автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование кавитационного течения жидкости в генераторах колебаний давления

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Обзор литературы по кавитационным генераторам колебаний.

1.2. Расчетная модель кавитационного течения жидкости в расширяющихся каналах.

1.2.1. Типы кавитации.

1.2.2. Кавитационное течение жидкости.

1.2.2.1. Стационарное кавитационное течение.

1.2.2.2 Нестационарное кавитационное течение.

1.3. Высокочастотные кавитационные колебания давления.

1.4 Определение частоты колебания давления жидкости.

1.5. Постановка задачи.

ГЛАВА П. МОДЕЛЬ КАВИТАЦИОННОГО НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В КАНАЛАХ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ.

2.1. Интегральное соотношение импульса для стационарного течения жидкости.

2.2. Интегральное соотношение импульса для нестационарного течения сжимаемой жидкости в пристеночной кавитационной каверне.

2.3. Модель нестационарного кавитационного течения в трубке Вентури.

2.4. Уравнение состояния вспененной жидкости.

2.5. Определение частоты колебаний давления при пульсирующих режимах кавитации.

Выводы по главе II.

ГЛАВА III. МОДЕЛЬ КАВИТАЦИОННОГО СТАЦИОНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В КАНАЛАХ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ.

3.1. Моделирование течения вязкой жидкости в каналах.

3.2. Процедура обезразмеривания уравнений модели.

3.3. Моделирование течения вязкой жидкости в каналах сложной формы.

3.4. Построение сетки в вычислительной области.

3.5. Краткое описание вычислительного алгоритма.

3.6. Моделирование стационарного кавитационного течения жидкости.

Выводы по главе III.

ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАВИТАЦИОННЫХ КОЛЕБАНИЙ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ.

4.1. Экспериментальная установка и методика измерений колебаний давления жидкости.

4.2. Оценка погрешностей результатов экспериментов.

4.3. Проведение испытаний генератора колебаний.

4.3.1. Исследования кавитационного генератора колебаний трубки Вентури.

4.3.2 Связь рассматриваемых колебаний с колебаниями, протекающими по Струхалевскому механизму.

4.3.3, Исследования кавитационного генератора колебаний жиклера.

4.3.4, Исследования кавитационного генератора колебаний -центробежной двухступенчатой форсунки.

Выводы по главе IV.

Развитие авиационной техники, создание наземных транспортных систем большой тяговооруженности, а также улучшение экологии окружающей среды за счет снижения содержания токсичных веществ в выхлопных газах двигателей требуют разработки способов улучшения распыливания жидких топлив и повышения полноты сгорания горючей смеси в камере сгорания двигателя.

Весьма перспективным направлением для улучшения распыливания топлива является использование форсунок, работающих в автоколебательном режиме. В таком режиме могут работать различные типы форсунок: струйные, струйно-вихревые, центробежные и другие.

Автоколебательный режим работы форсунок, вызывающий вибрационное горение топлива в двигателях летательных аппаратов, является практически вредным процессом, приводящим к разрушению камеры сгорания двигателя. В то же время вибрационное горение весьма эффективно используется для снижения содержания токсичных веществ в продуктах сгорания топлива. Для осуществления вибрационного горения топлива создают вынужденные колебания давления и расхода жидкости перед форсункой путем периодического перекрывания проходного сечения трубопровода. Однако существенным недостатком такого способа возбуждения колебаний расхода жидкости является недостаточная надежность самого агрегата для создания колебаний из-за наличия подвижных элементов в его конструкции. Более надежным является способ возбуждения автоколебаний давления в самих топливных форсунках. Однако для этого необходимо соблюсти ряд конструктивных и режимных параметров, в частности, обеспечить требуемый частотный диапазон колебаний расхода, выдержать который не всегда удается. Например, весьма трудно совместить конструктивные размеры форсунок и расход топлива через них с необходимым диапазоном частот колебаний давления.

Одним из приемлемых способов возбуждения колебаний давления перед форсункой является использование малорасходного кавитационного генератора колебаний с трубкой Вентури. При кавитационном течении жидкости в трубке Вентури возможен режим течения с периодическим срывом кавитационной каверны, сопровождающийся колебаниями давления с амплитудами в несколько раз большими, чем давление подачи.

При исследовании двухступенчатых центробежных форсунок в камерах закручивания также фиксировались колебания давления, а торцевые её поверхности были изъедены кавитационными раковинами.

В настоящее время отсутствует математическая модель нестационарного кавитационного течения жидкости как в форсунках, так и в генераторах колебаний давления, которая крайне необходима еще на этапе проектирования для улучшения параметров генераторов колебаний и центробежных форсунок, работающих в автоколебательном режиме.

В связи с этим разработка математической модели нестационарного кави-тационного течения жидкости в генераторах колебаний является актуальной задачей.

Физическую картину нестационарного течения жидкости в кавитацион-ных генераторах колебаний можно яснее представить, рассматривая модель стационарного течения жидкости без отрыва потока. Однако способ решения математической модели стационарного течения жидкости с кавитационным пузырем с произвольным заданием плотности гипотетической жидкости в изобарической области течения не верен. Для аналитического решения этой задачи необходимо находить эквивалентную плотность жидкости как функцию текущего значения давления.

Изучение явления кавитационных срывных колебаний позволит более глубоко понять природу этого явления и найти способы практического его использования для решения различных задач или избавления от него, когда это приводит к разрушению конструкций форсунок и вызывает неустойчивость в работе двигателя.

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность научному руководителю д.т.н., профессору A.A. Сергиенко, научному консультанту к.т.н. В.И. Жданову за большую помощь в работе, а также д.т.н. В.В. Семенову за ценные замечания, высказанные при обсуждении результатов работы.

Выводы к главе IV

В результате проведения испытаний гидравлических элементов таких, как трубка Вентури, жиклер и двухступенчатая центробежная форсунка на режимах кавитационного течения жидкости наблюдается следующее:

- в системе за данными гидравлическими элементами имеют место автоколебания давления в диапазоне частоты 25-700 Гц;

- в расширяющихся осесимметричных каналах, жиклерах, двухступенчатых центробежных форсунках наблюдаются общие закономерности процесса для колебаний давления жидкости, которые заключаются в том, что частота колебаний не зависит от длины выходной магистрали, а зависит от давления жидкости в выходной магистрали, причем эта зависимость близка к линейной;

- колебания давления жидкости в выходной магистрали происходит при диапазоне изменения отношения давления за гидравлическим элементом к давлению перед ним {Р2/Р1) от 0.05-0.7 и «двойная амплитуда» колебания может достигать 40-60% для трубки Вентури и жиклера, а для двухступенчатой форсунки -100%;

- амплитуда колебаний давления за генератором уменьшается по мере увеличения отношения давлений за гидравлическим элементом к давлению на входе из него {Рг!Р\)л достигает своего максимума в диапазоне 0.1- 0.2, причем увеличение давления подачи жидкости приводит к росту амплитуды колебаний;

- амплитуда колебаний давления в большерасходной магистрали двухступенчатой форсунки уменьшается с увеличением ее длины;

- кавитационные автоколебания в двухступенчатой форсунке приводят к эрозионному износу поверхности камеры закручивания;

- удовлетворительное совпадение полученных экспериментальных зависимости изменения частоты колебаний от давления в магистрали за трубкой Вентури с теоретической зависимости наблюдается в диапазоне модифицированного числа Струхаля от 0.25- 0.75;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана математическая модель нестационарного кавитационного течения вязкой жидкости в расширяющихся осесимметричных каналах с использованием уравнений пограничного слоя и разделения потока на жидкое ядро и каu и т-ч витационный слой. В результате получена замкнутая система нестационарных дифференциальных уравнений, описывающих в рамках квазиодномерного приближения, пульсирующие режимы кавитационных течений в трубках Вентури.

2. Показано, что физическая картина кавитационных течений в расширяющихся осесимметричных каналах в некоторых своих аспектах аналогична отрывным сверхзвуковым течениям газа в сопле Лаваля на режимах перерасширения.

3. Для генератора колебаний с углом расширения диффузора 2р = 14° и диаметром минимального сечения (1кр= 2 мм определены корреляции между параметром следа 1П=1- щ/щ и относительной плотностью среды в кавитационном слое х = ро/рб с одной стороны, и частотами колебаний давления с другой стороны.

4. На основе уравнений Навье-Стокса, записанных для двухфазной среды, состоящей из жидкости и пузырьков пара, а также модельного уравнения состояния, описывающего зависимость локальной средней плотности двухфазной среды от давления, разработан численный метод расчета стационарных кавитаци-онных течений в осесимметричных расширяющихся каналах.

5. Показано, что результаты расчетов по предложенному методу для двухмерных течений в трубке Вентури согласуются с экспериментальными данными. Причем в отличие от известной одномерной модели течения не требуется предварительного разделения потока на жидкое ядро и кавитационную область.

6. Экспериментально установлено, что на режимах кавитационного нестационарного течения жидкости в малорасходных генераторах колебаний (с1кр < 4 мм) таких, как расширяющийся осесимметричный насадок, жиклер или двухступенчатая форсунка наблюдаются автоколебания давления, имеющие общие закономерности по частоте колебаний в диапазоне частот 25-700 Гц.

135

1. Базаров В.Г- Исследование нестационарной работы топливных форсунок и ее влияние на процесс смесеобразования Теплоэнергетика, 1983, №3, с. 41-43.

2. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Основы техники распыливания жидкостей. М.: Химия, 1984.255с.

3. Пажи Д.Г., Корякин A.A., Ламм Э.Л. Распыливающие устройства в химической промышленности. М., "Химия". 1975. 199 с.

4. Пажи Д.Г., Прахов A.M., Равикович Б.Б. Форсунки в химической промыпы-енности. М., "Химия", 1971. 220 с.

5. Вулис Л.А., Ярин Л. П. Аэродинамика факела. Энергия. Ленинградское отделение., 1978,216 с.

6. Богуславский В.Я., Экпадиосянц О.К О физическом механизме распыливания жидкости акустическими колебаниями. "Акустический журнал", т. 15, 1969, №1,с. 17-25.

7. Новицкий Б.Г, Применение акустических колебаний в химикотехнологиче-ских процессах. М.: Химия, 1983. -192 с.

8. Кулагин Л.В., Морошкин М.Я, Форсунки для распыливания тяжелых топлив. М. "Машиностроение", 1973, с. 200.

9. Дитякин Ю.Ф., Струлевич H.H. Автоколебательные режимы истечения из форсунки как возможное средство улучшения распыливания топлива. Труды ЦИАМ, 1948, № 146.

10. Андреев A.B., Базаров В.Г., Жданов В.И.- Марчуков Е.Ю. Автоколебания в системах подачи с центробежной форсункой. Тез. докл. III Всесоюзной конф. "Современные проблемы двигателей и энергетических установок", МАИ, 1985, 57 с.

11. Дробязко Б.С., Павловский В.П. О неустойчивости течения жидкости в центробежной форсунке ИВ УЗ "Авиационная техника", 1978, № 1, с. 37-4.

12. Марчуков Е.Ю. О нестационарной работе топливных форсунок основной камеры сгорания ГТД. Изв. вузов "Авиационная техника", 1985, № 2, с. 86-88.

13. Базаров В.Г., Дыбленко В.П., Богданов Ю.М., Марчуков Е.Ю, "Способ генерирования колебаний жидкостного потока", авторское свидетельство СССР № 1624775, 1989г.

14. Марчуков Е.Ю. Конверсия высокотемпературного авиационного двигателя, М., 1998. 144 с.

15. Марчуков Е.Ю., Тарасенко В.Г., Жданов В.И., Базаров В.Г., Дыбленко В.П., Скальруд A.n., "Способ генерирования колебаний жидкостного потока и устройство для его осуществления", патент РФ № 2087756, 1994 год.

16. Кныш О.Ю. Автоколебательные процессы в центробежных форсунках ГТД. Сборник научных трудов СГАУ "Актуальные проблемы производства. Технология, организация, управление ", Самара, 1995., с. 4-14.

17. Кныш Ю.А., Кныш О.Ю, "Гидромассажный аппарат Кныша", патент РФ № 2095047, опубл. в Б.И, № 31, 1997 г.

18. Кныш Ю.А., Урывский А.Ф, К теории возникновения регулярных пульсаций в закрученном потоке жидкости. ИВ УЗ "Авиационная техника" №1,1982. с. 13-.

19. L'Orange. Die Zusammenarbeit von Pumpen und Dusen hei kompressorlosen Diselmotoren. Z. VDI, 1931, № 11.

20. Schweitzer. Servicing of the fuel injection nozzles "Dissel Power", 1943, № 8, pp. 706-712.

21. Калиш Г.Г. К вопросу об устойчивости режима работы форсунки. Труды НАГИ, 1941 год, вып. 40.

22. Калиш Г.Г., Вихерт "Известия НАТИ", 1933 год, № 1, с. 1-5.

23. Пилипенко В.В. Кавитационные автоколебания. Ин-т. Механики, Киев: Наук. Думка, 1989,316 с.

24. Прандтль Л. Гидроаэродинамика.- М.: ИЛ, 1949, 520 с.

25. Эпштейн Л.А. Метод теории размерностей и подобия в задачах гидромеханики судов. Л.: Судостроение, 1970,207 с.

26. Johnson V.E. Ir. Investigation of cavity flows by experimental means // Неустановившиеся течения воды с большими скоростями. М.: Наука, 1973, 59-83.

27. Леман А.Ф., Юнг Дж. О. Экспериментальные исследования начальной и конечной стадии кавитации // Теоретические основы инженерных расчетов (Пер. Trans. ASVT, ser. D.) 1964. Т.86, №2, 133-143.

28. Гогиш Л. В., Степанов Г. Ю. Отрывное и кавитационные течения // Наука. 1990, 376 с.

29. Гуревич М.И. Теория течений со свободным поверхностями // Гидромеханика. Итоги науки. М., 1971. Т.5, 32-114 с.

30. Гогиш Л. В., Молодых О. В. Расчет отрывных и кавитационных течений в диффузорных каналах // Изв. АН СССР.МЖГ. 1986, №5 47-54 с.

31. Гоуз С, Клайн С. Дж. Расчет максимального восстановления давления в плоских диффузорах // Теоретические основы инженерных расчетов (Пер. Trans. ASME, ser.D). 1978, №4, 130-138 с.

32. Гиневский A.C. Теория турбулентных струй и следов. Интегральные методы расчета. М.: машностроение, 1969, 400 с.

33. Абрамович Т.Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Ч.1: Учеб. 5-ое изд. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991 г, 600 с.

34. A.c. 596733 СССР, МКИ F 04 D 3/02. Лопастный насос / И.В. Щербатенко, В.П. Ханкин, В.И. Петров. Опубл. 05.03.78. Бюл. №9.

35. Пилипенко В.В., Задонцев И.К., Манько Н.И. Исследование высокочастотных кавитационных автоколебания в гидравлической системе с трубкой Вентури: Киев наук, думка, 1976.- Ч. 2- С. 104-113.

36. Янг, Холл. Кавитация в периодических спутных струях за симметричными клиньями // Тр. Амер. о-ва инженеров-механиков. Сер. Д. Теорет. Основы инженерных расчетов. 1966. № 1. - С. 136-149.

37. Эпиштейн Л.А. Возникновение и развитие кавитации. Труды ЦАГИ, 1948, № 655. Стр 78.

38. Лапин Ю.В. Турбулентный пофаничный слой в сверхзвуковых потоках газа.- 2-е изд., перераб.-М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982.-312с.

39. Мартыненко СИ. Адаптация уравнений Навье Стокса к численным методам // Тезисы доклада Всеросс. конф. молодых ученых "Проблемы исследований и разработок по созданию силовых и энергетических установок XXI века", Москва, 2000.

40. Белоцерковский О.М., Гущин В.А., Щенников В.В., Метод расщепления в применении к решению задач динамики вязкой несжимаемой жидкости // ЖВМ и МФ, Т. 15, №1, 1975, с. 197-207.

41. Самарский А. А., Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. - 432 с.

42. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука; Гл. ред. физ.-мат. лит., 1978. -512с.

43. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики: Учеб. Пособие. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. - 608с.

44. Самарский А.А. Теория разностных схем. 2-е изд. - М.: Наука, 1983. - 614с.

45. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидродинамика и теплообмен: В 2-ч. Пер. с англ. М.: Мир. 1990.

46. Kariman S.M.H. and Schneider G.E. Pressure-based computational method for compressible and incompressible flows // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. -1994. Vol. 8, No. 2. P.267-274.

47. Chorin A.J. A Numerical Method for Solving Incompressible Viscous Flow Problems // J. Сотр. Phys., Vol. 2, pp. 12-26, 1967.

48. Patankar S. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, New York: Hemisphere, 1980.-p.168.

49. Harlow F.M., and Welch J.E. Numerical calculation of time-dependent viscous incompressible flow of fluid with free surface // Physics of Fluid,-1965. -Vol. 8, №. 12,-P.2182-2189.

50. Vanka S.P., Leaf O.K. An efficient finite-difference calculation procedure for multi-dimensional fluid flows // AIAA Paper, 1984. 1244.

51. Briley W.R. Numerical method for predicting three-dimensional steady viscous flow in ducts // J. Сотр. Phvs. -1974, Vol. 14, - P.8-28.

52. Лапин Ю.В., Стрелец M.X., Внутренние течения газовых смесей. М.: Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. - 368 с.

53. Lam C.K.G., Bremhorst К.А., А Modified form of the (К s)-model Predicting Wall Turbulence // J. Fluids Eng. - 1981. -V.103. - P.456-460.

54. Jones W.R., Launder B.E., The Prediction ofLaminarization with a Two-Equation Model of Turbulence // Int. J. Heat Mass Transfer. -1972. -V.15.- P.301-314.

55. Launder B.E., Sharma B.I. Application of the Energy Dissipafion Model of Turbulence to the Calculation of Flow near a Spinning Disc // Letters in Heat and Mass Transfer.-1974.-P.131-138.

56. Chien K.Y. Prediction of Channel and Boundary Layer Flows with a Low-Reynolds-number Turbulence Model // AIAA J. -1982. V.20, N1. P.33-38.

57. Coles D. A Model for Flow in the Viscous Sublayer // Proceeding of the workshop on coherent structure of turbulent boundary layers. Lehigh University. - Bethlehem. 1978. - P.60-66.

58. Schubauer G.B., Turbulent Processes as Observed in Boundary Layer and Pipe // J. Appl. Phys. -1954. V.25. P.188-196.

59. Пейтел В.К., Роди В., Шойерер Г., Модели турбулентности для течений в пристеночной области с малыми числами Рейнольдса // Аэрокосмическая техника, №2, 1986, 183-197.

60. Вукалович М.П., Ривкин СЛ., Александров А.А. таблицы термодинамический свойств воды и водного пара, изд-во стандартов, 1969. 150с.140

61. Шашин В.М. Гидродинамика: Учеб. для техн. вузов. М.: Высш. шк., 1990. -384 с.

62. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин, Л, " наука", 1974.

63. Чуян Р.К. Методы математического моделирования ДЛА. Учебное пособие. М., машностроение, 1988г.