Т. 327, № 8

Расчетно-экспериментальное исследование кавитационного обтекания гидрокрыла NACA0015

Одним из основных возобновляемых источников энергии являются гидроэнергетические ресурсы, используемые для выработки электрической энергии на гидроэлектростанциях. Существенную научную и техническую проблему для проектирования оборудования гидроэлектростанций представляет собой кавитация, обусловленная большими скоростями течения воды вблизи лопастей рабочего колеса. Появление кавитации характерно и для других турбомашин, насосов, гидравлического оборудования, движителей судов и т. д. Кавитация приводит к снижению энергетической эффективности и повышенному износу оборудования. Потребности моделирования турбулентного обтекания лопастных систем, работа которых сопровождается кавитацией, требуют развития современных численных методов, способных с приемлемой точностью предсказывать возникновение кавитации и описывать динамику течения. Цель работы: исследование кавитационного течения в окрестности модельного гидропрофиля NACA0015 с помощью экспериментальных и численных методов, сопоставление результатов моделирования с данными измерений, анализ влияния модели турбулентности на результаты расчета течения в пограничном слое со стороны разрежения гидрокрыла. Методы исследования. Пространственная структура и динамика кавитационных каверн изучалась с помощью высокоскоростной визуализации, по данным которой также производилась оценка интегральных параметров каверн. Двумерные распределения средней скорости и турбулентных характеристик вблизи гидрокрыла были получены методом анемометрии по изображениям частиц (PIV) как в одно- (некавитирующих), так и в двухфазных (кавитирующих) течениях. При численном моделировании течений использовались методы вычислительной гидродинамики, основанные на решении уравнений Рейнольдса для турбулентного течения с помощью метода контрольного объема на трехмерной сетке из гексаэдральных ячеек. Учет дисперсной фазы (кавитационных пузырей и их скоплений) производился путем решения уравнения переноса доли пара. Турбулентность описывалась с помощью двухпараметрической модели k-[омега] SST, дифференциальной модели переноса рейнольдсовых напряжений (RSM) и метода моделирования отсоединенных вихрей (DES). Результаты. В экспериментах был получен полный набор данных, позволяющих проводить прямой анализ результатов измерений и численного моделирования, а также сравнение расчетных моделей между собой. Выполненные расчеты показали, что даже в случае небольшой паровой каверны за передней кромкой гидропрофиля для корректного описания присоединения потока к поверхности ниже по течению требуется привлечение метода замыкания второго порядка - дифференциальной модели переноса рейнольдсовых напряжений. Когда размер каверны становится большим, нестационарность потока является определяющим фактором турбулентного переноса. Моделирование с использованием вихреразрешающих методов позволило выявить периодическую динамику паровой каверны на низких частотах. Присоединение потока за каверной в нестационарном случае также лучше предсказывается моделью переноса рейнольдсовых напряжений.

Ключевые слова:

электронный ресурс, труды учёных ТПУ, гидроэлектростанции, кавитация, частичные парогазовые каверны, нестационарность, гидрокрылья, NACA0015, турбулентность, высокоскоростная визуализация, PIV, численное моделирование, RSM, DES,

Авторы:

Сентябов Андрей Васильевич

Тимошевский Михаил Викторович

Первунин Константин Сергеевич

Гаврилов Андрей Анатольевич

Маркович Дмитрий Маркович

Дектерёв Александр Анатольевич

Скачать PDF