Турбулентные кавитационные потоки

Одним из направлений исследований Лаборатории моделирования энергетических процессов НИЧ НГУ в области турбулентных многофазных течений является экспериментальное изучение динамики кавитирующих течений вблизи модельных гидрокрыльев. Цель настоящих исследований – изучение влияния особенностей тел обтекания (форма и размеры, шероховатость поверхности и прочие), свойств жидкости (например, содержание растворенного воздуха) и других параметров на динамику кавитирующих течений. Одной из основных задач данного направления является получение с помощью современных оптических методов диагностики многофазных сред, таких как, например, высокоскоростная визуализация и панорамные методы измерений скорости течений, систематической экспериментальной информации о зарождении и развитии кавитации, о динамике и пространственной структуре кавитационных каверн, а также о пространственных распределениях средних и турбулентных характеристик течений вблизи модельных гидрокрыльев при вариации большого числа параметров. Результаты настоящих исследований необходимы, в том числе, для развития и валидации существующих численных методов моделирования многофазных турбулентных течений сложной геометрии.

Рис. 1 Кавитационный стенд

Проблемы, связанные с кавитацией и кавитационной эрозией, принадлежат к наиболее трудным фундаментальным задачам современной гидродинамики. Важнейшими условиями безопасной и эффективной работы гидроэнергетических систем, как вновь создаваемых, так и уже эксплуатирующихся, являются надежность и долговечность используемого оборудования. Как правило, работа реальных энергетических агрегатов, таких как гидротурбины, сопровождается наличием нестационарного турбулентного течения сложной геометрии, зачастую являющегося двухфазным. Повышение ресурса работы, увеличение КПД гидромашин, а главное – степени их безопасности, невозможно без изучения физических механизмов гидродинамических процессов, наиболее существенную роль, среди которых играют крупномасштабные вихревые структуры (КВС) и кавитация. Взаимодействие КВС с парогазовой дисперсной фазой является сложным нелинейным процессом, оказывающим существенное влияние на кавитационную эрозию элементов гидроагрегатов и на пульсационные характеристики течения вследствие взаимного влияния непрерывной фазы и частиц дисперсной фазы. На траектории частиц влияет локальная неравновесная турбулентность жидкости (турбулентная дисперсия), при этом движение пузырей оказывает существенное влияние на турбулентную структуру потока (модуляция турбулентности). Как известно, возникновение резонансных эффектов может приводить к чрезмерным вибрационным нагрузкам и, как следствие, выходу из строя гидроагрегатов или в худшем случае даже авариям и катастрофам. Кавитационная эрозия, в свою очередь, является одним из механизмов интенсивного износа рабочих колес гидротурбин и насосного оборудования, что существенно снижает их ресурс работы и увеличивает затраты на производство или потребление энергии. Как правило, кавитационной эрозии подвергаются определенные участки тыльных сторон лопаток, втулок и ободов рабочих колес, при этом остальная поверхность остается неповрежденной. Это обуславливается определяющей ролью пространственной структуры двухфазного течения на процесс кавитационной эрозии. Таким образом, становится очевидным, что одновременное исследование динамики кавитационных каверн и КВС в нестационарных турбулентных течениях, реализующихся в элементах гидроагрегатов, распределений турбулентных характеристик, а также изучение взаимодействия КВС, развивающихся в сдвиговых слоях в жидкости, с парогазовой фазой являются крайне актуальными задачами с точки зрения совершенствования конструкций современного гидротехнического оборудования.

В ходе выполнения проекта были зарегистрированы различные типы кавитационных каверн, возникающих со стороны разрежения на модельных телах обтекания (пластина с закругленной носовой частью, гидрокрыло NACA0015, уменьшенная копия направляющих лопаток гидроагрегатов Саяно-Шушенской ГЭС): пузырьковая и стриковая кавитация, пленочные и облачные каверны и другие типы кавитационных полостей. Также было изучено влияние типа кавитационной каверны на распределения средних и турбулентных характеристик течений вблизи исследуемых тел обтекания. В результате было показано, что при переходе к облачному режиму кавитационного обтекания увеличивается поперечный размер турбулентного следа за телами, а также наблюдается рост амплитуды турбулентных пульсаций в нем. Кроме того, были зарегистрированы различные типы неустойчивостей кавитационных каверн – естественные и внешние.

Визуализация обтекания пластины с закругленной носовой частью

 

Визуализация обтекания гидрокрыла NACA0015

 

Визуализация обтекания (уменьшенной копии) направляющих лопаток гидроагрегатов Саяно-Шушенской ГЭС

 

Публикации:

  1. В.М. Дулин, А.Ю. Кравцова, Д.М. Маркович, К.С. Первунин, М.В. Тимошевский (2011) Применение метода Particle Image Velocimetry для изучения турбулентной структуры кавитационного обтекания каскада гидропрофилей NACA0015 // Вестник НГУ: Серия Физика, т. 6, в. 4, стр. 70-81
  2. С.В. Алексеенко, А.Ю. Кравцова, Д.М. Маркович, К.С. Первунин, М.В. Тимошевский Экспериментальное исследование кавитационного обтекания двумерных гидропрофилей // Фундаментальные проблемы моделирования турбулентных и двухфазных течений / под редакцией академиков РАН А.А. Саркисова и Г.А. Филиппова. –М.: Комтехпринт, 2012. –Т. 3. –С. 465-487.
  3. A.Yu. Kravtsova, D.M. Markovich, K.S. Pervunin, M.V. Timoshevskiy Turbulent structure of cavitating flows about 2D model bodies // Proceedings of the 8th International Symposium on Cavitation, Singapore, pp. 450-455, August 13-16, 2012
  4. A.Yu. Kravtsova, D.M. Markovich, K.S. Pervunin, M.V. Timoshevskiy, K. Hanjalic (2013) High-speed imaging of cavitation regimes on a round-leading-edge flat plate and NACA0015 hydrofoil // Journal of Visualization, Vol. 16, N. 3, pp. 181-184 (DOI 10.1007/s12650-013-0167-0)
  5. A.Yu. Kravtsova, D.M. Markovich, K.S. Pervunin, M.V. Timoshevskiy, K. Hanjalic (2013) High-speed visualization and PIV measurements of cavitating flows around a semi-circular leading-edge flat plate and NACA0015 hydrofoil // International Journal of Multiphase Flow (submitted for publication)