Исследование прецессирующего вихревого ядра в цилиндрической камере

Актуальность исследования процессов вихреобразо- потоков в технических приложениях. В промышленности вания связана с широким использованием закрученных используются скрубберы и циклонные сепараторы для очистки газов, гидроциклонные сепараторы для деаэрации топлива, сушильные аппараты и т. д. [1; 2]. В горелочных устройствах при помощи закрутки потока добиваются стабилизации пламени вблизи корня факела [3; 4]. При эксплуатации практических устройств с закруткой особое внимание уделяется устойчивости течения и нестационарным явлениям [5]. Одним из наиболее опасных видов неустойчивости закрученного течения является прецессия вихревого ядра (ПВЯ). ПВЯ особенно опасно при возникновении в камерах сгорания потому, что индуцированные им пульсации потока могут многократно усиливаться за счет термоакустической неустойчивости [6]. Прецессия вихревого жгута за рабочим колесом гидротурбины может служить причиной мощных вибраций гидротурбинного оборудования [7]. ПВЯ в циклонных сепараторах снижает эффективность работы сепаратора [8]. Явление ПВЯ представляет и большой научный интерес как один из режимов, реализующийся при распаде вихря – эффекта, до конца неисследованного к настоящему времени, несмотря на полувековую историю изучения [9].

Для выяснения причин и условий появления ПВЯ, полей течения, частотных и других его характеристик на базе института теплофизики им С. С. Кутателадзе СО РАН создан экспериментальный гидродинамический стенд с модельной вихревой камерой. Камера изготовлена из прозрачного оргстекла, что позволяет эффективно визуализировать различные режимы течения с помощью стандартной аппаратуры, а также использовать современные оптические измерительные системы, такие как PIV (particle image velocimetry) и ЛДА (лазерный доплеровский анемометр). Целью работы является исследование нестационарных явлений в течении жидкости, в частности, прецессирующего вихревого ядра, образующегося в области истечения интенсивно закрученного потока из цилиндрического сопла.

Исходная геометрия камеры состояла из следующих элементов: тангенциальный вход, завихритель тангенциального типа, профилированное сопло, рабочая цилиндрическая область с увеличенным радиусом выходной части, тангенциальный выход. Геометрия такой камеры представлена на рис. 1.

Первые эксперименты показали большое влияние ориентации выхода относительно входа на структуру течения жидкости в камере. Было также обнаружено присутствие мощного вторичного вихря (рис. 2), присоединенного к задней стенке рабочей камеры, который затруднял оптический доступ к исследуемой области и, кроме того, оказывал существенное влияние на структуру

Рис. 1. Исходная геометрия камеры

Рис. 2. Положение второстепенных вихревых жгутов в камерах с выходом, ориентированным параллельно входу (левая картинка) и перпендикулярно (правая картинка)

основного исследуемого вихря. Визуализация проводилась посредством использования лазерного ножа, скоростной камеры и пузырьков воздуха в роли трассеров.

Оптимизацию геометрии было решено проводить с предварительным численным моделированием, что позволяло сократить физические и материальные затраты. Моделирование проводилось на пакете программ STAR-CCM+. Расчеты делались на многогранной сетке с усиленной детализацией в районе наблюдения ПВЯ. Для решения стационарной задачи использована стандартная «k–е» модель турбулентности, а при решении нестационарной задачи – метод отсоединенных вихрей DES (detached eddy simulation) и модель турбулентности Spalart-Allmaras Detached Eddy. Для аппроксимации пространственных и временных дифференциальных уравнений выбраны схемы второго порядка точности. Визуализация вихревых структур производилась при помощи критерия lambda2 [10].

Результаты расчетов моделей камер с одним и двумя тангенциальными входами, четырьмя осесимметричными выходами и измененными параметрами рабочего цилиндрического объема показали, что для улучшения симметрии потока необходимо использовать камеры с двумя входами (рис. 3).

Решение нестационарной задачи выявило присутствие интенсивного центрального вторичного вихря (рис. 4). Аналогичный вихрь обнаружен и в эксперименте. Также было отмечено сильное влияние вторичного вихря на первичный. Это приводило к нестабильности основного вихря и разбиению его на пару жгутов.

Для борьбы с вторичным вихрем была реализована система лопаток, гасящих закрутку потока в районе выходных отверстий. Геометрия и расчетная сетка камеры с лопатками изображена на рис. 5.

Численные расчеты подтвердили отсутствие центрального вихря в камере с лопатками, однако пара слабовы-раженных вторичных вихревых структур продолжала формироваться за краем сопла. В эксперименте наблюдалась аналогичная картина течения. Визуализация этих структур приведена на рис. 6 (расчетные данные представлены для двух различных показателей lambda-2, соответствующих различным интенсивностям вихрей).

Для выяснения причины образования вторичных вихрей, а также изучения их влияния на частоту ПВЯ были проведены следующие модификации экспериментальной рабочей камеры: добавление крестовины, полностью разделяющей поток в районе выхода на четыре сектора, увеличение длины рабочей области, изменение профиля сопла (без изменения диаметра), изменение диаметра сопла. При варьировании данных параметров, были получены частотные характеристики и данные визуализации для ряда геометрий. В результате было выявлено, что добавление крестовины не влияет на картину течения, а удлинение камеры приводит к увеличению интенсивности вторичных вихревых структур, в результате чего пара вышеупомянутых вихрей сливалась в один вихревой жгут, имеющий выраженную частоту прецессии, много меньшую частоты первичного вихря (рис. 7). Также для определения влияния входных условий на структуру течения было проведено численное моделирование камеры с четырьмя входами,

Рис. 3. Отображение магнитуд скоростей при решении стационарной задачи для соответствующих геометрий камеры

Рис. 4. Визуализация вторичного вихря (расчет и эксперимент)

Рис. 5. Расчетная сетка и геометрия камеры с тормозящими лопатками

при этом общая площадь входов оставалась неизменной, относительно камеры с двумя входами, что приводило к сохранению параметра крутки. Результаты не дали какого-либо качественного изменения картины, поэтому экспериментально этот вариант не рассматривался.

Для различных модификаций камеры с одним диаметром сопла были построены зависимости частот ПВЯ от расхода воды. Частоты для пяти модификаций не имеют значительных отличий (рис. 8). Это говорит о том, что имеющиеся вторичные вихри не приводят к значительному изменению частотных характеристик основного ПВЯ.

Частота прецессии вихря и число Струхаля, полученные в расчете, довольно неплохо совпадают с экспериментальными данными, это видно из графиков зависимости частоты прецессии от расхода и числа Струхаля от числа Рейнольдса (рис. 9). Это говорит об адекватности моделей, выбранных для решения поставленной задачи.

Таким образом, численные расчеты и экспериментальные наблюдения были использованы для изучения влияния геометрических граничных условий на нестационарные режимы течения в модельной вихревой камере. В частности, выяснено, что тангенциальный завихритель с одним входом генерирует существенно несимметричное среднее по времени поле течения в сопле вихревой камеры. Применение двойного входа обеспечивает практически осесимметричное осредненное по времени поле скоростей. Четыре входа дают близкую картину течения той, что наблюдалась для двойного входа.

Расчеты и эксперименты показали, что прецессия основного вихревого ядра при истечении закрученного потока из сопла вихревой камеры сопровождается образованием вторичных вихревых структур в выходной части камеры. Структура вторичных вихрей существенно зависит от конструкции выходной секции камеры. При использовании развихрителя с односторонним тангенциальным выходом или секции с четырехсторонним радиальным выходом наблюдался выраженный центральный вихревой жгут. Мощный вторичный жгут удалось разрушить использованием лопаток, ориентированных радиально в выходной секции вихревой камеры. При этом происходило образование пары более слабо выраженных вторичных вихрей. Предполагается, что эти вторичные вихри оказывают достаточно слабое влияние на характеристики основного ПВЯ. Это, в частности, было подтверждено измерениями частоты прецессии ПВЯ.

В результате проведенных исследований можно с одной стороны сделать вывод об адекватности примененных методов математического моделирования для расчета пространственно сложного нестационарного течения с образованием крупномасштабных когерентных структур. Исследования также позволили провести выбор оптимальной геометрии модельной вихревой камеры, в которой созданы канонические условия для генерации ПВЯ. Дальнейшие исследования будут направлены на проведение детальных измерений нестационарного поля течения с использованием современных оптических измерительных систем, таких как PIV и ЛДА.

Рис. 6. Визуализация первичной и вторичных вихревых структур (расчет и эксперимент)

Рис. 7. Изменение структуры вторичного вихря при удлинении камеры