20 ноября 2016г.
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.
