Известия РАН. Механика жидкости и газа, 2023, № 2, стр. 3-8

1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТА

Испытания проводились на гидродинамическом стенде, обеспечивающем при давлении на входе Р_ВХ = 1.7 МПа расход рабочей жидкости G = 500 л/мин. Модель генератора представляла собой плоский канал шириной b = 22 мм и высотой h = 8 мм (рис. 1). В центре канала к нижней и верхней поверхности проточной части крепились цилиндры диаметрами d = 2–18 мм. Степень перекрытия потока определялась отношением площади поперечного сечения цилиндра St к площади поперечного сечения канала S₀ и составляла S_t/S₀ = 0.1–0.82. В качестве рабочего тела использовалась водопроводная вода при t = 15°С. Давление на входе в генератор изменялось в диапазоне Р_ВХ = 0.2–1.0 МПа, давление на выходе в диапазоне Р_ВЫХ = 0.1–0.8 МПа. Диапазон изменения скорости набегающего потока перед телами обтекания составлял V₀ = 9.5–27.5 м/с, диапазон чисел Рейнольдса Re = (V₀d)/ν = (0.5–5) × 10⁵ где ν – кинетическая вязкость рабочей среды. Температура потока воды измерялась термопарой поверхностного типа с погрешностью 0.1°С.

Рис. 1.

Принципиальная схема проточного канала генератора плоского типа.

Давление на входе и выходе генератора измерялось манометрами Бурдона класс точности 0.5. Пульсации давления измерялись пьезоэлектрическим датчиком типа 701 К фирмы Kistler. Регистрация и обработка полученных данных производились на цифровом осциллографе Lecroy. Визуализация картины течения осуществлялась с помощью скоростной цифровой фотокамеры со временем экспозиции 1/80 000 с.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты экспериментальных исследований моделей гидродинамического генератора плоского типа с цилиндрическими телами обтекания показали, что при повышении входного давления в диапазоне Р_ВХ = 0.2–1.0 МПа и отсутствии противодавления (Р_ВЫХ = 0.1 МПа) за цилиндрами образуется мощное турбулентное течение, которое создает заметное гидравлическое сопротивление основному потоку. При этом датчик переменного давления, расположенный в этой зоне, фиксирует низкоамплитудные пульсации давления, характерные для потока жидкости с низкой степенью турбулентности. Величина давления в донной области за цилиндрами Р_Д с увеличением Р_ВХ вначале резко снижается, затем при Р_ВХ ≥ 0.3 МПа выходит на постоянное значение Р_Д = 1–3 КПа, не зависящие от Р_ВХ. При этом, как показали картины визуализации течения, за телами обтекания образуется закрытая зона, заполненная периодически возникающими крупными газовыми пузырями, характерными для кипения жидкости при пониженном давлении. С увеличением степени перекрытия потока в диапазоне S_t/S₀ = 0.1–0.82 величина давления в этой зоне снижается до 1 КПа. Точка выхода зависимости Р_Д = F(ΔР), где ΔР = Р_ВХ – Р_ВЫХ, на постоянное значение Р_Д с увеличением S_t/S₀ смещается в сторону больших значений ΔР. В донной области на режимах до возникновения кипения жидкости Р_Д с увеличением S_t/S₀ возрастает. Особенно резко рост Р_Д происходит при S_t/S₀ ≥ 0.6 (рис. 2).

Рис. 2.

Зависимости Р_Д = F(S_t/S₀, ΔР) для гидродинамического генератора плоского типа Р_ВЫХ = 0.1 МПа, Р_ВХ = 0.1–0.9 МПа.

Анализ картин течения показал, что в проточной части гидродинамического генератора плоского типа за цилиндрическими телами обтекания при варьировании величиной перепаде давления ΔР = Р_ВХ – Р_ВЫХ возникает известное течение жидкости с отрывом пограничного слоя с поверхности цилиндра и образованием пульсирующих вихревых дорожек, при этом эти дорожки прерывисто заполняют донную область протяженностью 2.5–3 калибра тела обтекания. Анализ результатов измерений пульсаций давления в донной области так же показал, что в проточной части гидродинамического генератора плоского типа за телами обтекания возникают мощные нелинейные волны давления только при определенных значениях отношения (Р_ВЫХ/Р_ВХ)_РЕЗ, которое является практически независимым от величины Р_ВХ и постоянной для каждой степени перекрытия. С увеличением степени перекрытия потока в диапазоне S_t/S₀ = 0.1–0.82 величина этого отношения плавно уменьшается с 0.7 до 0.28.

Амплитудно-частотная характеристика мощных нелинейных волн давления и сопровождающих их волн на кратных частотах с небольшими амплитудами (видимо, вследствие резонанса гидродинамических и акустических сил при схлопывании семейства кавитационных пузырьков в вихревых образованиях), показана на (рис. 3).

Рис. 3.

Амплитудочастотная характеристика пульсаций давления в потоке жидкости за цилиндрическим телом обтекания на режиме возбуждения мощных нелинейных волн давления в гидродинамическом генераторе плоского типа при степени перекрытия S_t/S₀ = 0.4545, Р_ВХ = 0.8 МПа, Р_ВЫХ/P_ВХ = 0.625, f_max = 1.4 кГц.

Амплитуда этих пиков давления A_max, измеренная пьезодатчиком в единицах давления, с ростом Р_ВХ возрастает для всех значений S_t/S₀ (рис. 4), видимо, вследствие интенсификации процесса схлопывания кавитационных пузырьков при увеличении Р_ВЫХ. При этом величина A_max может более чем в 4–5 раза превзойти максимальную величину Р_ВХmax.

Рис. 4.

Зависимость А_max = F(Р_ВХ, S_t/S₀) для режима возбуждения мощных нелинейных волн давления за цилиндрическими телами обтекания в генераторе плоского типа.

Частота возникновения резонансных пиков давления f с увеличением Р_ВХ для всех диаметров тел обтекания линейно возрастает и при S_t/S₀ = 0.091 может достигать  f = 5 кГц. При увеличении S_t/S₀ до 0.818 частота пиков давления снижается на порядок (рис. 5.)

Рис. 5.

Зависимости f = F(Р_ВХ, S_t/S₀) для гидродинамического генератора плоского типа на режиме возбуждения за телами обтекания мощных нелинейных волн давления.

Зависимость А_max = F(S_t/S₀) (рис. 6.) является существенно нелинейной, с наличием характерного максимума при S_t/S₀ ≈ 0.5. Видно, что наибольшая интенсивность волновых процессов реализуется в настоящем генераторе при установке цилиндрических тел обтекания, диаметры которых лежат в диапазоне d = 8–13 мм (S_t/S₀ ≈ 0.35–0.6).

Рис. 6.

Зависимость А_max = F(S_t/S₀) для режимов возбуждения нелинейных волн давления при ΔР = Р_ВХ – Р_ВЫХ = = 0.3 МПа.

Зависимость f = F(Re) для каждого значения S_t/S₀ носит линейный характер и описывается выражением f = kRe, где k = df/dRe – постоянная величина для каждого значения S_t/S₀. С увеличением S_t/S₀ производная роста зависимости f = F(Re) существенно снижается. Зависимость числа Струхаля St от степени перекрытия потока St = F(S_t/S₀) в исследуемом диапазоне чисел Re = (0.5–5) × 10⁵ так же носит линейный характер. С ростом S_t/S₀ величина St при S_t/S₀ = 0.82 достигает значения St = 1.2. Экстраполяция этой зависимости в сторону значений S_t/S₀ < 0.1 показывает, что число St стремится к величине St = 0.2, полученной для полубесконечного обтекания цилиндра при числах Re =10⁴–10⁵.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований получено в проточной части гидродинамического генератора проточного типа за цилиндрическими телами обтекания при определенных значениях отношения Р_ВЫХ/Р_ВХ, являющихся постоянной величиной для каждого значения S_t/S₀, реализуется течение с наличием попеременно образующихся вихрей, возникающих в результате отрыва пограничного слоя с поверхности тел обтекания и порождающих мощные пики давления резонансного типа, амплитуда которых более чем в 4–5 раза превышает максимальное значение входного давления;

– амплитуда резонансных пиков давления А_max с увеличением Р_ВХ линейно возрастает;

– зависимость А_max = F(S_t/S₀) является существенно нелинейной с наличием характерного максимума при S_t/S₀ = 0.5, таким образом, наибольшая интенсивность волновых процессов реализуется при установке тел обтекания, диаметры которых лежат в диапазоне d = 8–13 мм (S_t/S₀ = = 0.35–0.6);

– частота возникновения максимальных пиков давления резонансного типа для каждого значения S_t/S₀ с увеличением Р_ВХ линейно возрастает, в то время как с увеличением S_t/S₀ в диапазоне 0.1–0.82 снижается на порядок;

– зависимость числа Струхаля от степени перекрытия потока St = F(S_t/S₀) в исследуемом диапазоне чисел Re = (0.5–5) × 10⁵ носит линейный характер. С ростом S_t/S₀ величина St увеличивается и при S_t/S₀ =0.82 достигает значения St = 1.2.