автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Пульсации давления в отрывных течениях конденсирующегося и влажного пара

' МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

РГБ ОД

7 * '""Л Ш34

Ощепков Михаил Юрьевич

ПУЛЬСАЦИИ ДАВЛЕНИЯ В ОТРЫВНЫХ ТЕЧЕНИЯХ КОНДЕНСИРУЮЩЕГОСЯ И ВЛАЖНОГО ПАРА

Специальность 05.04.14 Турбоматаны и турбоуотановки

Автореферат, диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москза - 1094

Работа выполнена на кафедре паровых и газовых турбин Московского энергетического института.

Научный руководитель: доктор технических наук профессор

Дейч М.Е. • * .......

Официальные оппоненты: доктор технических наук Кукушкин Д.Н.

кандидат технических наук с.н.с. . Лаухин С.А.

Ведущая организация: Центральный котлотурбинный институт • (ЦКТИ)

«■

Защита состоится в аудитории Б-409 '"14 " октября 1994 г. в Ак. час. 30 мин. на заседании специализированного совета К 053.16.05 Московского энергетического института. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу:

105835 ГСП, г.Москва. Е-250, Красноказарменная ул.. д.14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан "30" июня 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета к.т.н., с.н.с.

А.И.Лебедева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Отрывные течения в ступенях турбин, оаботающих в зоне Вильсона,обладают важной особенностью: повы-иенная турбулентность в области отрыва способствует спонтанной конденсации. Применительно к задачам совершенствования лопаточ-юго аппарата влажнопаровых ступеней можно выделить два типа отзывных течений, на характеристиках которых может сказаться воз-гакновение или наличие дисперсной фазы:

- отрывы в области взаимодействия скачков уплотнения с пограничным слоем, вызывающие кризисный рост потерь кинетической энергии на околозвуковых режимах;

- периодический кромочный отрыв, определяющий величину кромочных потерь и степень турбулентности следа.

Установлено, что параметры взаимодействия весьма чувствительны к условиям тепло- и массообмёна. Наличие скачков кон-1енсации и возбуждающих сил, .вызванных взаимодействием решеток, «ожет увеличить переменные аэродинамические нагрузки, действующие на лопатку, поэтому решение задач оптимизации профилей для )аботы во влажнопаровых ступенях требует углубленного изучения сартины взаимодействия как стационарных конденсационных, так и щиабатических скачков с пограничным слоем.

Спонтанная конденсация в кромочном отрыве сказывается на 'ечении в косом срезе, где распростра ¡лю'пя периодические волны >азрежения и сжатия, также генерирующие жидкую фазу. Измерения ¡ульсаций давления обнаруживают резкий рост амплитуды периоди-шских пульсаций вблизи линии насыщения, однако разрозненные 'Кспериментальные данные требуют существенного уточнения влияния 1еяммных параметров на характеристики периодического отрыва.

Цель работы - экспериментальное ^изучение следующих вопросов: . взаимодействие стационйрных скачков конденсации с пограничным леем; , _ ' Л '

инициирование конденсаций в области адиабатического скачка и нтерференция скачков конденсации и уплотнения;; .. взаимодействие скачков уплотнения с пограничным слоем при вла-■ообразивании в зоне скачка и с двухфазным пограничным слоем; ... изучение, влияния начального состояния «ара на характеристики ериодически'нестационарного отрывного течения. .

Решение данных задач требует применения упрощенных моделей, поэтому в качестве объекта исследования при изучении взаимодействия скачков конденсации и уплотнения с пограничным слоем были выбраны плоские сопла Лаваля. позволяющие в широком диапазоне варьировать структуру потока. Периодически нестационарный отрыв изучался на примере поперечного обтекания цилиндра, поскольку многочисленные надежные данные, полученные на воздухе, позволяют провести сравнительный анализ и установить влияние спонтанной конденсации и начальной влажности пара.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- измерены пульсации давления в области взаимодействия стационарных скачков конденсации с пограничным слоем, установлена количественная зависимость уровня низкочастотных пульсаций от местной скорости расширения потока:

- изучен процесс инициирования конденсации в области осцилляций нестационарного адиабатического скачка, определено влияние скорости расширения на предельное переохлаждение потока в сечении скачка уплотнения;

- описаны эффекты интерференции конденсационных и адиабатических скачков при изменении режимных параметров;

- установлено влияние формы сопла на характеристики взаимодействия скачков уплотнения с двухфазным пограничным слоем; .

- определены количественные зависимости числа Эй, частоты и амплитуды пульсаций давления на поверхности цилиндра от скорости и термодинамических параметров потока;

- установлена связь параметров потока в области околозвукового кризиса сопротивления с изменением периодических пульсаций давления в зоне отрыва вследствие конденсации;

- проведено сопоставление полученных результатов с данными советских и зарубежных авторов применительно к задачам совершенствования проточной части влажнопаровых ступеней турбин.

Степень достоверности и обоснованности результатов. При выполнении работы производилось сопоставление результатов оптических наблюдений (в т. ч. ннтерферометрических), скоростной теневой съемки и пневмсметрических измерений с результатами измерений спектров пульсаций давления, что обеспечило получение достоверной картины нестационарных отрывных течений. Параметры спонтанной конденсации определялись расчетом и сравнивались с данными, полученными методом лазерного зондирования.

Методика измерений пульсаций давления пьезокерамическими и волоконно-оптическими датчиками позволила получить хорошо воспроизводимые результаты благодаря оценке погрешностей, тарировке датчиков в ходе опытов и повышению количества измерений.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены:

1. На 8-й Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах", Л., октябрь 1990;

2. На семинаре ЦНИИ им.А.Н.Крылова "Проблемы развития судовых турбинных установок".Л..май 1991;

3. На Республиканской научно-технической конференции "Математическое моделирование и вычислительный эксперимент для совершенствования энергетических и транспортных турбоустановок...", Украинская ССР.Змиев, сентябрь 1991;

4. На 2-м Минском международном форуме по тепло- и массообмену, Минск, май 1992;

5. На газодинамическом семинаре кафедры ПГТ МЭИ.М..апрель 1994;

6. На заседании кафедры ПГТ, май 1994.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 3 статьи, выпущены тезисы докладов, техническая информация и 2 научно-технических отчета.

Практическая ценность работы. Полученные результаты позволяют более детально учитывать влияние нестационарных эффектов1 при разработке сопел, решеток и диффузоров для конденсирующегося и влажного пара. Обобщение опытных данных подтверждает целесообразность новых приемов профилирования сверхзвуковых сопловых решеток. в которых требуется обеспечить стабилизацию течения на нерасчетных режимах.

Выполненные исследования.предоставляют эмпирические данные, позволяющие усовершенствовать теоретические модели периодически нестационарных отрывных течений пересыщенного пара.

Освоенные методики измерений могут- применяться в газодинамических экспериментах и при исследованиях турбин. ' , Личный вклад автора. Автором разработаны и созданы экспериментальные модели, 'усовершенствована методика эксперимента и обработки данных, обоснованапрограмма - исследований. ПроБедены экспериментальные исследования, .составляющие существо данной диссертационной ' работы и предложены Физические объяснения обнаруженных явлений. '■■> ' •/',•' " '

Автор защищает результаты экспериментального исследования течений в соплах Лаваля и поперечного обтекания цилиндра, объяснения обнаруженных физических явлений, целесообразность новых приемов профилирования сверхзвуковых решеток, предложенных МЭИ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 194 страницах. включает 112 страниц машинописного текста, иллюстрируется 90 рисунками, состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения и списка использованной литературы из 99 наименований. -

•

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность- темы диссертации и установлено направление исследований.

В первой главе представлен обзор опубликованных работ, посвященных пульсациям давления в области взаимодействия скачков-уплотнения с пограничным слоем и результатам исследований периодически нестационарных отрывных течений. Основное внимание уделяется особенностям теченк... которые могут иметь местсС' в проточной части вламяопаровых ступеней турбин.

Обзор показывает, что в однофазной воздушной среде взаимодействие скачков уплотнения с пограничным слоем исследовано в широком диапазоне скоростей при различном состоянии пограничного слоя, изучены основные корреляции между пульсациями давления на стенке и характером течения. Отмечены работы, посвященные влиянию подвода теплоты в зону взаимодействия, а также конденсации паров воды в воздухе в области замыкающего скачка на профиле.

Анализируются результаты, полученные при измерениях пульсаций давления в соплах и решетках турбин, работающих в области Вильсона. Показано, что спонтанная конденсация, особенно при наличии периодических возмущений, может привести к существенному увеличению переменных аэродинамических сил, действующих на сверхзвуковые решетки (данные по суживающимся решеткам противоречивы). Обсуждаются пути стабилизации течения в соплах и решетках на нерасчетных режимах.

Приводятся примеры периодических отрывных течений в проточной части турбомашин. Подробно рассматриваются результаты исследований поперечного обтекания цилиндра однофазным потоком. Отмечается. что повышение степени турбулентности потока или шероховатости цилиндра сокращает автомодельную область и резко снижает

критическое значение . Проводится аналогия с данными, полученными при обтекании цилиндра потоком запыленного воздуха.

В заключение обзора сформу.чировэны задачи диссертации, а также рассмотрены возможности их решения с учетом объективных ограничений методического характера.

Вторая глава содержит описание конструкций рабочих частей пародинамического стенда и системы измерений.

В работе использованы плоские профилированные сопла, дренированные отверстиями диаметрой 0.8мм. Приемные отверстия датчика пульсаций давления, .располагались вдоль боковой стенки сопла (рис.1). Различная форма дозвукового участка сопел №2 и 3 позволила установить влияние профилирования на пульсационые характеристики течения в области критического сечения, где под воздействием высокого отрицательного градиента давления происходит вырождение турбулентности. Применение геометрически подобных сверхзвуковых сопел №3-5 (табл. 1) обеспечило возможность изучения влияния скорости расширения р на пульсации давления в зоне взаимодействия стационарных скачков конденсации с пограничным Слоем, а также на инициирование конденсации в области адиабатических скачков.

(Геометрическое подобие не обеспечивает постоянства такого критерия, как безразмерная 'скорость фазовых переходов, характеризующего релаксационные свойства среды. В этот комплекс входит, помимо молекулярко-кинетических величин, размерная величина -скорость расширения, которая традиционно используется при моделирований течений со спонтанной конденсацией.)'

■ Давление торможения пара перед соплом поддерживалось, постоянным р0=9.8*104 Па, а температура торможения менялась через 3-5 К от перегрева ДТ0-70 К до состояния насыщения ДТ„=0 К. после чего в -ресивер вводилась крупнодисперсная (с1я =30-70 мкм) форсуночная влага и достигалась начальная влажность у„-з-15Ж. • • Рабочая часть располагалась в световом поле теневого прибора ИАБ-4.51, Теневая съемка производилась фоторегистратором СФР в свете ртутной лампы ДРШ-250.. Зоны появления и исчезновения мелкодисперсной влаги контролировались по рассеянию света лазерного ;луча. ' При изучении периодически нестационарного отрыва на цилиндре применялись также стробоскопическая газоразрядная лампа и 'зеркальный/сдвиговый, интерферометр РП-452. .

Рис.2 Размещение сопла (а) и цилиндра (б) в рабочей

Рис.1 Основные размеры сопел. части.

Табл.1 Геометрические и режимные параметры исследованных сопел

Кар 1/а. Р..с"1 Ие.

1 2.0 4.88 9.5*103 4,1*10® 0.12-0,74

2 1.6 1.84 18.7Ч03 3.0*105 0,24-0,80

3 1,6 2.63 13,4«10э 3,0'Ю5 0,24-0,79

4 1.6 2.56 10.4*103 4.8*105 0,24-0,78

5 1.6 2.46 9,4*10» 6.4*105 0.24-0,82

Трубка пьезокерамического датчика пульсаций давления ЛХ-610 укреплялась в приемном отверстии. Собственная частота измерительной системы по результатам динамической тарировки составила 4,8 кГц, поэтому анализировался диапазон частот П=20-Ю00 Гц. Сигнал от датчика поступал через селективный усилитель на анализатор спектра СК4-26. Каждый полученный спектр амплитуд переменного сигнала приводился к виду р'=р'(П. далее численным интегрированием определялось значение

р"=/р'(П<ЗГ

а

используемое для сценки полней интенсивности пульсаций давления в диапазоне частот П и имеющие размерность [Па]. Затем вычислялась относительная безразмерная величина уровня пульсаций давления в данной точке

р"=р"/(р0-ра)

(здесь р0 - давление торможения перед соплом и ра - статическое давление на срезе сопла). Относительная погрешность "р'' не превышает 20%.

При изучении обтекания цилиндра применялась рабочая часть сечением.40*110 мм, в которой размещалось суживающееся'сопло. На удалении 100 мм от среза соЛла располагался поворачивающийся ци-> линдр диаметром 10 мм. укрепленный в угломерном устройстве. Вблизи оси канала цилиндр был дренирован двумя отверстиями: одно служило для пневмометрических измерений, а другое сообщалось с приемной камерой миниатюрного волоконно-оптического датчика давления, размещавшегося в теле цилиндра (рис.2). Благодаря этому диапазон частот составил П-0-3 кГц, и при анализе спектров пульсаций давления, помимо Р''. вычислялось относительное значение амплитуды дискретной составляющей А'' периодических пульсаций. Измерения статического давления и спектров пульсаций давления производились на поверхности цилиндра при углах 6=0-180®.

Третья глава посвящена результатам исследований одиночных сопел лаваля при .различном отношений давлений £аа=Ра/Ро: от расчетного режима до глубоко нерасчетных режимов с дозвуковыми скоростями потока.

.Взаимодействие скачков 'уплотнения с однофазным пограничным слоем характеризуется резким возрастанием пульсаций давления в

** 2-0,15 3-0.59

ОЛ5 с,50 а.75

Рис. 3 Распределения статического давления (а) и пульсаций давления (б) по длине со'*ча №1 при ДТо=70 К на нерасчетных режимах работы сопла.

-0Д5 О ОДЕ 0,500,75 <

Рис.4 Типичный вид спектров пульсаций давления в различных сечениях сверхзвукового сопла. "*

I 0.1

О

о

.8'

(Рг-Ъ

ц \ а

о ^

0,2

0,4 0,6 0,7

О £а

Рис.5 Зависимость максимального значения пульсаций давления (а) и коэффициента потерь кинетической энергии (б) в соплах № 2-5 от отношения давлений е..

Рис.6 Волновая структура потока в сопле №4 при ДТо=70 К при различном отношении давлений ся.

области осцилляции скачка с последующим их уменьшением до примерно постоянного значения в области дозвукового отрывного диф-фузорного течения (рис.3,4). Максимальное измеренное значение уровня пульсаций достигает р"=0,6, при этом р" не превышает -50% перепада давления (P2-Pi) в идеальном прямом скачке, расположенном в данном сечении сопла.Длина области максимальных пульсаций расширяется с увеличением числа Маха М, и толщины пограничного слоя перед скачком.

При перемещении скачка к выходному слабоградиентному участку сопла уровень пульсаций в области взаимодействия, несмотря на возрастание М,, снижается вследствие увеличения протяженности области взаимодействия. При этом наблюдается хорошая корреляция между максимальной величиной пульсаций давления р^ах и изменением коэффициента потерь кинетической энергии 4 в зависимости от отношения давлений Еа (рис.5).

Сравнение картины взаимодействия (рис.6) в четырех соплах с расчетным числом М4-1.6 и различным профилем сверхзвуксзого участка показывает, что возрастание толщины пограничного слоя (и уменьшение наполненности эпюры скорости в нем) приводит к увеличению размаха осцилляций скачка и, следовательно, к росту переменных аэродинамических нагрузок на профиль. Течение на нерасчетных режимах можно стабилизировать, применяя сопла с высо-коградиеитной сверхзвуковой частью.

Взаимодействие стационарных конденсационных скачков с пограничным слоем изучалось на расчетных режимах работы сопел при различном начальном перегреве ЛТ0. В силу малой интенсивности, скачков конденсации (р2/р,=1,05-1,1) возрастание пульсаций давления сравнительно невелико: в несколько раз выше, чем в невозмущенном пограничном слое. В высокоградиентных соплах ниже по потоку наблюдается снижение пульсаций давления, возбужденных скачком (рис.7).

Обнаружено заметное влияние местной скорости \ юиирения

с dp р - - - -р dx

на уровень пульсаций давления в области конденсационных скачков (здесь с-скорость потока, р-статическое давление и dp/dx-осевой градиент давления). В соплах с высокой скоростью расширения спонтанная конденсация оказывает меньшее влияние на распределе-

i 0,5

OA

0,3 0,2

P"

0.01

Z-35K 3- <5 К ^-0 К

<0 5

0 ,5 <10 i5 f»HÔ*c

0 0,25 0,50 0,75 x

Рис.7 Распределения статического давления (а) и пульсадий давления (б) по длине сопла ■ № 1 при Еа*0.135 и"различном начальном состоянии пара.

(дТр-дТ), К

'Рис.9, 'зависимость'разницы/ переохлаждений ''при инициировании ,конденсации, в : ■. -зоне;] 'адиабатического . скачка ,'-местной „скорости. ..расширения; потока...... ; ■, ' л--. ;';

À [ □-СОПЛО 4 О-сопла 2-5 ДТИИГРИРуЮ- VjojM« скача о \

V

5 Ю' 15 p.«Çc

Рис.8 Зависимость величины пульсаций давления в облас-;ти взаимодействия скачков конденсации с пограничным слоем.

дт;=2эк

"J

22 К

U 20 К

"J 17 К

'J 16К

II ПК

Рис. 10''- Волновая " 'структура потока в .сопло №4. при. еа= ;*р; 61" и; различном^-;начальном • перегреве ' пара.'.•• .

ния давлений €(х), а ее снижение до р < (3-5) *ЮЭ с-1 приводит к возникновению конденсационной нестационарности. Опыты показывают, что с ростом р происходит снижение пульсаций давления в области взаимодействия стационарных скачков конденсации с пограничным слоем (рис.8), что также подтверждает целесообразность применения высокоградиентных сопел для конденсирующегося пара.

Наличие скачка уплотнения в сопле оказывает влияние на момент начала конденсации при снижении ДТ0: набухание пограничного слоя перед скачком приводит к резкому снижению р. что инициирует конденсацию в области осцилляций адиабатического скачка. В слабоградиентных соплах разница между предельным переохлаждением потока ДТ в расчетных условиях и на нерасчетном режиме достигает 10 К. Увеличение скорости расширения приводит к сокращению длины области взаимодействия, в силу чего разница переохлаждений уменьшается (рис.9). Укороченный сверхзвуковой участок обеспечивает однофазное течение в более широком диапазоне режимов.

Инициирование влагообразования и выделение теплоты конденсации приводит к деформации фронта скачка уплотнения, росту \-образного скачка,увеличению размаха осцилляций и возрастании уровня пульсаций давления в зоне взаимодействия.

При дальнейшем снижении ДТ„ наблюдается процесс разделения конденсационного и адиабатического скачков, причем близость скачка уплотнения меняет форму скачка конденсации (рис. 10).Изменение волновой структуры потока происходит не плавно, а сопровождается внезапными апериодическими ее перестройками с "частотой" 0,5-2 Гц, пока не достигается стационарная картина.

Появление перед скачком уплотнения стационарного скачка конденсации и переход к начальной влажности пара резко меняет параметры невозмущенного пограничного слоя; наличие жидкой пленки с волновой границей раздела фаз приводит к возрастанию толщины дозвуковой часта пограничного слоя. В результате происходит дальнейшее усиление нестационарности взаимодействия: возрастает высота Х-образного скачка и размах осцилляций скачка уплотнения. Уровень пульсаций давления в области взаимодействия той этом знижается в силу увеличения ее протяженности, а переменные аэродинамические нагрузки на профиль сопла возрастают.

Измерения пульсаций давления в области критического сече-шя, где под воздействием максимального отрицательного градиента авления присходит вырождение турбулентности, показывают эффек-

с

f1a.-0.Sr

Я'

л

о,

ч " Т

(I

ГГ

Г'ГТ!

¡¿иI. •

__Ш-

м

__о,86

Рис.И Картина обтекания цилиндра при различной ■ скорости основного потока. Перегретый пар.

0,5 0,6 0,7 ОД 0,9 1,0 Ма

Рис.12 Зависимости числа БЬ. амплитуды и частоты периодических пульсаций давления от числа Маха основного потока.

V ^ № V л V

\Г V*

V 4----- V .

А" 0.2

он

\6'

у V

У

1"70К а

*у. «5%

з-у.

Л. [К

Л"Ь,К 30 20 <0 0 5 " О 30 60 90 СО «00®

Рис.13 Спектры пульсаций дав- ••• ' рис. 14 . Распределение • стати-

ления при Ма-0,81. (а) 1 Зави- : •• ческого давления (а) и ампли-

, симость частоты и числа 'БЛ ■. тудьг периодических пульсаций ." периодических'' .пульсаций" от..((У) на-. .поверхности цилиндра.;1 начального состояния пара при. при: Ма«0.'81' й-различНом-на-"

различных числах;Каха (б). ; ,' чальном .состоянии ^р^Й'ЙФ:.

тивность применения на влажном паре удлиненного дозвукового участка сопла. Затянутый входной участок обеспечивает плавный разгон крупных капель, которые, двигаясь с малым скольжением, не выпадают на стенку сопла. В результате удается добиться ламина-ризации потока вплоть до начальной влажности у0=12%.

В четвертой главе приводятся результаты исследования поперечного обтекания цилиндра потоком конденсирующегося и влажного пара в диапазоне чисел Маха основного потока Ма^О,5-1,2. Число Иеа в условиях эксперимента менялось от 0.6*105 до 1 * 105. т.е. оставалось докритическим. При анализе результатов учитывалась реальная картина обтекания цилиндра потоком перегретого пара (рис.11) в закрытой рабочей части, что позволило провести корректный сравнительный анализ и установить влияние термодинамических параметров на характеристики периодического отрыва.

В указанном диапазоне Ма были получены распределения статического давления е(8) и амплитуды периодических пульсаций давления X''(0) на поверхности цилиндра с шагом до 1°. Наибольшие пульсации давления имеют место за миделем. На сверхзвуковых режимах в 'ближнем следе формируется устойчивый парный вихрь, вследствие чего на всей поверхности исчезают периодические пульсации X'' и снижается уровень низкочастотного спектра ~р''.

Расчет частоты образования вихрей Кармана производился по результатам скоростной теневой съемки и сравнивался с непосредственными измерениями спектров пульсаций давления. Влияние стенок рабочей части приводит к уменьшению числа ЗМ до -0,15 (при типичном для бесконечного цилиндра значении Б^О, 2). Общий характер зависимости амплитуды периодического сигнала X'' от Ма подтверждается данными многочисленных измерений пульсаций донного давления: максимальные пульсации имеют место в области околозвукового кризиса сопротивления (рис.12). Это связано с увеличением разницы между давлением в набегающем потоке и донным давлением рй,что вызывает экстремальное возрастание коэффициента донного давления срЬ и служит основной причиной околозвукового кризиса сопротивления плохообтекаемых тел.

Снижение скорости набегающего потока при уменьшении температуры торможения приводит к практически линейному падению частоты периодического вихреобразования. однако число • эь при этом меняется мало (рис.13).

С^ 0,6 0,8 Ма

Рис.16 Зависимость разницы переохлаждений и скорости ядрообразования от числа Маха основного потока. Вид областей конденсации. . .-. -

ЛЪ.К 40 '20 0 5 -(О

Рис.15 Зависимости амплитуды периодических ■пульсаций давления в точке 8«120° от начального состояния пара.

"70 90 т

Рис,17 Распределения давлений в районе..миделя .при,- сверхзвуковом обтекании"цилиндра

-Рис::18 Интерферограммы обте--■ кания-цилиндра при-М,.?!, 18 -и-различном начальном-перегрева пара ~

Сравнение распределений статического давления £(9) на поверхности цилиндра при обтекании потоком перегретого, насыщенного и влажного пара обнаруживает наличие общей закономерности: 1)начальная влажность вызывает смещение точки отрыва Б по потоку до положения 8=100-110°; 2)происходит уменьшение значения минимального давления ет и 3)происходит увеличение статического давления в кормовой части цилиндра (рис.14). Эти явления типичны для турбулентного отрыва и в однофазном потоке. Переход к турбулентному отрыву происходит при начальной влажности пара у0 <5% и сопровождается возрастанием частоты периодического отрыва вследствие уменьшения масштаба формирующихся вихрей (рис.13).

Измерения обнаруживают, что при Ма<0,8 происходит увеличение амплитуда периодических пульсаций давления в отрывной области. когда параметры торможения потока близки к состоянию насыщения. В докризисной области значение А" возрастает в 1,5-2 раза сравнительно с измеренным в отсутствие конденсации: в за-кризисной области характерный "пик" пульсаций давления на линии насыщения не наблюдается (рис.15).

Приближенная оценка скорости ядрообразования производилась в квазистационарном приближении по статическим параметрам в основном потоке и отрывной зоне. С увеличением Ма разница 'между переохлаждением в зоне отрыва ДТЬ и переохлаждением основного потока ДТа возрастает и достигает максимума в области кризиса сопротивления. Расчет скорости ядрообразования I, м"3с"1.производился по уравнению Френкеля-Зельдовича с поправкой, учитывающей зависимость коэффициента поверхностного натяжения от радиуса, зародыша. При Ма<0,7 скорость ядрообразования в районе миделя мала, и действительно, конденсация наблюдается только в следе.

■В околокризисной области происходит бурная конденсация в нестационарных сверхзвуковых областях, связанных со сходом вихрей. Число устойчивых 'зародышей в основном потоке пренебрежимо малое и практически все капли растут на ядрах, образовавшихся за время расширения сверхзвуковой области (рис.16). Осредненные параметры потока находятся в области, запретной для существования стационарных конденсационных скачков.

В закризисной области уменьшается неравновесность процесса расширения и быстро возрастает число устойчивых зародышей в основном потоке. В результате конденсация происходит более "плавно". Заметное количество влаги выделяется и "при небольшом

начальном перегреве ЛТ0, что. возможно, объясняет отсутствие пика пульсаций давления на линии насыщения. Таким образом, на за-кризисных режимах происходит постепенный переход к гетерогенной конденсации.

При сверхзвуковом обтекании скачки конденсации локализуются в распределенных волнах разрежения за миделем цилиндра и не оказывают сильного влияния на распределения с(в) (рис.17). Снижение, перегрева ДТ0 вызывает возникновение скачков конденсации за суживающимся соплом. Цилиндр оказыватся в потоке мелкодисперсной влаги, которая при ЛТ0<5 К приводит к полному подавлению спонтанной конденсации за миделем (рис.18).

Измерения низкочастотных пульсаций давления в лобовой точке цилиндра обнаруживают монотоннее увеличение р'' с ростом начальной влажности пара. При у0 = ЮЛ уровень пульсаций примерно в 2 раза выше, чем в,однофазном сверхзвуковом потоке.

ВЫВОДЫ '

1. Пульсации давления в области взаимодействия скачков конденсации с пограничным слоем (достигающие максимума при конденсационной нестационарности) с увеличением местной скорости расширения снижаются до величины, в 2-3 раза превышающей уровень.пульсаций в невозмущенном пограничном слое.

2. Инициирование, конденсации в. области нестационрчного скачка уплотнения, которое сопровождается деформацией .фронта скачка, возрастанием размаха осцилляций ' .и уровня пульсаций давления в районе взаимодействия, наблюдается в . слабоградиентных соплах. . Увеличение скорости расширения до р> 1С1, с"?.'- приближает достигаемое предельное переохлаждение в данном,'сечении сопла к расчетному, и стабилизирует течение.' 'у', ' .- ',

,3. Разделение скачков конденсации. и: уплотнения ' при снижении тем- • пературн торможения сопровождается спонтанной апериодической перестройкой волновой структуры потока '(¡/"частотой",-0,5-? Гц. 4. Взаимодействие скачков уплотнения" с ..двухфазным,^.пограничным слоем сопровождается .-.увеличением , высоты- ^.-образного скачка и размаха осцилляций.' Уровень1 пульсаций'давления в области. взаимодействия -при-:/\этом-.снижается вследствие, увеличения'ее протяженности.,/ а' переменные,' нагрузки "на /профиль-'-^сопла./ возрастают. ' 5'. 'Конденсация .в .вихревом ейеде. и/местных гевврхзвукевнх .областях. ; приводит к. увел11чению ;период11ческих пульсаций.^ д&влейШг-раза сравнительно с их уровнем ё 'однофазном,потоке,но<чиспр"5К"

при этом меняется мало. При обтекании цилиндра переход к турбулентному отрыву происходит при начальной влажности у„<5%.

6. Возрастание периодических пульсаций давления в нестационарных сверхзвуковых областях тесно связано с околозвуковым кризисом сопротивления, когда отрывное течение отличается максимальной термодинамической неравновесностью. В закризисной области происходит постепенный переход к гетерофазной конденсации.

7. Подтверждается целесообразность применения сверхзвуковых сопел и решеток для важного пара, имеющих удлиненный дозвуковой участок и высокоградиентную сверхзвуковую часть (рис.19). На "затянутом" входном участке обеспечивается плавный разгон жидкой фазы, а укороченная сверхзвуковая часть сопла способствует стабилизации течения в широком диапазоне режимов.

Рис.19 Сравнение геометрии каналов решеток предыдущего поколения (пунктир) и новых сопловых решеток МЭИ.

основные результаты диссертации опубликованы в статьях:

1. Дейч Н.Е.. Ощепков М.Ю., Тищенко А. А., Щербаков А. П. Пульсацион-ные характеристики потока перегретого и влажного пара в сопле Лаваля на переменных режимах // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1991. № 4. С.124-137.

2. Дейч М. Е.. Ощепков М. Ю.. Тищенко А. А., Хамади аль-Джанаби 11!. Пульсационные характеристики однофазного и двухфазного потоков пара в соплах Лаваля на нерасчетных режимах // Изв. РАН. Энергетика. 1992. Т. 38. № 2. СЛ04-128. ' •

3. Дейч М.Е., Ощепков М. В., Тищенко А. А. Поперечное обтекание цилиндра околозвуковым потоком конденсирующегося и влажного пара// Изв.РАН. Механика жидкости и газа. 1994. № 6. С. •