СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВЕДЕНИЕ..................................................... 4
.СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ ОТРЫВНОГО ТЕЧЕНИЯ И ПРОЦЕССЕ ВИХРЕОБРАЗОВАНИЯ ВБЛИЗИ ПОПЕРЕЧНО ОБТЕКАЕМЫХ ТЕЛ.............................................. 7
1.1. Поперечное обтекание тел простейшей формы дозвуковым потоком........................................... 7
1.2. Влияние возмущающих факторов на структуру течения вблизи поперечно обтекаемого тела................ 13
.. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ............................................. 17
2.1. Экспериментальное оборудование........................ 17
2.2. Измеряемые параметры и методика измерений............. 24
СТРУКТУРА ТЕЧЕНИЯ И ПРОЦЕСС ВИХРЕОБРАЗОВАНИЯ ВБЛИЗИ ПОПЕРЕЧНО ОБТЕКАЕМОГО ТЕЛА.................... 31
3.1. Характеристики набегающего потока..................... 32
3.2. Структура течения вблизи поперечного кругового
цилиндра в круглой трубе............................... 42
3.3. Процесс вихреобразования при поперечном обтекании пластины............................................... 53
3.3.1. Обтекание пластины постоянного поперечного сечения в круглой трубе.......................................... 54
3.3.2. Обтекание пластины переменного поперечного сечения . 61
3.4. Частота вихреобразования при поперечном обтекании цилиндра в круглой трубе............................... 70
3.5. Влияние периодических пульсаций скорости набегающего потока на процесс вихреобразования..................... 75
4. ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕР С РАСШИРЕШТЫМ
ДИАПАЗОНОМ ИЗМЕРЕНИЯ....................................... 80
4.1. Формирование структуры измеряемого потока............. 82
'4.2. Генерация регулярных вихрей......................... 83
4.3. Передача энергии регулярных вихревых образований к чувствительному элементу............................... 85
4.4. Первичное преобразование.............................. 88
2
4.5. Обработка первичного сигнала.......................... 95
4.5.1. Измерение квазистационарных расходов................ 97
4.5.2. Измерение нестационарных и пульсирующих расходов... 99
4.5.3. Учет влияния вязкости измеряемой среды............. 100
4.6. Применение вихревого расходомера воздуха для измерения расхода воздуха во всасывающей магистрали двигателя внутреннего сгорания.................... 103
4.6.1. Характеристики потока в воздуховоде автомобильного
две.................................................. 104
4.6.2. Результаты сравнительных испытаний вихревого и термоанемометрического расходомеров...................... 105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................:................. 118
СІШСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................ 119
Введение
Задача измерения расхода жидких и газообразных веществ занимает важное место в системе производственных отношений. Требования, предъявляемые к средствам измерения расхода, возрастают с внедрением в промышленность энергосберегающих технологий. Среди таких, зачастую противоречивых требований - надежность и низкая стоимость, широкий динамический диапазон измерения и высокая точность, частотный выходной сигнал и отсутствие подвижных частей [47]. Перспективными, с точки зрения удовлетворения этим требованиям, являются вихревые расходомеры с обтекаемым телом.
Принцип действия вихревого расходомера с обтекаемым телом (далее - вихревой расходомер) основан на зависимости от скорости потока частоты срывающихся с тела регулярных крупномасштабных вихрей [20]. При создании измерительной системы вихревого расходомера основными проблемами являются обеспечение строгой упорядоченности срыва вихрей и надежная регистрация частоты срыва в широком диапазоне расходов в условиях воздействия различных факторов. Особенно остро встают эти проблемы при измерении малых расходов жидкости и газа, когда вихреобразование становится слабоупорядоченным или исчезает вовсе, а энергия вихрей настолько мала, что частоту срыва вихрей практически невозможно зарегистрировать [46]. Эффективность решения этих проблем напрямую зависит от того, насколько глубоко понятен механизм вихреобразования. В настоящее время накоплен достаточно обширный материал о процессе упорядоченного вихреобразования за плохообтекаемыми телами [9]. Однако многие вопросы остаются еще открытыми, особенно те, которые связаны с влиянием на процесс вихреобразования различных факторов, таких как ограниченность течения (обтекаемое тело вихревого расходомера находится в канале), неравномерность профиля скорости и турбулентности набегающего потока, вынужденные колебания расхода. В связи с этим, тема настоящего исследования, связанная с изучением процесса срыва вихрей с обтекаемого тела вихревого расходомера, представляется весьма актуальной.
4
Цель работы - провести экспериментальное исследование структуры течения и процесса вихреобразования вблизи плохообтекаемых тел в условиях воздействия различных возмущающих факторов; провести исследования по созданию вихревого расходомера с улучшенными характеристиками в области малых среднерасходных скоростей потока.
На защиту выносятся:
результаты исследования структуры течения вблизи плохообтекаемых тел малого удлинения в ограниченном турбулентном потоке с неравномерным профилем скорости;
результаты исследования процесса вихреобразования на плохообтекаемом теле в условиях пульсирующего набегающего потока;
методика учета непостоянства безразмерной частоты вихреобразования в диапазоне чисел Яе от 3x103 до 1,65x105 в условиях ограниченности течения и неравномерности профиля скорости набегающего потока;
- результаты исследования по созданию вихревого расходомера с улучшенными характеристиками в области малых среднерасходных скоростей.
Личный вклад соискателя в приведенные в диссертации результаты определяется следующим образом:
- идеи, разработки и результаты, вынесенные на защиту, полностью принадлежат автору (без участия других соавторов);
метод восстановления пространственно-временных полей параметров течения, использованный в данной работе (п.п.2.2;3.3.2) разработан Козловым А.П. и Михеевым Н.Щ83];
- электрическая схема термоанемометра (разд.4.4.) разработана Мекешкиным С.М.;
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международном симпозиуме по энергетике, окружающей среде и экономике (1998г.), всесоюзной акустической конференции (1991г.), на конференциях и семинарах в КазНЦ РАН, КГТУ им.А.Н.Туполева, КВАКНУ (г.Казань), СВВКИУ (г.Саратов). Результаты диссертации использованы при разработке вихревых расходомеров-счетчиков газа ВРСГ-1, находящихся в промышленной эксплуатации.
5
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 17 работах [1, 13, 22, 23, 31, 32, 33, 34, 36,42, 43, 44, 64], среди них - патент [53], авторское свидетельство [35], положительное решение о выдаче патента[58] и 2 сертификата утверждения типа средства измерения [66,12].
Работа выполнена на кафедре спецдвигателей Казанского государственного технического университета (КАИ) им. А.Н.Туполева. Экспериментальные исследования проведены в совместной (КГТУ им. А.Н.Туполева - Отдел энергетики КазНЦ РАН) лаборатории гидродинамики и теплообмена. Расходом.еры-счетчики реализованы научно-производственным предприятием ’’Ирвис”.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность своему научному руководителю академику РАН В.Е.Алемасову, научному консультанту д.т.н. А.П.Козлову, а также коллегам д.т.н. Н.И.Михееву, к.т.н. В.М.Модочникову, С.М.Мекешкину, А.А.Огаркову за обсуждение результатов исследований и помощь в проведении экспериментов.
6
Глава 1. Современные представления о структуре отрывного течения и процессе вихреобразования вблизи поперечно обтекаемых тел
1.1. Поперечное обтекание тел простейшей формы дозвуковым потоком
В гидродинамике вязкой жидкости особая роль отводится исследованию отрыва потока за плохообтекаемыми телами. Объясняется это тем огромным практическим значением, которое имеют знания о таких течениях в решении некоторых научных и инженерных задач. Действие целого ряда технических устройств основано на возникновении и управлении отрывом потока. Так, отрыв потока за стабилизатором пламени обеспечивает стабильность горения в камерах сгорания энергоустановок [62]. С помощью пучков труб интенсифицируют теплообмен в различных теплообменных аппаратах [6]. Отрыв потока позволяет получать звуковые волны большой интенсивности (свисток Гартмана) [40]. На явлении периодического отрыва основано действие целого класса измерительных устройств: вихревых расходомеров с обтекаемым телом, колебательных струйных автогенераторов, расходомеров с прецессирующей струей [29,61,72].
Теоретическому и экспериментальному исследованию отрыва потока посвящено большое количество работ [7,8,17,18,19, 70,73, 74,88,]. Классическая концепция отрыва потока неразрывно связана с понятием пограничного слоя [73]. Прандтль [60] установил, что необходимым условием отрыва потока от стенки является возрастание давления в направлении течения. Это утверждение справедливо как для сжимаемой так и несжимаемой жидкости. В общем случае отрыв потока происходит иод действием положительного градиента давления и влияния сил трения.
Отрывные течения условно можно разделить на стационарные и нестационарные [2]. К стационарным относится, например, течение за обратным уступом или перед ступенькой, когда зона рециркуляции представляет собой замкнутую область течения и отделена от основного потока сдвиговым слоем, причем этот слой не совершает значительных и регулярных колебаний. К нестационарным относится отрывное течение за
7
плохообтекаемым телом. Осредненные характеристики течений этих течений отличаются размерами отрывной области, скоростью возвратного течения, интенсивностью турбулентности.
Остановимся более подробно на случае нестационарного отрыва потока вблизи плохообтекаемых тел. Классическим примером такого течения является поперечное обтекание кругового цилиндра или плоской пластины плоскопараллельным безграничным потоком.
В многочисленных исследованиях [20,73] указывается на то, что процесс поперечного обтекания цилиндра довольно сложен по своей физической сути и в значительной мере зависит от числа Яе, степени турбулентности потока и других факторов. Общепринято разделять следующие режимы обтекания. При значении числа Яс<1 вязкостные силы внутри жидкости преобладают над силами инерции, обтекание цилиндра потенциально и выражается лишь в искривлении линий тока вблизи цилиндра. При увеличении числа Яе до 40, ламинарный пограничный слой отрывается от поверхности цилиндра с образованием двух симметричных постоянно циркулирующих вихрей на подветренной стороне цилиндра. В диапазоне Яе от 40 до 150 с поверхности цилиндра происходит поочередный периодический срыв вихрей. В отсутствие твердой границы присоединения эти вихри называют свободными вихрями [9]. Позади цилиндра образуется двойная цепочка вихрей, расположенных в шахматном порядке, или, гак называемая, дорожка Кармана [28]. При дальнейшем увеличении числа Яе, приблизительно до 300, реализуется переходный от ламинарного к турбулентному режим обтекания. Этот режим характеризуется нерегулярными вихревыми пульсациями в ближнем следе. Наконец, начиная с Яе - 300 след за цилиндром становится полностью турбулентным с ярко выраженной доминирующей частотой пульсаций в следе. Режим существования регулярной турбулентной дорожки сохраняется во всем докритическом диапазоне числа Яе, до значений Яе=2х105. После чего наступает критический режим обтекания, характеризующийся' резким уменьшением гидравлического сопротивления цилиндра и нарушением регулярности. По данным [20] регулярность вновь появляется при больших значениях числа (Яе=6х105).
8
В наиболее общем виде картина течения вблизи кругового цилиндра на докритических режимах обтекания представляет из себя следующее [20,73]. Начиная от лобовой критической точки (рис.1), на поверхности цилиндра формируется ламинарный пограничный слой, толщина которого возрастает с увеличением угла ср. При значении (р « 80° под действием положительного градиента давления ламинарный пограничный слой отрывается и при ср « 90° вновь присоединяется к поверхности цилиндра. Далее происходит турбулизация ламинарного пограничного слоя и при ф « 140° - окончательный турбулентный отрыв. Все параметры потока около цилиндра совершают колебания с частотой 5Ь=Ш/и. Установлено, что при 11е=3х10 ...2x10 число БЬ остается приблизительно постоянным и равным 0,2. Лобовая критическая точка, кормовая критическая точка, точка отрыва перемещаются по поверхности цилиндра. В данном случае точка или линия отрыва, впрочем как и критические точки, понимаются либо как мгновенное условие, либо как среднее по времени, либо осредненное по ансамблю [11].
В работе [39] экспериментально оценивалось местоположение характерных точек на поверхности цилиндра. В критических точках и точках отрыва значение коэффициента вероятности обратного течения у=0,5. Этот коэффициент показывает отношение доли времени существования обратного течения ко всему периоду измерения по результатам обработки сигнала датчика направления. Кроме того, в работе [30] экспериментально показано, что в точке присоединения при двумерном отрыве потока равновероятным (у=0,5) является не только движение по потоку или против потока, но и движение в направлении третьей поперечной координаты. Последнее доказывает наличие трехмерных эффектов даже в двумерном отрывном течении.
Механизм периодического срыва вихрей может быть объяснен следующим образом. Турбулентный пограничный слой на одной стороне цилиндра сворачивается в свободный вихрь [9] и отрывается, перемещаясь вниз по потоку [5]. При этом образование вихря с одной стороны препятствует образованию вихря с другой. Импульсное возмущение, образовавшееся в этот момент, передается по вязкому подслою на противоположную сторону цилиндра и вызывает образование и срыв вихря в противоположной точке отрыва. Таким образом, существуют все
9
»
Рис. 1. Картина течения вблизи поперечно-обтекаемого кругового цилиндра на докритических режимах
- Київ+380960830922