Нарушение критериев подобия

Нарушение критериев подобия

При соблюдении всех критериев подобия в любых сходственных точках натуры и модели поверхности тока остаются геометрически подобными. Отступления от критериев подобия связаны с несоответствием поверхностей  тока в натуре и модели, и размеры этого искажения в каждом случае необходимо тщательно оценивать. Без такой оценки исследование на моделях может привести к решению задачи, имеющей мало общего с реальной проблемой.

Вместе с тем, если в натурных условиях и в модели турбомашины рабочее тело имеет одни и те же физические свойства и если поставить условие, чтобы наравне с соблюдением одинакового числа М также было равенство чисел Re, то это означало бы не только равенство скоростей в натуре и модели, но и сохранение линейных размеров. Другими словами, даже при сохранении этих двух критериев моделирование стало бы невозможным. Тем более немыслимо выполнение всех критериев подобия. Поэтому встает вопрос о допустимых отклонениях от критериев подобия, при которых в модели можно было бы изучать физические явления, приблизительно подобные натурным.

Геометрическое подобие – главное требование к модели. Однако в ряде случаев возникают непреодолимые препятствия для соблюдения полного геометрического подобия, Например, при сильном уменьшении выходные кромки лопаток могут оказаться чрезмерно тонкими и технологически невыполнимыми. Слишком малые зазоры между статором и ротором – также могут быть практически недопустимыми. Всегда в некоторой мере получается различная шероховатость обтекаемых поверхностей в натуре и модели.

Нарушения геометрического подобия допустимы только в тех случаях, когда есть уверенность, что то или иное отклонение от натуры не отражается  существенно на исследуемых характеристиках турбомашин и физических явлениях или когда возможно внесение надежных поправок. Так решаются вопросы о зазорах между статором и ротором, о шероховатости поверхностей, о ширине лопаток и др. Но в ряде случаев несоблюдение геометрического подобия может повлечь коренное нарушение общей картины течения, напри- мер при замене плоских торцовых стенок у внешних границ направляющих каналов на цилиндрические, при сильном нарушении геометрического подобия входных и выходных патрубков, при изменении формы меридионального сечения проточной части и т. п..

Кинематическое подобие – второе важное условие моделирования. Это условие также редко полностью выдерживается. При построении моделей турбомашин обычно главное внимание направлено на подобие треугольников осредненных скоростей, что связано с соблюдением важнейших характеристических коэффициентов: , , , , но часто нет возможности выдержать кинематическое подобие потоков при входе в ступень и выходе из нее с учетом вторичных течений.

Нарушение кинематического подобия чаще всего связано с отклонениями от геометрического моделирования и от критериев динамического подобия.

Критерии динамического подобия при построении модели, как правило, приходится существенно нарушать. Важнейшая задача теории турбомашин – оценка влияния неточностей моделирования на характеристики исследуемых элементов проточной части.

Область, в которой влияние того или иного критерия пренебрежимо мало – область приближенной автомодельности по этому критерию. Выполнение модели и условий эксперимента таким образом, чтобы опыты протекали в области автомодельности, приводит к наиболее надежным результатам.

Вам также может быть полезна лекция "3 Психологическая традиция изучения конфликтов".

Рассмотрим влияние отклонений основных критериев динамического подобия на рабочий процесс в турбомашинах.

Число М должно рассматриваться совместно с отношением теплоемкостей k. Но если рабочее тело имеет одинаковые физические свойства как в натуре, так и в модели, то вопрос стоит о моделировании только по числу М.

Когда речь идет о потоках при числах М = 0,2…0,3, то погрешности при отступлении от натурного числа М не играют роли. При больших же числах М даже малое его изменение по сравнению с натурным может привести к существенным изменениям кинематики потока.

Число Струхаля играет важную роль в нестационарных процессах. Явления нестационарности наблюдаются в любой ступени турбомашины, работающей в условиях обтекания профилей лопаток неравномерным потоком. С этой точки зрения неправомерно распространение результатов испытаний неподвижных решеток на ступени турбомашины.

В турбостроении долгое время принималось за истину, что решетки профилей, показавшие хороший результат при стационарных испытаниях, должны быть оптимальными и в условиях действующей ступени. Не отрицая, разумеется, всю важность отработки решеток профилей в стационарных условиях, все же следует заметить, что при вращении решеток протекающий в них процесс существенно меняется. Поэтому несоблюдение критерия Струхаля нередко приводило к достаточно сильным эффектам, вносившим корректировку в статические испытания.

Число Рейнольдса существенно меняется вместе с изменением размера модели. Например, модели колес крупных гидротурбин имеют диаметр в 20…30 раз меньше натурного, и число Re_м может быть в десятки раз меньше Re_н. Большие отступления от критерия Рейнольдса приходится допускать также при моделировании процессов в паровых и газовых турбинах, особенно при резко отличающейся плотности рабочего тела в модели и в натуре.