Исследование аэродинамики цилиндрических тел и башенных градирен

СОДЕРЖАНИЕ
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..................................................6
# ВВЕДЕНИЕ............................................................8
Глава 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ ОКОЛО
ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА НА ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ 23
1.1. Состояние вопроса об обтекании препятствий на плоской поверхности.23
1.2. Численное моделирование.......................................27
1.2.1. Основные уравнения........................................27
1.2.2. Выбор модели турбулентности и граничных условий...........29
1.3. Физическое моделирование......................................30
1.3.1. Модели и экспериментальное оборудование...................30
1.3.2. Методы визуализации и измерения полей скоростей...........33
1.4. Влияние глубины погружения двумерного препятствия
в турбулентный пограничный слой...............................35
^ 1.5. Трансформация обтекания двумерного препятствия в зависимости
от угла скольжения............................................45
1.6. Обтекание трёхмерного препятствия в зависимости от его удлинения . 49
1.7. Выводы по главе 1.............................................58
Глава 2. КРУГОВОЙ ЦИЛИНДР В РАВНОМЕРНОМ И ГРАДИЕНТНОМ
ПОТОКАХ.......................................................60
2.1. Состояние вопроса.............................................60
2.1.1. Особенности обтекания кругового цилиндра равномерным потоком..........................................................61
2.1.2. Круговой цилиндр при обтекании сдвиговым потоком..........71
2.2. Влияние удлинения на характер обтекания цилиндра равномерным
потоком.......................................................74
2.2.1. Картины течения...........................................74
2.2.2. Поле скоростей в ближнем следе............................77
2.2.3. Изменение частоты схода вихрей по высоте цилиндра.........81
2
2.3. Моделирование градиентных потоков большой толщины...............84
2.3.1. Состояние вопроса...........................................84
2.3.2. Критерии подобия............................................89
*' 2.3.3. Аэродинамические трубы......................................93
2.3.4. Устройства для моделирования градиентных потоков............96
2.4. Влияние градиента скорости на аэродинамические характеристики
и частоту схода вихрей..........................................108
2.4.1. Модельные исследования.....................................108
2.4.2. Результаты натурных наблюдений............................ 111
2.5. Выводы по главе 2..............................................114
Глава 3. КРУГОВОЙ ЦИЛИНДР В УСЛОЖНЁННЫХ ГРАНИЧНЫХ
УСЛОВИЯХ.......................................................115
3.1. Взаимодействие поперечно обтекаемого цилиндра с экраном.........115
3.1.1. Обзор исследований........................................ 115
3.1.2. Аэродинамические силы..................................... 119
% 3.1.3. Распределение давления.....................................126
3.2. Влияние надстроек на поверхности цилиндра на его
аэродинамические характеристики..............................143
3.2.1. История вопроса............................................143
3.2.2. Постановка задачи и методика исследований..................146
3.2.3. Распределение давления на поверхности......................150
3.2.4. Характер изменения аэродинамических сил....................155
3.3. Воздействие акустического поля на характер обтекания цилиндра 157
3.3.1. Обзор исследований и постановка задачи.....................157
3.3.2. Трансформация течения в ближнем следе при наложении звука.. 162
3.3.3. Влияние звука на структуру течения в области торца.........169
3.4. Выводы по главе 3..............................................176
% •
3
Глава 4. ОБТЕКАНИЕ ДВУХ КОНСОЛЬНЫХ ЦИЛИНДРОВ В УСЛОВИЯХ
РАВНОМЕРНОГО И ГРАДИЕНТНОГО ПОТОКОВ..........................179
4.1. Обзор интерференции цилиндрических тел и постановка задачи 179
4.1.1. Тандемное расположение ((.3=0) ........................ 180
4.1.2. Расположение цилиндров рядом (/£=90°)....................182
4.1.3. Цилиндры под углом выноса (0</к90°).................... .183
4.1.4. Взаимовлияние двух консольных цилиндров..................184
4.2. Пара консольных цилиндрических тел в условиях равномерного
потока при акустическом воздействии и без него...............187
4.2.1. Последовательное расположение............................188
4.2.2. Параллельное расположение ...............................196
4.2.3. Цилиндры под углом выноса................................205
4.3. Взаимодействие двух консольных цилиндров в условиях потока с
вертикальным градиентом скорости...............................211
4.3.1. Картины течения..........................................212
4.3.2. Характеристики поля скоростей ближнего следа............ 216
/
4.4. Выводы по главе 4 .. ........................................223
Глава 5. ВНЕШНЯЯ И ВНУТРЕННЯЯ АЭРОДИНАМИКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ФОРМ ОБОЛОЧЕК БАШЕННЫХ ГРАДИРЕН...............................225
5.1. Обзор исследований аэродинамики башенных градирен............225
5.2. Трехсекционная башенная градирня.............................230
5.2.1. Методика исследований внешней аэродинамики...............232
5.2.2. Картины пристенных течений и распределение давления по поверхности.....................................................240
5.2.3. Аэродинамические силы и характеристики ближнего следа 255
5.2.4. Влияние шероховатости в виде меридиональных рёбер........261
5.2.5. Взаимовлияние двух трехсекционных градирен...............266
5.2.6. Методика исследований внутренней аэродинамики............280
5.2.7. Структура течения внутри оболочки........................286
5.3. Гибридная башенная градирня..................................299
5.3.1. Модель и методика исследований..........................301
5.3.2. Распределение давления по поверхности...................302
5.3.3. Формы факела градирни...................................310
5.4. Выводы по главе 5............................................312
Глава 6. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ВЫСОТНОГО СООРУЖЕНИЯ (БАШЕННАЯ ГРАДИРНЯ -ДЫМОВАЯ ТРУБА)...............................................316
6.1. Физические предпосылки и постановка задачи...................316
6.2. Методика физического моделирования работы КВС................319
6.2.1. Критерии подобия.......................................319
6.2.2. Аэродинамическая модель................................324
6.2.3. Экспериментальное оборудование.........................327
6.2.4. Методика термоанемометрических измерений и расчета
полей концентраций примеси....................................................330
6.3. Характеристики полей температур и скоростей внутри оболочки КВС
при отсутствии ветрового потока...............................336
6.4. Закономерности течения внутри сооружения и в факеле при наличии
ветрового потока..............................................341
6.5. Распределение концентраций примеси, вносимой «дымовой» трубой
внутри объема КВС и в факеле..................................348
6.6. Выводы по главе 6............................................354
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................355
ЛИТЕРАТУРА...........................................................361
Приложение 1. Акты внедрения материалов диссертации..................391
Приложение 2. Расчет уточненного гарантированного экономического
эффекта...............................................396
*
5
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
х - ось координат, направленная по вектору скорости потока;
продольная координата, м. у - ось координат, направленная горизонтально и перпендикулярно оси тела; поперечная координата, м.
2 - вертикальная ось координат; высота над поверхностью земли;
трансверсальная координата, м.
Н - высота сооружения, кругового цилиндра, м. к - высота препятствия, высота элементов шероховатости, м.
А - диаметр цилиндра; диаметр описанной окружности горизонтального сечения градирни, м.
Х=Н/с1 - удлинение тела.
Я - длина волны, м.
/- частота колебаний, Гц.
А - звуковое давление, дБ.
и0,и„-среднее значение скорости набегающего потока вне пограничного
и, V, IV- компоненты вектора средней скорости в направлении осей х> у, г, м/с. Яе= Ц<1/у - число Рейнольдса
составляющих скорости, в направлении координатных осей х, у, г. к/ - вырезанная в полосе 4 Гц интенсивность пульсаций скорости на частоте/
еи- степень турбулентности набегающего потока в направлении оси х, %.
5- толщина пограничного слоя, при которой скорость течения отличается от скорости внешнего потока не более, чем на 1%, м.
слоя, м/с.
V- коэффициент кинематической вязкости, м2/с. 81і=/<// и - число Струхала
среднеквадратичные значения пульсационных
6
а - угол ориентации тела (градирни) относительно вектора скорости набегающего потока; угол натекания, град, р-угол скольжения; угол выноса, образованный между направлением вектора скорости потока и линией соединяющей центры равноудаленных поперечных сечений двух тел, смещенных в направлении оси х, град.
I - расстояние между осями моделей, длина препятствия, м.
X, У-сила сопротивления; подъемная или боковая (поперечная) сила, и. Сх=ХУд£мид, Су= У/д - аэродинамические коэффициенты сил X, У Змид - миделевое сечение обтекаемого тела, м2.
Р((р) - давление на поверхности тела, Па.
(р - угловая координата, отсчитываемая по часовой стрелке, град. Ср(<р)=(Р-Ра)/д - коэффициент давления. д=рио2/2 - скоростной напор, кг/{мсек2). р - плотность воздуха, кг/м .
Ш - параметр шероховатости поверхности.
5 - общая площадь, на которой располагается массив шероховатостей, м2.
площадь элементов шероховатостей, м2.
5ш./5- относительная плотность элементов шероховатостей в массиве.
Ь - длина массива шероховатостей; длина пластины, м.
ИНДЕКСЫ:
о - невозмущенный поток; одиночная модель.
отр - в точке отрыва потока.
тіп - минимальная величина.
тах - максимальная величина.
зв - при действии акустического поля.
ср - среднее значение; среднее сечение модели.
Остальные обозначения приводятся в тексте.
7
ВВЕДЕНИЕ
В связи с ростом общего объема промышленного и гражданского строительства в различных регионах страны и тенденцией возведения высоких
* сооружений нетрадиционных форм, возрастают требования к надежности их работы в условиях неустойчивого ветрового режима, вызываемого, в частности, глобальными климатическими изменениями. Эти проблемы тесно связаны с изучением отрывного обтекания тел в различных условиях. Различают тела удобообтекаемой и неудобообтекаемой: (плохообтекаемой) формы.
Отличительная особенность конфигурации плохообтекаемых тел - наличие тупой кормовой части. Ламинарно движущаяся вязкая жидкость, встречаясь с твбрдой поверхностью плохообтекаемого тела при определённых числах Рейнольдса приобретает завихренность [Прандль Л., 1949; Рогико А., 1965; Блюмина Л.Х. и др., 1968; Мейр У. И. и др., 1972; Лойцянский Л.Г., 1973; Шлихтинг Г., 1974; Девнин С.И., 1983; Белоцерковкий С.М. и др., 2000]. Вихревой след является главной особенностью обтекания всех тел. Он служит основным источником всех процессов образования сил как на самом теле, образовавшем след, так и на конструкциях, находящихся в вихревом следе. Вихревой след в большей своей части представляет собой турбулентное течение. Сложная физическая природа турбулентных течений приводит к необходимости сочетания физического эксперимента и приближённых аналитических и численных исследований [Брэдшоу П., 1974; Монин A.C., 1978; Лапин Ю.В., 1981; Кантуэлл Б.Дж., 1984; Жигулев В.Н. и др., 1987]. До последнего времени исследователи в основном рассматривали' двумерные установившиеся отрывные течения в потоке жидкости или газа при внешнем обтекании тела [Чжен П., 1973; Гогиш Л.В. и др., 1979; Сычев В.В. и др., 1987]. Однако эксперименты показывают [Алемасов В.Е. и др., 1989; Занъко Ф.С., 2000; Корнилов В.И., 2000], что реальные отрывные течения имеют пространственный и неустановившийся характер. Теоретических работ,
Ъ
посвященных отрыву трехмерного турбулентного потока, не очень много (см.,
8
например, [Гуревич Ю.Г., 1983; Курбацкий А.Ф., 1989; Белоцерковский С.М. и др., 2000; Герценштейн С.Я., 2001]), к тому же зачастую они являются модификациями теорий двумерных течений. На современном этапе развития механики жидкости и газа лишь в редких случаях решения задач об отрыве трехмерного турбулентного потока могут быть получены, теоретически. Выявление эффектов нестационарности и трёхмерности при изучении отрывных течений является актуальной задачей современной экспериментальной аэродинамики.
Все плохообтекаемые тела условно можно разбить на две характерные группы: тела с острыми кромками, имеющими фиксированные точки отрыва (например, стержни прямоугольного, квадратного и др. сечений) и тела с плавными контурами сечений большого радиуса кривизны, имеющими перемещающиеся точки отрыва (например, шар, круговой цилиндр и др.). У этих групп тел процессы образования следа будут разными. Прогнозирование течений в условиях возникновения отрыва и разработка методов управления отрывом потока - вопросы, на решение которых направлены исследования отрывных течений, выполненные до сих пор [Бардаханов С.П. и др., 1992; Бабаков A.B., 1994; Довгаль A.B., 1996] и продолжающиеся в настоящее время.
Широко распространённым объектом важного семейства плохообтекаемых тел является цилиндр. Разнообразные формы круглого, квадратного, прямоугольного и других типов, поперечно обтекаемых цилиндров применяются в строительстве - водонапорные башни, дымовые трубы, мачты и др.; энергетике - провода, элементы теплообменников, компрессоров, паровых и газовых турбин, атомных реакторов и др.; авиации - стойки шасси, элементы силовых установок и др.; кораблестроении - перископы, элементы палубной надстройки, стволы орудий и др.. Задача об обтекании цилиндра в течение последних 110 лет постоянно рассматривается аэрогидро динамиками. Цилиндр - геометрически простое тело, однако в гидродинамическом смысле очень сложное. В настоящее время имеется большое количество теоретических и
9
экспериментальных работ по изучению поперечного обтекания равномерным дозвуковым потоком бесконечно длинного кругового цилиндра (см. монографии и обзоры [Мэррис, 1964; Morkovin М. V., 1964; Шлихтинг Г., 1974;
* Швец А.И. и др., 1976; Федяевский К.К. и др., 1977; Жукаускас А. и др., 1979; Девнин С.И., 1983; Гущин В.А., 1987; Белоцерковский С.М. и др., 2000]. В результате проведённых исследований при изменении определяющих параметров - числа Рейнольдса, шероховатости поверхности, турбулентности набегающего потока и других, выявлено существование различных режимов течения. В то же время, даже для этого, наиболее простого случая, до сих пор нет однозначной модели механизма отрыва потока, его связи с вихрями.
Для практики особо важно знать условия обтекания цилиндрических тел различного удлинения, находящихся на плоской поверхности или расположенных вблизи от неё [Бычков Н.М. и др., 1980]. Анализ литературы показывает, что имеется относительно небольшое число работ, например, [Уханова Л.Н., 1971; Sarpkaya Т., 1979; Фаривар Дж., 1981; АуоиЬ В., 1982;
* Жангунов О., 1987; Казакевич М.И., 1987; Севастьянова Е.В. и др., 1988], в
которых исследовалось влияние концевых эффектов.. Это связано со сложностью возникающих в этом случае трёхмерных турбулентных отрывных течений.. В основном эти работы носят экспериментальный характер. Применение расчётных методов для таких течений при больших числах Рейнольдса при отсутствии надёжных экспериментальных данных находится пока за пределами возможностей существующих вычислительных алгоритмов и мощностей ЭВМ.
Во многих практических случаях цилиндрические конструкции
располагаются в неравномерных (по длине конструкции) потоках воздуха и воды. Например, дымовые трубы, башни в пограничном слое атмосферы, трубопроводы в установках для преобразования тепловой энергии океана. В отличие от равномерного потока в сдвиговом (градиентном) потоке
присутствует завихренность, вектор которой нормален плоскости течения. В
ю
следе за телом эта завихренность взаимодействует с вихрями, срывающимися с тела, что значительно усложняет картину течения. Имеющиеся-экспериментальные исследования по проблеме обтекания цилиндрических тел сдвиговым потоком проведены в узком диапазоне относительных удлинений и чисел Рейнольдса (см., например, обзор [Griffin М., 1985]. Необходимы дальнейшие исследования влияния сдвига скорости на изменение поля течения в ближнем следе за телом с целью выработки различных конструктивных мероприятий, уменьшающих неблагоприятное влияние вихревого следа на конструкцию.
Актуальной задачей практической аэродинамики является также изучение обтекания системы тел в условиях их взаимного влияния (интерференции). Гидродинамическое взаимодействие представляет собой важную инженерную проблему, которая возникает при проектировании дымовых труб, градирен, труб теплообменников, стержневых систем реакторов и других конструкций, расположенных на малом расстоянии друг от друга. Влияние интерференции проявляется в резком изменении картин обтекания, неожиданном изменении в распределении сил и давления, интенсификации или ослаблении процесса схода вихрей. Основные направления работ в теории и эксперименте, успехи и проблемы обтекания равномерным потоком двух круговых цилиндров большого удлинения изложены в обзорных статьях [Здравкович М.М., 1977; Федяевский К. К. и др., 1977; Жукаускас А. и др., 1984]. Значительно меньше работ посвящено обтеканию цилиндров сдвиговым потоком и совсем мало -обтеканию консольно закреплённых цилиндров. В последнем случае, вследствие влияния пограничного слоя на плоской стенке, пространственного обтекания торцов следует ожидать, как в равномерном потоке, так и в потоке с вертикальным градиентом скорости, существенного отличия взаимодействия двух консольных цилиндров малого удлинения от взаимодействия двух цилиндров большого удлинения. Поэтому несомненна актуальность новых экспериментальных исследований.
С интерференцией также связано исследование явлений, возникающих при обтекании тел вблизи стенок, экранов или других тел. Это важная научная и практическая задача. Такие условия течений могут наблюдаться в различных технологических и энергетических установках, на элементах высотных или подводных сооружений, в частности, на придонных трубопроводах и коммуникациях, находящихся в поперечных потоках и подвергающихся из-за интерференции с близкими поверхностями воздействию сложных гидродинамических нагрузок, в том числе и вибрационных. Анализ относительно небольшого числа работ, имеющихся в этой области, см. например [Здравкович М.М., 1977; Bearman P.W. et al., 1978; Buresti G. el at., 1979; Бычков H.M. и др., 1980; Коваленко В.M. и др., 1983, 1984; Корнилов В.И., 2000], свидетельствует о недостаточной изученности многих физических явлений, которые наблюдаются в таких течениях. При этом наименее изучена область малых расстояний между обтекаемым телом и экраном, когда начинает сильно сказываться влияние экрана и пограничного слоя на нем на характер * * течения вокруг тела.
При исследовании аэродинамики цилиндрических тел важное значение имеет нахождение эффективных способов воздействия на формирующиеся возле их поверхности течения. В последнее время обнаружено, что процессы образования и развития упорядоченных крупномасштабных (когерентных) структур чувствительны к периодическим внешним возмущениям, в частности, к звуковым колебаниям [Гиневский A.C., 1978, 2001]. В работах [Власов Е.В. и др., 1967; Качанов Ю.С. и др., 1975; Довгаль A.B. и др., 1983; Козлов В.В., 1985; Bardakhanov S.P. et al., 1987 и других] показано, что акустические возмущения преобразуются в когерентные структуры в струях, пограничных слоях на пластине, следах за профилем, отрывном течении за уступом. В настоящее время- отсутствует общая- теория взаимодействия звуковых волн с периодическими вихревыми структурами. Поэтому важно получить экспериментальные данные по этому вопросу для более широкого круга
12
практических задач, например, для следов за цилиндрическими телами большого и малого удлинения. Одним из приложений наблюдаемого явления может быть управление генерацией и развитием когерентных структур в турбулентном следе, и вместе с: тем, направленное изменение
аэродинамических характеристик тел.
Изучение характера обтекания цилиндрических тел при варьировании определяющих параметров: числа Рейнольдса, начальной степени
турбулентности, удлинения, градиента скорости, отдельной шероховатости, угла скольжения, расстояния до плоской стенки, акустического поля явилось объектом экспериментальных исследований, результаты которых излагаются в настоящей диссертационной работе.
Тесную связь с аэродинамикой цилиндрических тел имеет задача изучения ветрового воздействия на наземные сооружения. С ростом общего объёма производства растёт строительство высоких зданий, дымовых труб, градирен и др. Одновременно с этим идёт глобальное изменение климата, причём в сторону усиления атмосферной циркуляции, которая приводит к изменению ветрового режима, а именно, в сторону увеличения скорости ветра и времени его действия [Бызова H.JJ. и др., 1989]. Поэтому становится актуальным вопрос о взаимодействии ветра с разными объектами на земной поверхности. Ветровая нагрузка на сооружение зависит от скорости и порывистости ветра, параметров конструкции, аэродинамических коэффициентов формы, размеров и положения конструкции относительно потока [Савицкий Г.А., 1972; Руководство по расчету зданий..., 1978; Казакевич М.И., 1987; Попов H.A., 2000]. Аэродинамические коэффициенты обычно определяют опытным путём в результате натурных или модельных испытаний.
Взаимодействие ветрового потока с наземными сооружениями и их элементами в натурных и модельных условиях изучалось многими авторами как у нас в стране [Худяков Г.Е., 1970; Серебровский Ф.Л., 1971; Барнштейн М.Ф., 1972, 1973, 1981; Савицкий Г.А., 1972; Фомин Г.М., 1974; Беспрозванная
13
U.M., 1976; Федяевский K.K., 1977; Горлин C.М., 1971, 1977; Реттер Э.И., 1984; Симиу Э., 1984; Рябинин A.H., 1985; Казакевич М.И., 1987; Герценштейн С.Я., 1999 и др.], так и за рубежом [Jensen М., 1958; Roshko A., 1961; Davenport * A.G., 1961; Niemann H.-J., 1972; Standen N.M., 1972; Counihan J., 1975; Cermak J. E., 1979; Zdravkovich M.M.', 1980; Jones G.S., 1987; Boldes U., 1995; Solari G., 2002 и др.]. Более полная библиография приведена в обзоре [Катков В.H., Некрасов И.В. и др., 1986]. К настоящему времени получено- большое количество теоретических и экспериментальных результатов исследований аэродинамики сооружений простейших форм (параллелепипед, круговой цилиндр, шар, усеченный конус и др.). Однако пространственный характер обтекания, множественность режимов, связанная с большим числом действующих факторов являются основными причинами недостаточной изученности этой проблемы. Поэтому необходимо дальнейшее теоретическое и экспериментальное изучение влияния определяющих параметров • на закономерности распределения давления, вихреобразован ия в следе за сооружениями как простых форм, так и особенно новых сложных форм, аэродинамика которых неизвестна. Так, например, в связи с возрастанием мощности современных промышленных предприятий, в первую очередь, энергоблоков тепловых и атомных электростанций, актуальной становится задача увеличения единичной производительности башенных градирен, используемых в оборотных системах, технического водоснабжения. Для традиционных форм башенных градирен (гиперболоид вращения) повышение производительности достигается главным образом за счет увеличения геометрических размеров башни. Однако с ростом размеров снижается устойчивость башни при ветровых и сейсмических нагрузках, увеличивается неблагоприятное воздействие ветра на работу градирни.. Увеличение производительности башенных градирен без существенного увеличения их ^ высоты может быть достигнуто, в частности, созданием новых форм оболочек,
что подтверждается отечественным и зарубежным опытом [Болтухов A.A.,
14
1972; Ellipsoidal cooling tower, 1966]. На стадии проектирования отсутствие теоретических моделей, позволяющих рассчитать ветровую нагрузку на градирни сложной формы оболочек и тепломассообмен внутри их при наличии * и отсутствии ветрового потока, требует физического моделирования этих
явлений. В этой связи становится актуальной задача моделирования приземного пограничного слоя заданной структуры и толщины, потока паровоздушной смеси внутри оболочки, обоснования перехода от модельных результатов к натурным.
Наряду с этим, ухудшающаяся экологическая обстановка в районах расположения ТЭС, связанная с выбросами дымовых газов, заставляет все больше внимания уделять созданию нетрадиционных технологий удаления продуктов сгорания органического топлива, например, через комбинированное высотное сооружение (градирня - дымовая труба) [Цужих Ф.П., 1992]. Новое техническое решение требует теоретического и экспериментального обоснования своих преимуществ. Необходимо возможно полное представление ч* о зависимости технологического процесса в градирне от различных факторов,
одним из которых является скорость ветра. Для решения этой задачи актуально проведение специальных лабораторных исследований.
Цель работы заключалась:
• в экспериментальном установлении связи структуры турбулентного течения в окрестности двумерного цилиндрического тела (призматического препятствия) и глубины его погружения в набегающий, турбулентный пограничный слой, структуры турбулентного течения около трехмерного препятствия и его удлинения, позволяющие предсказать и оптимизировать внешнее обтекание тел, в том числе и башенных градирен;
• в исследовании и обобщении результатов обтекания одного и двух круговых цилиндров при усложнённых граничных условиях. Получение новой
^ экспериментальной информации об обтекании бесконечно длинных и
консольно закреплённых цилиндров различного удлинения в дозвуковом
15
равномерном и сдвиговом потоках при наложении акустического поля и без него, гладких и с надстройками, расположенных вертикально к плоской поверхности и горизонтально к ней с малым зазором. Распространение полученных результатов на создание новых конструкционных решений теплообменных устройств и способов повышения их эффективности; в установлении физической картины, особенностей внешнего обтекания и характера течений внутри оболочек новых форм башенных градирен и комбинированного высотного сооружения, использующихся в системах оборотного технического водоснабжения ТЭС и АЭС, выбрав и разработав соответствующий метод моделирования и измерительный комплекс. Непосредственное использование результатов исследований для определения рациональной, формы оболочки башенных градирен, разработке рекомендаций по их расположению на промилощадке и для эффективного удаления дымовых газов ТЭС .
Научная новизна работы представлена: методикой моделирования характеристик приземного пограничного слоя для разных типов подстилающей поверхности в дозвуковых аэродинамических трубах с короткой и длинной рабочей частью;
расчетными и экспериментальными результатами о влиянии на характер обтекания призматического тела расположенного на плоской поверхности глубины его погружения в набегающий турбулентный пограничный слой, угла скольжения и удлинения;
экспериментальными результатами, полученными в малоисследованной области верхнего торца одного и двух круговых цилиндров, данными о взаимодействии поперечно обтекаемого цилиндра с близко расположенной плоской поверхностью;
обнаружением и трактовкой новых явлений, связанных с наложением акустического поля на вихревую структуру потока за одним и двумя
цилиндрами различного удлинения при наличии и отсутствии угла скольжения;
впервые полученными аэродинамическими характеристиками новых форм башенных градирен как изолированных, так и находящихся во взаимодействии с другой такой же башней;
впервые полученными экспериментальными данными о характере вихревого движения внутри комбинированного высотного сооружения (башенная градирня - дымовая труба) и характеристиках факела.
Практическая значимость работы состоит в следующем: результаты работы по обтеканию консольных круговых цилиндров в условиях однородного и градиентного потоков и по- определению аэродинамических характеристик кругового цилиндра вблизи плоской поверхности использованы при разработке новой редакции Строительных норм и правил (раздел «Нагрузки и воздействия») для уточнения методики расчета ветрового воздействия на башенные конструкции и их элементы (см. приложение 1);
данные по исследованию аэродинамических характеристик трехсекционных башенных градирен и аэродинамике комбинированного высотного сооружения использованы в проектных организациях при разработке ресурсосберегающей технологии эксплуатации градирен в оборотных системах технического водоснабжения (см. приложение 1); данные по структуре течения около призматических тел на плоской поверхности могут использоваться для управления отрывом потока на обтекаемых поверхностях, в частности, на башенных градирнях и для проверки существующих и разработки новых методов расчета сложных отрывных течений;
обнаруженные при обтекании цилиндров эффекты изменения структуры вихревого следа под влиянием акустических возмущений могут
использоваться для повышения эффективности теплообмен ного оборудования ТЭС и АЭС путем интенсификации процессов теплообмена.
Автор защищает:
• результаты экспериментальных исследований структуры течения в окрестности препятствия квадратного сечения, расположенного на плоской поверхности в широком диапазоне варьируемых параметров;
• результаты экспериментальных исследований аэродинамических характеристик- и структуры потока в ближнем следе за поперечно обтекаемым круговым цилиндром в широком диапазоне условий обтекания; вблизи экрана, при наличии продольных надстроек на поверхности, при наложении акустического поля, при наличии вертикального градиента скорости;
• полученные экспериментальные данные о взаимодействии двух консольных цилиндров в условиях равномерного и градиентного потоков, при акустическом воздействии и без него;
• методику физического моделирования и диагностики работы башенных градирен в условиях штиля и ветрового потока;
• результаты модельных экспериментальных, исследований внешней и внутренней аэродинамики новых форм оболочек башенных градирен (трехсекционной и гибридной) в широком диапазоне варьируемых параметров;
• результаты модельных экспериментальных исследований течения внутри оболочки и в факеле комбинированного высотного сооружения (гиперболическая башенная градирня - дымовая труба).
Достоверность результатов, обоснована использованием в работе
универсальных и отработанных методов исследований, проведением тестовых
опытов, анализом систематических и случайных погрешностей измерений.
Проведено сопоставление результатов, полученных численными методами, с
помощью различных экспериментальных методов исследований в условиях
различных установок, и показано их взаимное соответствие. Результаты работы согласуются с опубликованными теоретическими и. экспериментальными данными о характеристиках подобных течений и с результатами исследований ^ явлений, аналогичных изучаемых в данной работе. Данные, полученные в
различных разделах работы, дополняют друг друга и дают целостную, физически непротиворечивую картину изучаемых явлений.
Методика исследований. Приведенные в работе экспериментальные данные были получены на аэродинамических трубах Т-324 Института теоретической и прикладной механики СО РАН, 3-АТ-17,5/3 Сибирского НИИ энергетики: (в настоящее время научно-исследовательской и проектностроительной фирмы У НИКОН),. Т-503 Новосибирского государственного технического университета. В* процессе исследований применялись, разнообразные методы и средства диагностики течения: визуализационные (шелковинки, саже-масляная пленка, дымовое трассирование), пневмометрические, весовые и термоанемометрические. ф Работа состоит из шести глав,, заключения, списка^ литературы и
приложения.
Во введении обосновывается актуальность темы исследований, обсуждается современное состояние проблемы отрыва потока от поверхности, взаимодействия ветра с наземными сооружениями башенного типа и их элементами цилиндрической формы. Сделан общий обзор полученных к настоящему времени теоретических и экспериментальных результатов в области аэродинамики цилиндрических тел и наземных сооружений башенного типа. Сформулированы задачи исследований, научная новизна работы и ее практическое значение. Приведено краткое содержание работы по главам.
В главе 1 приведен обзор исследований по проблеме обтекания дозвуковым потоком препятствий различной формы на плоской поверхности, излагаются результаты численного и экспериментального исследования влияния на характер обтекания двумерного препятствия квадратного сечения
19
глубины его погружения в набегающий турбулентный пограничный слой. Показана трансформация течения в зависимости от угла скольжения и удлинения препятствия.
В главе 2 обсуждается состояние вопроса об особенностях обтекания цилиндрических тел равномерным и сдвиговым потоками, описаны различные методы моделирования сдвигового потока, отмечены их достоинства и недостатки. Приведено описание экспериментального оборудования, методики проведения испытаний и обработки экспериментальных данных. Сделана оценка погрешности измерений. Излагаются результаты влияния вертикального градиента скорости на аэродинамические характеристики и частоту схода вихрей с кругового цилиндра различного удлинения. Приводится сопоставление результатов модельных исследований, с натурными наблюдениями.
В главе 3 приведены результаты экспериментального исследования
обтекания кругового цилиндра различного удлинения в условиях равномерного и сдвигового потоков при наличии и отсутствии надстроек на боковой
поверхности. Излагаются результаты экспериментального и численного
исследования взаимодействия поперечно обтекаемого кругового цилиндра с близко расположенным экраном при критических зазорах . Определено влияние акустических возмущений на развитие течения вблизи поверхности цилиндра и в ближнем следе.
В главе 4 приведены результаты экспериментального исследования
интерференции двух консольных цилиндров в условиях равномерного и градиентного потоков. Дана классификация областей изменения частоты схода вихрей. Определено влияние акустического поля на развитие вихревого следа за обоими цилиндрами при их различном взаимном расположении. Даны рекомендации по практическому использованию результатов..
Глава 5 посвящена исследованию внешней и внутренней аэродинамики перспективных форм оболочек башенных градирен (трехсекционной и
гибридной) в условиях равномерного потока и сдвигового, моделирующего приземный пограничный слой. Изучена интерференция двух близко расположенных трехсекционных башенных градирен. Содержатся рекомендации по эксплуатации данного типа сооружений при ветровом воздействии и без него.
В главе 6 приводятся результаты физического моделирования внешней и внутренней аэродинамики нового технического решения удаления дымовых газов на ТЭС через комбинированное высотное сооружение (башенная градирня - дымовая труба). Проведено обоснование экологической целесообразности внедрения новой технологии удаления дымовых газов.
В конце каждой главы диссертации приведены обобщающие выводы.
В заключении сформулированы основные выводы работы.
В приложении представлены акты внедрения результатов.
Апробация работы. Основные положения1 диссертационной работы докладывались и обсуждались- на 2-й Европейской конференции по «и турбулентности i (Берлин, Германия, 1988), Всесоюзной школе «Совершенствование проектирования и строительства градирен» (Москва, Россия, 1988 ), Симпозиуме IUTAM по отрывным течениям и струям (Новосибирск, Россия, 1990), 7-м Международном симпозиуме МАГИ по градирням и брызгальным бассейнам (Ленинград, Россия,. 1990), Всесоюзном совещании «Основные направления совершенствования. исследований и проектирования энергетических объектов ТЭС и АЭС» (Нарва, Эстония, 1991), 1-st International Conference on Experimental Fluid Mechanics (Chengdu, China, 1991), Школе-семинаре ЦАГИ «Механика жидкости и газа» (Москва, Россия, 1991), Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, Россия, 1994), 1-st European Conference on Wind Engineering (Warsaw, Poland, 1994), 2nd East European Conference on Wind Engineering (Prague, Czech Republic, 1998), Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, Россия, 1998), 4-м Всероссийском
21
научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надежность,
безопасность» (Томск, Россия, 1998), 7-й Международной конференции «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск, Россия, 2000), 8-м Всероссийском съезде по* теоретической и прикладной механике (г. Пермь, Россия, 2001), 6-th Asian Symposium on Visualization (Pusan, Korea, 2001), Joint Symposium between Sister Universities in Mechanical Engineering (Yeungnam University, Korea 2002), 3rd East European Conference on Wind Engineering (Kiev, Ukraine, 2002), а также на семинарах в научно-исследовательских институтах: НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, 06.06.1988 и 31.01.2003;. Институте гидромеханики АН УССР, г. Киев, 02.06.1988; Сумском филиале Харьковского политехнического института, г. Сумы, 24.05.1988; Институте физико-технических проблем энергетики АН Литовской ССР, г. Каунас, 30.05.1988; Институте теоретической и прикладной механики СО РАН, г. Новосибирск, 25.01.2002 и 25.04.2003; Институте теплофизики СО'РАН, г. Новосибирск, 15.01.2003; Санкт-Петербургском государственном университете, г. Санкт-Петербург, 05.02.2003; НИИ гидротехники им. Б.Е. Веденеева, г. Санкт-Петербург, 06.02.2003; Новосибирском государственном техническом университете, г. Новосибирск, 25.02.2003. Результаты проведенных исследований представлены в публикациях [325-365].
Автор считает своим долгом выразить благодарность д.ф.-м.н., профессору В.В. Козлову за многолетнее плодотворное сотрудничество и полезные советы. Признательность автора также адресована С.П. Бардаханову, Н.М. Бычкову, Ю.С. Качанову, С.Н. Яковенко, совместно с которыми проводились исследования в ИТПМ СО РАН. Особую благодарность автор выражает М.А. Березину за сотрудничество и предоставленную возможность проведения исследований в специализированной для задач архитектурно-строительной л аэродинамики аэродинамической трубе 3-АТ-17,5/3, а также А.А. Кураеву за поддержку работы на кафедре аэрогидродинамики НГТУ.
22
ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ ОКОЛО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА НА ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Глава посвящена численному и экспериментальному исследованию дозвукового обтекания двумерных и трехмерных цилиндрических тел (препятствий) квадратного сечения, частично или полностью погруженных в развитый турбулентный пограничный слой, при отсутствии или наличии угла скольжения, а также выявлению зон квазидвумерного обтекания, где могут удовлетворительно работать численные алгоритмы расчёта двумерных потоков.
1.1. Состояние вопроса об обтекании препятствий на плоской поверхности
Явление отрыва турбулентных потоков и присоединение турбулентного сдвигового слоя относится к классическому типу течения, на котором можно проверять и совершенствовать существующие теории и модели турбулентности, разрабатывать эффективные способы воздействия на отрыв. Среди двумерных течений геометрически простейшим, но аэродинамически сложным присоединяющимся течением является течение за препятствием, установленным на стенке. Возрастающий интерес исследователей к изучению явлений отрыва объясняется важными прикладными аспектами этой проблемы. В инженерной практике эти течения и еще более сложные трехмерные, встречаются около зданий и сооружений, в диффузорах, на крыльевых профилях при наличии местных срывных зон, в камерах сгорания и т.д. Отрыв является основным фактором, определяющим увеличение теплоотдачи шероховатых поверхностей и поверхностей с элементами закрутки потока [Пядишюс А. и др., 1987]. Отрывные течения очень многообразны, они могут быть ламинарными и турбулентными, установившимися и неустановившимися, двумерными и пространственными. Одним из способов управления отрывными течениями может быть например, установка выступов (препятствий) на поверхности крыла [Занин Б.Ю. и др., 1999] или на поверхности оболочки башенной градирни [Niemann H.-J. et al, 1972]. Препятствия могут быть различной геометрической формы -круглого, прямоугольного, квадратного и других сечений. Важная особенность
обтекания препятствий с острыми кромками состоит в том, что в этом случае положение точки отрыва фиксировано и соответствует кромке препятствия.
Общая схема обтекания сдвиговым потоком двумерного препятствия на стенке, построенная на основе анализа большого числа теоретических и экспериментальных работ (см., например, [Good М.С. et al., 1968; Castro I. P., 1979; Bergeles G. et al., 1982; Nigim H.H. et al., 1985; Chiang T.P., 1999; Logan E. et al., 1989; Корнилов В.И. и др., 1989]), показана на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Общая схема двумерного обтекания сдвиговым потоком препятствия на стенке
1 - зона вихря перед препятствием, 2 - зона малого вихря за препятствием с вращением против часовой стрелки, 3 - общая зона рециркуляции за препятствием (большой вихрь с вращением по часовой стрелке), 4 - слой смешения, 5 - линия тока у =0. 6 - зона присоединения потока к стснкс, 7 - восстанавливающийся пограничный слой.
Обтекание препятствия характеризуется образованием вследствие торможения набегающего потока небольшой вихревой зоны перед телом (зона 1), отрывом пограничного слоя на передней кромке с возможным образованием небольшой возвратной зоны на поверхности (отрывного пузыря) и формированием за препятствием протяжённого рециркуляционного течения (зона 3). Дальнейший сценарий течения зависит от первоначального состояния (ламинарного или турбулентного) пограничного слоя. Если он был ламинарным, то после отрыва возникает ламинарно-турбулентный переход и оторвавшийся поток на
первой половине отрывного течения по многим параметрам сходен с обычным плоским слоем смешения (зона 4). По мере удаления от препятствия этот слой расширяется в результате развития в нем турбулентности, перед зоной присоединения приобретает криволинейную форму и натекает на твердую стенку в виде сложной вихревой структуры (зона 6). В зоне присоединения происходит раздвоение потока. Часть потока жидкости из сдвигового слоя под действием положительного градиента давления перетекает в область рециркуляционного течения и компенсирует захват жидкости из рециркуляционной зоны через нижнюю границу слоя смешения. Другая часть жидкости следует в направлении набегающего потока и участвует в формировании нового пограничного слоя (зона 7). Восстановление течения за присоединением очевидно будет происходить под воздействием повышенного уровня турбулентности и существенно деформированного поля средней скорости, особенно в случае полного погружения препятствия в набегающий турбулентный пограничный слой. Опытами установлено, что релаксация носит колебательный [Logan Е. et al., 1989] и экспоненциальный [Корнилов В.И. и др., 1989] характер. В течениях вокруг двумерных тел другой формы поперечного сечения, с значениями линейных размеров мало отличающимися друг от друга (круг, эллипс, прямоугольник и т.п.) наблюдаются вихревые области подобные вышеприведённым.
Таким образом, в зоне присоединения оторвавшийся поток испытывает в основном три воздействия: влияние кривизны, положительного градиента давления и сильного взаимодействия со стенкой. В работах многих авторов (см., например, [Logan Е. et al., 1989; Schofield W.H. et. al., 1990]) отмечается также сильное влияние на характер обтекания препятствия загромождения потока, т.е. отношения площади проекции препятствия на плоскость перпендикулярную набегающему потоку к площади канала.
Математическое решение задачи расчета турбулентных отрывных течений около плохообтекаехмых тел сопряжено с большими трудностями. Сложность таких течений вызвана сложностью формы тела (например, острые углы), большой кривизной линий тока, большими градиентами скорости вблизи пре-
пятствия, большими уровнями турбулентности и др. В последнее время предпринято множество попыток расчета двумерных [Дурст Ф. и др., 1982; Nigim
H.H. et ai, 1985; Benodekar R.W. et. ai, 1985; Logan E. et. ai, 1989; Курбацкий
А.Ф. и др., 1996; Chiang T.P. et al., 1999] и трехмерных [Paterson D.A. et al., 1990; Murakami S. et al., 1988, 1991; Werner H. et al., 1991; Larousse A. et ai, 1991] турбулентных течений около препятствий на плоской поверхности. Авторы этих работ использовали различные численные методы и модели турбулентности. Так, например, в работе [Werner H. et ai, 1991] метод моделирования крупных вихрей, в работах [Курбацкий А.Ф. и др., 1996; Benodekar R.W. et ai, 1985; Дурст Ф. и др., 1982; Paterson D.A. et ai, 1990; Murakami S. et ai, 1988, 1991] применялись различные варианты двухпараметрической k-s модели турбулентности с использованием изотропного коэффициента вихревой турбулентной вязкости. В последних работах для описания турбулентного течения вокруг двумерного препятствия использованы осреднённые по ансамблю реализаций уравнения неразрывности и Навье-Стокса, позволяющие вычислить среднее давление и компоненты вектора средней скорости. Напряжения Рейнольдса определяются традиционным способом из градиентных выражений, в которых турбулентная вязкость находится из уравнений турбулентного переноса для кинетической энергии турбулентности к и скорости её вязкой диссипации е. Важным достоинством применённого в работах [Курбацкий А.Ф. и др., 1996; Murakami S. et al., 1991] метода расчёта является возможность решения задачи нестационарного обтекания.
Однако результаты проведённых различными авторами расчетов по некоторым параметрам с недостаточной точностью согласуются с экспериментальными данными, в первую очередь это касается предсказания протяженности зон отрыва и восстановления турбулентного пограничного слоя (развитого течения в канале) за зоной присоединения оторвавшегося потока. Эти трудности связаны как с построением эффективного численного алгоритма и адекватной реальным течениям модели турбулентности, так и с отсутствием достаточно подробных сведений о турбулентных рециркулирующих течениях. Анализ экс-
периментальных работ [Шланчяускас А.А. и др., 1982; Troutt T.R. et. al., 1984; Benodekar R.W. et al, 1985; Пядишюс А. и др., 1987; Schofield W.H. et. al., 1990; Larousse A. et al., 1991;] показывает, что для препятствий квадратного сечения * требуется более детальная информация о характеристиках течения перед и за точкой отрыва потока и за зоной его присоединения. Поэтому необходимо располагать надёжными экспериментальными данными, позволяющими объяснить физику процесса присоединения оторвавшегося от препятствия потока и последующего развития пограничного слоя, и, которые можно было бы использовать при разработке расчетных моделей течения и их верификации.
1.2. Численное моделирование
В последние годы интенсивно развиваются новые направления исследования турбулентных течений, базирующиеся на построении замкнутых уравнений турбулентного переноса и их решения с помощью мощных ЭВМ. К ним в первую очередь относятся прямые методы численного моделирования турбулентных течений несжимаемой жидкости, предназначенные для возможно пол-щ ного решения задач турбулентных течений на основе исходных законов движе-
ния [Методы расчета ..., 1984]. Если рассматривать уравнения Навье-Стокса как основу простейшей теории турбулентности, то используя некоторые подходящие начальные данные, можно попытаться проследить за динамикой течения. Заметим, что полученные в результате расчета поля характеристик течения, которые даже в случае простейшей геометрии области течения и при статистически стационарных начальных и граничных условиях остаются трёхмерными и нестационарными, позволяют затем определить любые интересующие нас средние величины.
7.2.7. Основные уравнения.
Для теоретического описания структуры турбулентного течения вокруг двумерного препятствия так же, как в работе [Курбацкий А.Ф. и др., 1996] ис-^ пользовались осреднённые по ансамблю реализаций уравнения неразрывности
и Навье-Стокса, которые позволяют вычислить среднее давление и компоненты
27
вектора средней скорости. Система уравнений турбулентного переноса для двумерного нестационарного течения несжимаемой жидкости имеет вид:
ди дУ
дх ду
О
dU дЦ2 3UV _ д dt дх ду дх
2v'ärJ+^v'
*r + w + wmar2 9г]+АГ Г
dt дх ду ду\_ ду J дх\_ {
'dU дУN {ду* дх)
\
dU дУ
f
дк дки дкУ 4- _*г дк
dt дх ду дхі * дх
де * deU i дєУ д\у де
dt дх ду дх[ дх _
дк
ду
ду дх
-Цр-Лк
ЗДр 3
-ЦЕ+1к
ду\Р 3 j
ду
дс
У'Т“
. ду.
(1-і)
(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.5)
где vef= V + V,, V* = V + V, /а к и = V + /сг £ - коэффициенты эффективной диффузии, у, = Си к2 / € - коэффициент турбулентной вязкости, а порождение
энергии турбулентности имеет вид
2
Pk=v,
du V (дУ} +
ох
{ду)
+
'du dvV
ду дх
В уравнения (1) - (5) входят следующие обозначения: р- плотность, х и у - горизонтальная и вертикальная координаты, t - время, v- коэффициент молекулярной вязкости.
Вязкий подслой явно не разрешался вследствие высоких чисел Рейнольдса Rch , поэтому в модели отсутствуют коррекции на учет стенки (низких чисел Рейнольдса) и граничные условия вблизи твердых поверхностей определялись в виде степенных законов стенки
».3/2
(1.6)
У.=о, Л = 0, e{x.)S-.(%))
КХ./2
где Ц„ и ит - нормальная и касательная к стенке компоненты вектора средней скорости, ось координатхп направлена по нормали к стенке, значение к= 0,4.
28
1.2.2. Выбор модели турбулентности и граничных условий Данные на входной границе (вверх по потоку) задавались различными способами: {а) - из описанных ниже экспериментов, (б) - из экспериментов [Корнилов В.И. и др., 1987], (в) - из отдельного расчета развитого турбулентного пограничного слоя на плоской пластине (без препятствий), имеющего заданную толщину (см., например, [Курбацкий А.Ф. и др., 1999]. Экспериментальные профили скорости и продольной интенсивности турбулентности, полученные в подробных измерениях пограничного слоя на плоской пластине в работе [Корнилов В.Pf. и др., 1987], аппроксимировались аналитическими функциями
V{y)-U.{yl6p, у<8, U(y)~u„ у>8,
ру) (у) = и„ |о.0008 + 0.07 • (у/8)'"' схр[-0.00081 • (у/8)' ]} (1.7)
Кинетическая энергия турбулентности находилась из изотропного соотношения к(у) = \,5(иг}(у), а вязкая диссипация
у<*. Ф)4с*М. у**
из условия локального равновесия Рк (у) = £(у), предполагаемого вне вязкого подслоя.
На выходной границе вниз по потоку задавались нулевые производные по нормали к границе для всех искомых величин, что соответствует области течения, где влияние препятствия уже не сказывается или сказывается слабо. На верхней границе течения также задавались нулевые градиенты по нормали к ней и нулевая вертикальная скорость. Такая постановка соответствует пренебрежимо малому влиянию препятствия на верхней границе, расположенной в области свободного невозмущенного потока вдали от стенок аэродинамической трубы.
Подробности численного алгоритма реализации приведенной к - € модели турбулентности, использующего релаксацию по времени для рассматриваемой стационарной задачи, даны в работе [Курбацкий А.Ф. и др., 1996]. Численное
29
решение определяющей системы уравнений (1.1)...(1.5) с граничными условиями, сформулированными выше, выполнено для условий ниже описанного эксперимента при различном отношении h/Ö - высоты препятствия к толщине набегающего пограничного слоя перед препятствием.
Численный алгоритм реализации приведенной к - е модели турбулентности, использующего релаксацию по времени для рассматриваемой стационарной задачи разработан С.Н. Яковенко. Для каждого случая постоянного h/S проведена серия расчетов на неравномерных сетках, сгущенных у препятствия и отличающихся друг от друга минимальным интервалом
Axm»(=min[xM а именно: h/Axmin = 6, 8, 12, 16, 24, 32, 48, 64.
Расчеты показывают (см. также [Курбацкий А. Ф. и Яковенко C.H., 1996, 1999]), что погрешности вычислений уменьшаются при последовательном удвоении узлов разностной сетки и локализуются на верхней грани препятствия.
1.3. Физическое моделирование
С целью изучения внутренней структуры турбулизированного потока, формирующегося в окрестности двумерного препятствия и верификации результатов исследования на основе предложенной математической модели, в работе была проведена серия экспериментов в условиях нсвозмущённого потока с минимально возможной степенью турбулентности при частичном и полном погружении препятствия в развитый турбулентный пограничный слой.
1.3.1. Модели и экспериментальное оборудование Эксперименты проводились в малотурбулентной дозвуковой аэродинамической трубе Т-324 Института теоретической и прикладной механики СО РАН с закрытой рабочей частью, квадратного сечения размерами 1x1 м со срезанными углами, длиной 4 м (рис. 1.2).
Диапазон скоростей потока трубы составляет от 2 до 60 м/с. Характеристики течения в рабочей части [Поляков Н.Ф., 1973]:
• неравномерность полей скоростного напора в ядре потока - ± 0,2%;
30
• градиент скорости ди/дх по длине рабочей части не превышает 0,005 м/с на метр;
• минимальный уровень продольной составляющей степени турбулентности находится в пределах с» - 0,04-^0,08%.
К основным особенностям аэродинамической трубы следует отнести:
• значительную степень поджатия потока в коллекторе л=17,6;
• наличие отсека со сменными детурбулизирующими сетками;
• использование специальных мер по защите основных узлов от вибраций;
• наличие системы регулирования скорости вращения ротора вентилятора с точностью поддержания заданного числа оборотов.
Рис. 1.2. Схема контура аэродинамической трубы Т-324 ИТПМ СО РАН
В качестве моделей препятствий использовались деревянные цилиндры квадратного сечения (40x40; 20x20 и 10x10 мм), располагавшиеся на нижней стенке рабочей части трубы на расстоянии 2,81 м от среза сопла (серия экспериментов №1) или на пластине, установленной горизонтально на расстоянии 0,5 м от верхней стенки (серия экспериментов №2), рис. 1.3. Основная часть
опытов проводилась при скоростях невозмущенного потока Ц= 44 м/с, что соответствовало числу Рейнольдса на 1 м ІІЄ| ~ 3,0-106 и ио-25 м/с (Кеі -1,7-106). Степень турбулентности невозмущенного потока составляла £м<0,08%. Для реализации развитого турбулентного пограничного слоя на пластине на её передней кромке наклеивался турбулизатор в виде полосы крупнозернистой наждачной бумаги шириной 30 мм. Аналогичный турбулизатор устанавливался сразу же за срезом сопла на нижней стенке рабочей части трубы. Практическая реализация двумерных (бесконечного удлинения) моделей осуществлялась их упором в боковые стенки трубы. Фактически в экспериментах удлинение моделей Л=1/И было в пределах от 20 до 80. Коэффициент загромождения потока варьировался в пределах от 1 до 8%. Толщина турбулентного пограничного слоя в месте установки препятствия на плоской поверхности определялась по экспериментальным данным и в отдельных случаях вычислялась по формуле [Шл ихт инг Г., 1974]
Зм =0,37-х/(ЯеЛ°'2
Рис. 1.3. Схема эксперимента №2 обтекания препятствия на пластине
В качестве примера на рис. 1.4 представлены профили средней скорости и продольной составляющей интенсивности турбулентности в месте установки препятствия на стенке рабочей части аэродинамической трубы (эксп. №1).
32
и'/Uо
U/Uo
Рис. 1.4. Распределение средней скорости V/U0 (1) и пульсаций продольной компоненты скорости uVU0 (2) в месте установки препятствий на стенке рабочей части аэродинамической трубы (*=2,81 м от среза сопла)
*
1.3.2. Методы визуализации и измерения полей скоростей В качестве методов исследований использовались - визуализация пристенных течений с помощью «саже-масляной плёнки», «шелковинок» и термоане-мометрические измерения полей средних значений продольной компоненты скорости и её пульсаций, а также спектральных характеристик. Визуализация методом «саже-масляной плёнки» осуществлялась нанесением на зачернённую нижнюю стенку рабочей части (серия опытов №1) или поверхность пластины (серия опытов №2) смеси керосина и мелкодисперсного белого порошка двуокиси титана (П02). Регистрация картин течения осуществлялась с помощью цифровой видеокамеры {Digital Video Camera NV-DS1 фирмы Panasonic). Визуализация методом «шелковинок» проводилась на стенке рабочей части, где с * равномерным интервалом за препятствием наклеивались шелковинки длиной ~
15 мм.
зз
Измерения средней скорости в исследуемой точке поля потока, интегральной интенсивности пульсаций продольной компоненты скорости проводились с использованием термоанемометрической аппаратуры фирмы DANTEC (Дания). К выходу термоанемометра 55МОЇ подключался линеаризатор 55Д10, далее, постоянная линеаризованного сигнала, соответствующая среднему значению продольной компоненты скорости течения измерялась вольтметром постоянного тока 55Д31. Пульсационная составляющая фильтровалась блоком 55Д25 и измерялась вольтметром среднеквадратичных значений 55Д35. Визуальные наблюдения сигнала от датчика термоанемометра проводились с помощью осциллографа. Чувствительным элементом датчика являлась вольфрамовая нить диаметром 5 мкм и длиной 2 мм. Сигнал от датчика через аналого-цифровой преобразователь «MacADIOS-ADIO (GW instruments)» вводился в ЭВМ «Macintosh LC 11», где в темпе эксперимента осуществлялась статистическая обработка сигнала и его спектральный анализ. Осреднение проводилось как минимум для 10 реализаций. В ходе экспериментов термоанемометр регулярно тарировался. Измерения скорости набегающего потока в процессе тарировки проводились по перепаду статического давления между форкамерой и рабочей частью трубы в диапазоне скоростей от 1 до 50 м/с.
Погрешность определения безразмерной средней скорости U/U0 в ядре потока составляла ±0,75% и ±5% в окрестности области отрыва за препятствием. Погрешность пульсационной составляющей скорости в ядре потока составляла ±5%, а в области отрыва ±15%. Для выполнения измерений в пограничном слое использовался штатный координатних АДТ Т-324, обеспечивающий точность перемещения ±0,025 мм по координате>> и ±0,5 мм по координатам* и z.
1.4. Влияние глубины погружения двумерного препятствия в турбулентный пограничный слой
Результаты исследований. Схема течения вблизи плоской подстилающей поверхности при обтекании двумерного препятствия квадратного сечения под нулевым углом скольжения, полученная на основе анализа большого числа картин визуализации, показана на рис. 1.5.
Перед препятствием на расстоянии примерно одного калибра располагается достаточно обширная область 2ог квазидвумерного течения, ограниченная слева и справа широкими вихревыми зонами, вызванными влиянием боковых стенок рабочей части аэродинамической трубы. Вследствие торможения потока непосредственно перед препятствием формируется другая более узкая вихревая. зона. Примерно такого же размера вихревая зона образуется непосредственно за препятствием, но уже вследствие рециркуляционного течения в области отрыва потока. В этой области может быть выделена зона 2^ квазидвумерного течения, где линии тока практически параллельны и мало отличаются друг от друга. Влияние боковых стенок на течение за препятствием выражается в формировании возле них обширных вихревых зон с противоположным направлением движения. За зоной присоединения оторвавшегося от препятствия потока находится область восстановления турбулентного пограничного слоя, в которой условно можно выделить зону 222 квазидвумерного течения.
Изучение картин пристенных течений вокруг двумерного препятствия квадратного сечения в зависимости от глубины его погружения в набегающий турбулентный пограничный слой показало, что на большей части по размаху препятствий, обтекание носит квазидвумерный характер (рис. 1.6).
Причем, чем больше удлинение, то есть отношение В/к - ширины рабочей части к высоте препятствия, тем больше область квазидвумерности. В то же время эффект боковых стенок аэродинамической трубы, выражающийся в существовании вблизи концов мощных вертикальных вихрей, всегда присутствует и сказывается на длине области рециркуляционного течения.
Рис. 1.5. Схема пристенного течения при обтекании двумерного препятствия квадратного сечения под нулевым углом скольжения на плоской поверхности, ограниченной боковыми стенками
1 - широкая вихревая зона перед препятствием вследствие влияния боковой стенки, 2 - область квазидвумерного течения перед препятствием, 3 - узкая вихревая зона перед препятствием вследствие торможения потока, 4 - боковая стенка аэродинамической трубы, 5 - зона присоединения оторвавшегося потока, 6 - широкая вихревая зона за препятствием вследствие влияния боковой стенки, 7 - препятствие, 8 - узкая вихревая зона непосредственно за препятствием, 9 - большая ква-зидвумерная область возвратного вихревого течения, 10 - зона восстановления турбулентного пограничного слоя.
36
Рис. 1.6. Картина течения в окрестности двумерного препятствия квадратного сечения 20-20 мм. Яеь~ 17000.
На рис. 1.7 показана протяженность зон вихревых течений в зависимости от глубины погружения препятствия в турбулентный пограничный слой. Характерный размер зон в направлении потока определялся экспериментально по картинам визуализации.
Установлено, что непосредственно перед препятствием и за ним размер узких вихревых зон практически не зависит от глубины погружения, а определяется лишь высотой препятствия. В то же время протяженность зоны присоединения оторвавшегося потока зависит от глубины погружения препятствия в пограничный слой. При Л/£<0,5 расстояние л:/? составляет 10-11 калибров, а при И/8> 0,5 - в среднем 14 калибров. Проведённый в работе [Курбацкий А.Ф. и др., 1996] численный расчет турбулентного течения вокруг двумерного препятствия на основе решения уравнений Навье-Стокса с использованием к-с модели турбулентности даёт значение Хц=6. Такое большое расхождение в первую очередь могло быть связано с выбором граничных условий численного экспе-
37
римента и расчётной сетки. Возможно требуется и уточнение математической модели.
Рис. 1.7. Протяженность зон вихревых течений в зависимости от глубины погружения препятствия в турбулентный пограничный слой
Заметим, что в общем случае, на длину области рециркуляционного течения за препятствием влияют - состояние оторвавшегося пограничного слоя и его толщина, градиент давления, турбулентность внешнего невозмущенного движения, относительная ширина канала, форма поперечного сечения.
Эксперименты показали, что длина срывной зоны постоянно меняется, так что точка присоединения сдвигового слоя перемещается, то вверх, то вниз по потоку, т.е. течение в этой зоне имеет нестационарный характер. Замечено, что через зону присоединения проходят крупные турбулентные образования с пространственным масштабом в поперечном направлении примерно равным высоте препятствия. Анализ картин визуализации показывает, что выше по потоку относительно точки присоединения турбулентные структуры трехмерные.
Изменение профилей средней скорости и продольной компоненты пульсаций скорости перед препятствием (20x20 мм) показано на рис. 1.8, а в ближнем следе за ним и за зоной присоединения оторвавшегося потока на рис. 1.9. Эти данные являлись исходными в численных расчетах.