Диссертация (1025751), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Используемый в настоящей работеэкспериментальный стенд формирует в первую очередь крупные капли, поэтому вданном случае возможно существенное механическое взаимодействие междуфазами, которое может влиять на параметры паровой среды. Таким образом,необходимо проверить корректность применения расчетной модели влажногопара для разрабатываемой методики в обеспечиваемых экспериментальнымстендом условиях.Для верификации математической модели влажного пара, производилосьэкспериментальноеисследованиетечениявлажногопаразаплоскойизолированной сопловой решеткой.
Объект исследования представлен на Рисунке2.26, его геометрические характеристики отображены в таблице 2.2, а схемаэксперимента - на Рисунке 2.27. В рамках исследования производилось сравнениеинтегральныхкоэффициентовпотерькинетическойэнергии,полученных134экспериментально и численным методом. На расстоянии 0,1b от выходной кромкивдоль шага решетки посередине высоты лопатки производилось траверсированиепотока пара зондом полного торможения, а также измерялось статическоедавление. Рассматривалось течение влажнопарового потока при различныхначальных значениях влажности и теоретического числа Маха за решеткой.Величина потерь кинетической энергии в точке определялась по формуле [23]:=21−1 1 2−10 −−1 ,(3.27)где – показатель изоэнтропы (для влажного пара = 1,13); 1 - теоретическоечисло Маха за решеткой, которое определяется по формуле:−10 1 =−12−112,(3.28)где 0 - давление полного торможения перед решеткой; - статическое давлениеза решеткой.
В формуле (3.27) величина 0 определяется следующим образом:0 = 010,(3.29)где 01 - давление полного торможения в точке за решеткой. Для определенияинтегрального значения потерь кинетической энергии использовалось простоевыражение:Σ =01 ,(3.30)где t – шаг решетки; x – координата вдоль шага решетки.Моделирование течения в межлопаточном канале производилось на сетке,представленной на Рисунке 2.31.Результаты проведенного исследования представлены на Рисунке 3.17, накотором отображены значения интегральных потерь кинетической энергии приразличных значениях начальной влажности пара и теоретического числа Маха зарешеткой.135Рисунок 3.17.Профильные потери кинетической энергии при различной начальной влажности и теоретическом числе Маха зарешеткой136С ростом начальной влажности пара происходит увеличение потерькинетической энергии.
Применение CFD кода с модифицированной модельютурбулентности дает завышенное значение потерь кинетических энергиипрактическидлямаксимальноевсехзначенийабсолютноеначальнойзначениевлажности.рассогласованияПривмалыхy0расчетныхиэкспериментальных данных составляет порядка 1,5 %. С ростом начальнойвлажностиотличияврезультатахмоделированияипневмометрическихизмерений снижается и при y0 = 10% они практически отсутствуют. Стоитотметить,чтосерьезноеизменениепотерькинетическойэнергииприварьировании начальной влажности пара происходит в области кромочного следа.На Рисунке 3.18 представлены экспериментальные распределения потерькинетической энергии при различных значениях y0. Полученные данные хорошосогласуются с результатами [36, 42].35ζ, %30y0 = 3%25y0 = 8%y0 = 10%2015105x000,10,20,30,40,50,60,70,80,91Рисунок 3.18.Распределение коэффициентов потерь кинетической энергии вдоль шага зарешеткой при различных значениях начальной влажности пара и теоретическомчисле маха M1t = 0,75137Потери в ядре потока при изменении начальной влажности пара от 3% до10% возрастают в 2 раза от 1% до 2%, что обусловлено термодинамическимипроцессами фазовых переходов.
В тоже время величина ζ в кромочном следе вабсолютном значении изменяется существенно – их максимум растет на 6%. Этообусловлено изменением характера течения основной фазы вблизи стеноклопаток решетки и в области выходной кромки, вызванные в первую очередьпроцессами, которые интенсифицируются при наличии крупных капель в потоке.На вогнутой поверхности профиля при отсутствии влаги практически повсей ее длине сохраняется ламинарное течение при условии малой степенитурбулентности потока перед решеткой (что справедливо для используемого вработе пародинамического стенда КВП-2).
Однако появление на стенках каналаводяной пленки, связанное в первую очередь с оседанием на нее крупных капель,приводит к существенным изменениям параметров в пограничном слое. Помимоповышения вязкости и образования пограничного подслоя жидкой фазы,существенное влияние также имеет режим течения пленки [30].
Формированиеволн на поверхности раздела парового и водяного пограничных слоев вследствиеспутного движения фаз приводит к появлению вихрей. Это связано собразованием чередующихся конфузорных и диффузорных участков течения наволновой поверхности. Схема их появления представлена на Рисунке 3.19. Такимобразом, можно утверждать, что механизм взаимодействия фаз на волновойгранице раздела турбулизирует пристеночный паровой поток. Помимо этого, придостижениивводянойпленкенекоторогорасхода,нанейначинаютформироваться шквалистые волны [64], с которых срываются дискретныечастицы жидкой фазы, что также является источником турбулентности.Можно сделать вывод, что увеличение расхода в пленке вследствие ростаначальной влажности, является причиной того, что пограничный слой навогнутой поверхности лопатки переходит в турбулентный режим гораздо раньше,чем при отсутствии капель в потоке.
Это может быть одной из причин ростапотерь кинетической энергии при увеличении начальной влажности.138Рисунок 3.19.Схема зарождения вихрей вблизи волновой поверхности раздела фазНа энергетические характеристики паровой фазы в кромочном следе такжеимеют влияние «утолщение» выходной кромки, вызванное опять же наличиемводяной пленки на поверхности лопатки, а также процесс ее срыва и дробления впотоке.Применяемаяматематическаямодельучетавязкостныхэффектоврассчитывает только турбулентные режимы течения в пограничном слое вблизистенок канала.
Поэтому она дает завышенные значения потерь кинетическойэнергии при малых значениях начальной влажности. По мере повышения y0интенсифицируются описанные выше процессы, приводящие к росту диссипацииэнергии. Это способствует хорошему совпадению экспериментальных ирасчетных данных при больших значениях начальной влажности пара.Таким образом, в целях получения корректных данных только о паровойфазе, отсутствие учета в CFD коде крупных капель можно компенсироватькорректным выбором модели турбулентности.
Однако для этого необходимознание о наличии на поверхности лопаток развитой водяной пленки. Имея этиданные можно для малых значений начальной влажности (в данном случае дляy0= 3%) использовать переходные модели учета эффекта вязкости, такие какTransition SST или k-kl-ω (они учитывают турбулентное, ламинарное и139переходное течение). С ростом y0 необходимо переходить на модели,учитывающие только турбулентное течение.В настоящей работе для всех режимов используется модифицированная вразделе 3.5.1 k-ε модель турбулентности, так как погрешность, вносимая ею прималых значениях начальной влажности, автор считает приемлемой при оценкесредних размеров капель.Апробация3.7.методикибесконтактногоопределениясреднихразмеров капельРазработанная в данной Главе расчетно-экспериментальная методикабесконтактного измерения размеров капель с помощью системы лазернойдиагностики и интегрированного в нее корреляционного метода определенияполей скоростей PIV верифицировалась в суживающемся сопле.
На данныймомент применение корреляционного PIV алгоритма позволяет определятьсредние по концентрации размеры капель, поэтому ниже будут рассматриватьсяименно эти характеристики дисперсной фазы. Кроме того, необходимо отметить,что измеряются диаметры только крупных капель. Объект исследования,изображен на Рисунке 2.21. Схема измерения представлена на Рисунке 2.22.Сравнениепроводилосьсданными,полученнымиспомощьюзондаинерционного осаждения капель (см.
Рисунок 2.15), который вводился в потокчерез отверстия, расположенные как указано на Рисунке 2.22, а их координатывдоль оси сопла – в таблице 2.1. Для численного моделирования потокаиспользовалась расчетная сетка, изображенная на Рисунке 2.30. Рассматривалисьрежимы течения в сопле, при которых в минимальном сечении каналадостигались критические параметры (число Маха в сечении равно 1). Среднийразмер крупных капель перед исследуемым каналом, определенный с помощьюзонда отпечатков составляет 26 – 30 мкм.На Рисунке 3.20 представлен фрагмент типичной фотографии образовкапель,попавшихнаповерхностьзондаотпечатков.Изображенияобрабатывались с помощью специализированного программного продуктаScopePhoto.140Рисунок 3.20.Фрагмент фотографии капель на поверхности зонда отпечатковОпределение среднего по концентрации размера капель производилосьследующим образом. Серии результатов, полученные по нескольким замерамзондом отпечатков в одной точке, используются каквходные данные дляобработки.Результатами обработки являются:Распределение диаметров капель по количеству в каждой измеряемойточке.Средний диаметр капель по количеству в каждой измеряемой точке.Для получения распределения диаметров по количеству, задавалась ширинаэлементарной выборки (s) и диапазон выборки по диаметрам: d min (минимальныйдиаметр) и dmax (максимальный диаметр).
После чего определялось количествоинтервалов диаметров распределения:= − .(3.31)При этом, если число z оказывалось дробным, то оно округлялось добольшего целого значения. После чего, для каждой капли определялось, к какомуинтервалу диаметров она принадлежит. Данная частица считалась попавшей винтервал, если для ее диаметра выполнялось следующее условие:141 + − 1 × < к ≤ + × ,(3.32)где i – номер рассматриваемого интервала диаметров (i = 1…z); dк – диаметррассматриваемой частицы. Затем для каждого интервала диаметров определялосьсреднее значение диаметра попавших в него частиц:=1 =,(3.33)где Ni – количество капель, попадающих в i-ый интервал диаметров; dk – диаметрk-ой капли i-го диапазона. После чего для каждого интервала определяется долявсех капель, принадлежащих к интервалу диаметров, по отношению ксуммарному количеству выявленных капель.Σ=Σ.(3.34)В результате такой обработки получается зависимость:Σ= ( ).Средний диаметр по количеству определяется следующим образом: =Σ=1 Σ.(3.35)На Рисунке 3.21 представлена фотография капельного потока, засвеченноголазером.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
