Т. 329, № 11

Кавитация на рифленом двумерном гидрокрыле при малом угле атаки

Кавитация представляет собой один из основных источников неустойчивостей течения, возникающих при эксплуатации гидравлического оборудования, а также является причиной эрозионного износа его рабочих элементов. В этой связи разработка и развитие различных методов управления кавитационными течениями является актуальной задачей для задержки развития кавитации и снижения ее негативного влияния. Одним из таких методов является модификация поверхности гидрокрыла. Цель работы: экспериментальное исследование кавитационного обтекания рифленого гидрокрыла с продольными бороздками полукруглого профиля на поверхности (НЛ2), представляющего собой уменьшенную модель направляющей лопатки высоконапорной гидротурбины, в сравнении с моделью оригинальной направляющей лопатки (НЛ1). Методы. Для анализа пространственной структуры и временной эволюции паровых каверн и оценки их интегральных характеристик была применена высокоскоростная визуализация. Скорость течения над гидрокрыльями и в их следе измерялась с помощью метода PIV, на основе измеренных ансамблей полей мгновенной скорости были получены распределения средних и турбулентных характеристик течения. Результаты. На лопатке с модифицированной поверхностью (НЛ2) кавитация зарождается в виде одиночных изолированных пузырей в канавках, которые при уменьшении числа кавитации переходят в кавитирующие стрики. Пока стрики локализованы в канавках и не взаимодействуют друг с другом, режим обтекания остается стационарным. Однако когда их размер становится больше диаметра желобков, они выходят за пределы этих углублений, взаимодействуют и образуют единую каверну, которая теряет устойчивость и начинает пульсировать. В целом бороздки на поверхности гидрокрыла позволяют в некоторой степени задержать развитие кавитации и воспрепятствовать переходу к нестационарным режимам обтекания. На нестационарном режиме динамика каверн на оригинальном гидрокрыле (НЛ1) и НЛ2 сильно отличается. Так, на НЛ1 в отличие от НЛ2 каверна никогда не исчезает полностью, каверна на НЛ1 в среднем оказывается длиннее и пульсирует с большей частотой (St=0,09) по сравнению с НЛ2 (St=0,06). Кроме того, поведение каверны в течение одного периода пульсаций оказалось довольно необычным для обеих моделей: сначала она увеличивается до максимального размера, затем несколько уменьшается и снова вырастает до максимума, после чего возвращается в исходное состояние. Причина такой динамики пока остается невыясненной. На переходном режиме обтекания, когда внутри бороздок формируются кавитирующие стрики, интенсивность турбулентных флуктуаций скорости над поверхностью НЛ2 снижается по сравнению с режимом пузырьковой кавитации. Это происходит потому, что изолированные каверны в желобках как бы восстанавливают форму модифицированного гидрокрыла, делая геометрию его поверхности более приближенной к оригинальной (НЛ1). Таким образом, профиль НЛ2 становится более заполненным благодаря локальной кавитации в бороздках. Вместе с тем наличие канавок на поверхности НЛ2 приводит к дополнительной турбулизации течения вблизи поверхности лопатки для всех рассматриваемых режимов течения, что, вероятно, и является причиной задержки развития кавитации на гидрокрыле с бороздками.

Ключевые слова:

кавитация, частичные каверны, нестационарности, управление потоком, рифленые поверхности, высокоскоростная визуализация, кавитационное обтекание, гидрокрылья, гидравлическое оборудование, эрозионный износ, труды учёных ТПУ, электронный ресурс,

Авторы:

Тимошевский Михаил Викторович

Первунин Константин Сергеевич

Маркович Дмитрий Маркович

Скачать PDF