Автореферат (1025750), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Последующий набор пар фотографий позволяетполучить статистически осредненное поле скоростей. Схема системы лазернойдиагностики представлена на Рис. 1.Зонд инерционного осаждения капель и микроскоп с фотокамеройDCIM510, которые использовались для измерения дисперсного составакрупных капель влажно парового потока.Конфигурация экспериментального стенда позволяет производитьисследования в каналах различной геометрии благодаря возможностииспользования съемных рабочих частей.
Они были препарированы такимобразом, чтобы обеспечить возможность применения всех выше описанныхсистем. В настоящей работе рассматривалось движение влажно паровогопотока в трех различных каналах:Плоское несимметричное сопло Лаваля (Рис. 2, а). Расчетный режим вканале достигается при величине относительного давления на выходном срезе= 0,315 и безразмерной скорости.
Величина определяется:,(1)где - статическое давление на срезе сопла; - давление полного торможенияперед исследуемым каналом.Одна из стенок сопла была продренированна для измерения статическогодавления вдоль канала.Плоское симметричное суживающееся сопло (Рис. 2, б). Данный каналиспользовался для проверки разработанной методики бесконтактногоопределения средних размеров капель.
В его боковой стенке организованны5отверстия для ввода зонда инерционного осаждения капель. Данные одисперсном составе жидкой фазы, полученные с помощью него, сравнивались срезультатами применения разработанной методики.Плоский пакет сопловых лопаток (Рис. 2, в). Решетка, состоящая из 5каналов с относительным шагом, образованных сопловыми лопатками соуглом выхода 17,6 и хордой b = 67,5 мм. Данный объект использовался приапробации разработанных методик для исследования характера движениядискретной фазы за сопловой решеткой.
Измерения производились в среднемканале решетки. Рассматривалось распределение параметров как вдоль шага(координата ), так и в осевом направлении (координата ).исоответственно равны:,(2),(3)где – координата вдоль шага; – шаг решетки; – расстояние от выходнойкромки в осевом направлении; - хорда лопатки.Для всех рассматриваемых каналов созданы расчетные сетки, построенныев сеточном генераторе ICEM CFD, которые используются для проведениячисленного моделирования.Рис. 2. Несимметричное сопло Лаваля (а), суживающееся сопло (б), плоскаясопловая решетка (в).
1 – область исследований; 2 – дренажистатического давления; 3 – отверстия для зонда инерционногоосаждения капельВ третьей главе описана экспериментально-расчетная методикабесконтактного определения средних размеров крупных капель. Подход поопределению диаметров частиц дискретной фазы заключается в расчетехарактерных траекторий движения капель (на основе осредненных полейскоростей, полученных с помощью системы «ПОЛИС») и определении вдольних основных параметров жидкой (скорости и ускорения, полученныхэкспериментально с помощью системы «ПОЛИС») и паровой (плотность,6скорость, динамическая вязкость, число Маха) фаз. Эти данные используютсядля определения средних размеров капель вдоль их траекторий.Основные допущения, используемые при разработке методики:1. Предполагается, что капли имеют сферическую форму.2. Предполагается, что из всех сил, действующих на каплю, наибольшеевлияние на характер ее движения оказывает сила аэродинамическогосопротивления, воздействующая со стороны основного потока.3.
Предполагается, что величина аэродинамического сопротивлениясферической частицы остается постоянной при изменении рассогласованиямежду направлением движения основного потока и капли.4. Предполагается, что обратное механическое воздействие капель(особенно крупных) на паровой поток минимально и им можно пренебречь.На основе сделанных предположений средний диаметр капли в каждойточке ее траектории определяется из решения уравнения движения:.(4)Здесь- масса капли;- ускорение капли; - площадь поперечногосечения капли (в плоскости, нормальной к направлению движения газа); коэффициент аэродинамического сопротивления капли; - скорость паровойфазы;- скорость жидкой фазы. При расчете величины коэффициентааэродинамического сопротивления учитывалось влияние режима обтеканиякапли (число Re) и сжимаемости сплошной среды (число M).Рассчитанная траектория является дискретным набором элементарныхотрезков (разрешающая способность получаемых снимков позволяетдобиваться разбиения траектории на отрезки длиной 0,5 – 1 мм).
При расчетеускорения капель вдоль их траекторий предполагается, что на отдельном маломотрезке скорость изменяется линейно, то есть ускорение постоянно.Система лазерной диагностики «ПОЛИС» была адаптирована дляиспользования в условиях полидисперсных влажнопаровых потоков. Выявлено,что наличие светонепроницаемой водяной пленки на поверхности оптическогостекла, интерференция лазерного ножа, засветка крупных капель приводит кнекорректному определению векторов скорости частиц жидкой фазы.
Длярешения этой проблемы был реализован эффективный механизм постобработки данных о скоростях жидкой фазы, который позволил повыситькачество получаемых данных и снизить экспериментальный шум.Основной задачей применения CFD кода в работе было получениедостоверных данных только о параметрах паровой среды.
Сравнениераспределений профильных потерь кинетической энергии вдоль шага решетки,рассчитанных с помощью CFD кода Fluent и определенных экспериментально,показало, что моделирование течения влажнопарового потока в условиях,формируемых экспериментальным стендом, сопровождается существеннойпогрешностью. Причинами наблюдаемого рассогласования можно считать впервую очередь отсутствие математического описания крупнодисперснойвлаги, а также формирования, движения и срыва с поверхности лопаткиводяной пленки.
Кроме того проявляется погрешность в определении7некоторых параметров паровой среды, которые необходимы для корректногосопоставления расчетных и экспериментальных данных.Отсутствие водяной пленки на поверхностях лопаток компенсировалосьвыбором модели турбулентности Standard k-ε, которая рассчитывает полностьютурбулентный пограничный слой в пристеночной области, что приводит кполучению завышенных потерь кинетической энергии за лопаткой. Тем самымкомпенсировалось наличие водяной пленки на поверхности профилей. Дляобеспечения возможности расчета неравновесных процессов конденсации,данная модель была модифицирована – изменено уравнение расчетатурбулентной вязкости.Погрешность в определении некоторых параметров паровой среды былаисправлена путем замены встроенных в CFD код Ansys Fluent уравненийсвойств воды и водяного пара на уравнения, рекомендованные МеждународнойАссоциацией по Свойствам Воды и Водяного Пара.Верификация с экспериментальными данными CFD кода Ansys Fluent 14 иего модифицированных компонентов проведена для несимметричного плоскогосопла Лаваля и плоской сопловой решетки.В сопле Лаваля на стенде КВП-2 создавались режимы с незначительнымперегревом пара выше температуры насыщения () на входе.
При этомрассматривались как расчетный, так и нерасчетные (с наличием всверхзвуковой части канала скачков уплотнения) режимы течения. Нареализуемых параметрах потока в сверхзвуковой области имеет месторелаксационный процесс перехода из неравновесного в равновесное состояниепара, выраженный скачком конденсации. Волновая структура сверхзвуковогопотока визуально фиксировалась с помощью теневого прибора ИАБ-451 исравнивалась с результатами численного моделирования (Рис.
3). Расчетныеданные довольно точно отображают наблюдаемую структуру потока.Сравнение распределений давления на профилированной вставке сопла такжепозволило говорить о корректности результатов моделирования.Для верификации математической модели влажного пара, производилосьэкспериментальное исследование течения за плоской изолированной сопловойрешеткой. В рамках работы производилось сравнение интегральныхкоэффициентов потерь кинетической энергии, полученных экспериментально ичисленным методом. На расстоянии 10% хорды лопатки от выходной кромкивдоль шага решетки посередине высоты лопатки осуществлялосьтраверсирование потока пара зондом полного торможения, а также измерялосьстатическое давление. Рассматривалось течение влажно парового потока приразличных начальных значениях влажности и теоретического числа Маха зарешеткой.С ростом начальной влажности пара происходит увеличение потерькинетической энергии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
