Диффузорные каналы являются неотъемлемыми конструктивными элементами проточных частей многих энергетических машин. Например, они применяются в выхлопных патрубках паровых и газовых турбин. При определенных углах раскрытия диффузора течение в нем сопровождается отрывом пограничного слоя. Наличие этого явления коренным образом меняет структуру течения и приводит к увеличению коэффициента потерь, что обусловлено появлением дополнительных затрат энергии на образование, поддержание и развитие вихревых токов. Вместе с тем нестационарных характер такого течения ведет к резкому ухудшению вибрационного состояния диффузора, что вызывает появление дополнительных динамических нагрузок на его стенки. Надежность работы элементов с диффузорными каналами, работающими в режимах, сопровождающихся отрывом пограничного слоя, как правило, значительно ниже, чем в каналах без отрыва потока.

Для решения данной проблемы в ряде работ [1, 2, 3, 5, 6] на основе теоретического анализа силовых факторов, действующих в пределах пограничного слоя, предлагается метод, позволяющий улучшить аэродинамические характеристики и снизить вибрационное воздействие путем предотвращения появления отрыва либо уменьшения интенсивности вихревых течений.

Однако в указанных выше работах оценка эффективности применения данного метода обосновывается исходя из теоретических предположений [3, 5, 6], а также результатами экспериментальных исследований для кольцевых [2] и плоских симметричных диффузоров [1], которые включают в себя, по большей части, измерение вибрационного состояния рассматриваемых аппаратов и не дают представление об изменении структуры течения по длине канала.

Для исследования данного аспекта в рамках настоящей работы изучается влияние на структуру потока установки системы продольных ребер в плоском асимметричном диффузоре методом численного моделирования.

Моделирование течения в плоском асимметричном диффузоре

 Процесс моделирования течения в плоском асимметричном диффузоре объединяет в себе три шага:

- построение геометрии расчетных моделей;

 - создание расчетных сеток;

 - аэродинамический расчет течения.

 

Расчетные модели

 

Геометрия расчетных моделей рассматриваемых плоских диффузоров определялась согласно рекомендациям, приведенным в [4]. В качестве базовой модели был выбран плоский ассиметричный диффузор с углом раскрытия α = 15° (рисунок 1).

Рисунок 1 – Трехмерная модель асимметричного плоского диффузора с углом раскрытия α = 15°

В процессе исследования влияния установки ребер в канале плоского асимметричного диффузора рассматривались следующие варианты организации оребрения (рисунок 2):

-   вариант 1: прямоугольные (в сечении) ребра переменной высоты, размещенные ближе к выходу из диффузора;

-   вариант 2: прямоугольные (в сечении) ребра переменной высоты, размещенные ближе ко входу в диффузор;

вариант 3: прямоугольные (в сечении) ребра переменной высоты, размещенные по всей длине диффузора.


Расчетные сетки

 

Расчетные сетки для всех исследуемых случаев строились в программе ANSYS ICEM. Формирование расчетного объема происходило на основе трехмерных моделей области течения потока, созданных в SolidWorks. Все сетки – неструктурированные; состоят из двух типов элементов: тетраэдрических – для основного объема, призматических слоев – для разрешения областей пограничного слоя.

Размер расчетных сеток составлял в среднем 2 млн ячеек. Количество призматических слоев: 13-15. При построении сетки области, где предполагалось наличие отрывных течений, а также оребренные поверхности и пространство между ними дополнительно замельчались по сравнению в основным объемом сетки для получения более точного и стабильного решения. Примеры расчетных сеток для разных моделей представлены на рисунках 3 и 4.

Граничные условия и настройки решателя

 

Моделирование течения в плоских диффузорах осуществлялось с помощью программного пакета ANSYS CFX. Граничные условия для всех задач были одинаковыми (рисунок 5). На входное сечение модели накладывалось неравномерное поле скоростей развитого потока, полученное в результате расчета течения в прямолинейном канале большой длины (L / d > 50). На выходе задавалось статическое давление. Модель турбулентности – k-omega.

Качественно характеристики течения оценивались путем его визуализации: построения полей скоростей и давлений в контрольных плоскостях моделей, построение линий тока.

Количественно эффективность работы диффузора определялась посредством нахождения распределения коэффициента восстановления давления по его длине согласно формуле (1).

где p1, p2 – давление на входе и выходе из диффузора; ρ1 – плотность среды;

c1 – скорость потока на входе в диффузор.

Расположение контрольных плоскостей измерений представлено на рисунке 6.

Результаты численного исследования

 

Результаты расчета течения потока в плоском асимметричном диффузоре для базового (без ребер) и оребренного варианта представлены на рисунках 7 и 8.

Для диффузора с α = 15° наблюдаем частичный положительный эффект от установки ребер. Незначительно снижается область течения, занятая вторичными вихрями. Отрыв потока присутствует в равной мере для базовой и оребренной моделей (рисунок 7).

Анализ значений коэффициента восстановления давления по длине диффузора (рисунок 8) позволяет сделать вывод о том, что установка ребер не приводит к существенному повышению экономичности работы диффузора. Для всех вариантов оребрения, кроме первого, наблюдается увеличение потерь энергии, для варианта 1 имеем паритетные значения в сравнении с базовой моделью.

 

Рисунок 8 – Значения коэффициента восстановления давления по длине диффузора для базового варианта (Baseline) и вариантов с установленными ребрами для α = 15° Влияние ребер на структуру вторичного вихревого течения

Влияние установки ребер на структуру течения оценивалось путем анализа положения линий тока среды в диффузоре (рисунок 9). Стоит отметить, что во всех оребренных моделях наблюдается формирование более структурированного потока. Несмотря на то, что место возникновения отрыва смещается незначительно, вся область отрывного течения в целом становится более стабильной, что приводит к уменьшению вызванных отрывом пульсаций давления на стенке диффузора.


Заключение

 

В работе исследован способ предотвращения отрыва потока в плоских асимметричных диффузорах путем установки на их стенках системы продольных ребер. Результаты численного моделирования течения в рассматриваемых расчетных моделях показали незначительную эффективность оребрения обтекаемых поверхностей в разрезе снижения потерь энергии в диффузоре. Однако система ребер позволяет структурировать поток, стабилизировать место и область отрыва потока, тем самым улучшить вибрационное состояние диффузора и снизить динамические нагрузки на его стенки.

Благодарность. *Исследование выполнено в Национальном исследовательском университете «МЭИ» за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-19- 00944 от 16 июля 2014 г.).

Список литературы

 

 

1.    Зарянкин А.Е., Грибин В.Г., Парамонов А.Н., Носков В.В., Митрохова О.М. Влияние угла раскрытия плоских диффузоров на их вибрационное состояние и пути снижения этих вибраций // Теплоэнергетика. 2012. № 9. С. 22-27.

2.    Зарянкин А.Е., Григорьев Е.Ю., Носков В.В. Новые методы стабилизации течения в плоских, конических и кольцевых диффузорных каналах турбомашин // Вестник ИГЭУ. 2012. № 5. С. 5-10.

3.    Зарянкин А.Е., Рогалев А.Н. Механизм отрыва потока от плавных обтекаемых поверхностей // Научный альманах. 2015. № 8 (10). C. 1108-1115.

4.    Зарянкин А.Е. Механика несжимаемых и сжимаемых жидкостей. М.: Издательский дом МЭИ, 2014. 590 с.

5.    Zaryankin A., Rogalev A. Mechanical model of the turbulence generation in the boundary layer // Applied Mathematical Sciences. 2015. № 9(100). pp. 4957-4970.

6.    Zaryankin A., Rogalev A., Garanin I., Komarov I., Kurdiukova G. Flow separation from the smooth-countered streamlined surfaces // Applied Mathematical Sciences. 2015. № 9(120). pp. 6007-6019.