical cavitation) - появление этого типакавитации происходит из-за того, что давление в центре вихря понижаетсядо давления насыщенных паров, происходит разрыв жидкости, иобразуются сплошные полости. Также такой тип кавитации образуется заплохообтекаемымителами.Изображениевихревойкавитациипредставлено на рис. 1.2.2.9.Рис.

1.2.2.9. Вихревая кавитация [11, 44].1.1.12.Присоединенная кавитация (attached cavitation) – образуется в поленизкого давления на входной кромке, когда жидкость отделяется отповерхности и образуется паровая полость. Главное отличие данного типа24кавитации от пленочной кавитации в том, что пленочная кавитациястационарна, присоединенная кавитация имеет колебания, зачастуювидны отдельные пузырьки или отдельные каверны. Присоединеннаякавитация изображена на рис. 1.2.2.10.Рис.

1.2.2.10. Присоединенная кавитация [44].1.1.13.Сдвиговаякавитация(shearcavitation)–появляетсявнутрипристеночных сдвиговых слоёв, а также внутри свободных сдвиговыхслоёв или в результате гидродинамического взаимодействия когерентныхвращающихся структур. Сдвиговая кавитация может появляться в волнах,в затопленных струях с большим числом Рейнольдса или на лопастях сбольшим углом атаки потока.Также стоит добавить еще два типа кавитации, представленные в источниках [8,93]:1.1.14.Кавитация в обратных токах (backflow cavitation) – появляется нарежимах образования обратных течений, при дальнейшем уменьшениивходного давления обратные токи исчезают и каверна уходит вглубьмежлопаточного канала.

Фотография кавитации в обратных токахизображена на рис. 1.2.2.11.25Рис. 1.2.2.11.Кавитация в обратных токах [8].1.1.15.Щелевая кавитация – образуется при протекании жидкости с большимперепадом давления через зазор, например между лопастями рабочегоколеса и корпусом [93]. Данный тип кавитации представлен на рис.1.2.2.12.Рис.

1.2.2.12.Щелевая кавитация [40].Как видно из классификации кавитации, существует как минимум 15основных типов кавитационных каверн, в том числе и пузырьковых. В насосахЖРД встречаются следующие типы: перемещающаяся пузырьковая кавитация нарежимах течения с малыми углами атаки; пленочная кавитация встречается на всехтипах шнековых или шнекоцентробежных насосов; супер кавитация встречается26лишь во время срыва насоса; зафиксированные или двигающиеся пятна кавитации,а также местная кавитация появление которых обусловлено шероховатостью;кавитация в виде облака; вихревая кавитация на кромке; вихревая кавитация, какпоказано на рис.

1.2.2.9 может появиться у втулки насоса; присоединенная каверна;сдвиговая кавитация появляется от перетечек в зазоре с напорной стороны лопастина всасывающую; кавитация в обратных токах; щелевая кавитация.Данных по возникновению того или иного типа кавитации в шнековых илиоседиагональных насосах в зарубежной и отечественной литературе имеетсянемного. Это связано с тем, что зачастую такие типы кавитации как пленочную,зафиксированные и двигающиеся пятна, местную, в виде облака, присоединенную– трудно заметить из-за щелевой кавитации, которая, как видно из рисунка 1.2.2.12,распространяется вглубь межлопаточного канала. В связи с этим возникаетнеобходимость применения численных методов для исследования и анализакартины развития кавитации.В источниках [3, 11] рядом авторов была рассмотрена и подтвержденавозможность использования программного пакета ANSYS CFX для визуализациикартин кавитации в шнековых и оседиагональных колёсах.1.3.Расчетно-статистические методы определения кавитационныххарактеристик и качеств насоса по второму критическомурежимуВ отечественной литературе кавитационные свойства насосов ЖРДоцениваются кавитационным коэффициентом быстроходности профессора С.С.Руднева [85] по формуле: =5,62√∆ℎ 0,75где ΔhII – кавитационный запас по второму критическому кавитационномурежиму.Кавитационный запас:271212∆ℎ = + 22где 1 – абсолютная скорость на входе, 1 – относительная скорость на входе, – кавитационный коэффициент кавитации.В зарубежной литературе также имеется сходный коэффициент [13, 33,48]: =где, NSPH =Pвх −Psρg+c2вх2g√21.2 ∙ √или=0,750,75, м – надкавитационный напор на входе (кавитационныйзапас) (net positive suction head).Коэффициент кавитации из источника [62] (формула Петрова В.И.): = 0,115̅1 +0,116+ 0,21√1̅ +√̅сргде, ̅1 =срср10,0341 + 0,1( ̅ ∙ 10)+ 0,0027( − 2) − 0,095– относительная осевая скорость, u – окружная скорость, ̅ср =- относительная длина лопасти на среднем диаметре шнека, ср – длина лопастина среднем диаметре, 1̅ =1ср- относительная толщина лопасти, ср – среднийдиаметр лопаток, 1 – толщина лопасти на среднем диаметре, ̅ =ср-относительная длина клинообразности лопастей на среднем диаметре, l – длинаклина лопасти на входе по среднему диаметру, z – число лопастей.По влиянию относительной длины лопасти в источнике [62] сказано, что этозначение должно быть больше или равно 2,3.

Это необходимо для получениявысоких антикавитационных свойств решетки.В источнике [85] сказано, что уменьшение толщины лопасти колеса на входеувеличивает антикавитационные свойства насоса. Данные в этом источникепредставлены для четырех разных углов атаки (от 4 до 10 градусов). Показано, чтос уменьшением толщины лопасти антикавитационные свойства по второмукритическому режиму улучшаются по линейной зависимости.Для относительной длины клинообразности в источнике [85] представленыданные, из которых видно, что при всех прочих равных параметрах28антикавитационныесвойстванасосаповторомукритическомурежимуулучшаются с увеличением относительной длины клинообразности, особенно напериферии колеса. Если относительная длина клинообразности на среднемдиаметре будет больше 0,5, то влияние на антикавитационные свойства по второмукритическому режиму этот параметр имеет очень слабое.

Начиная с 0,35 и до 0,5имеется небольшое влияние, а с 0 и до 0,35 сильное влияние на антикавитационныесвойства в сторону их ухудшения. Данные в этом источнике представлены длячетырех разных углов атаки (от 4 до 10 градусов).Чем больше количество лопаток, тем большую густоту необходимо иметьдля одних и тех же антикавитационных свойств шнекового насоса. Количестволопаток рекомендуется брать 2 или 3, если нет ограничений на осевую длину.В следующей работе [97] авторов, была уточнена формула влиянияклинообразности лопасти:4 ср0,030,043 ∙ (√− 1) вместо4ат ср1 + 0,1( ̅ ∙ 10)где ср – угол клинообразности на среднем диаметре; ат ср – угол атаки на среднемдиаметре.