Вихревая динамика в модели отсасывающей трубы гидротурбины

Исследование особенностей течения и нестационарных явлений в отсасывающей трубе (ОТ) является важной задачей в плане разработки методов повышения эффективности и гидродинамической надежности работы гидротурбин. Современная тенденция в проектировании и разработке гидротурбинного оборудования  всё больше сводится к перенесению экспериментальных работ на компьютерное моделирование. Но в условиях сложного турбулентного трехмерного нестационарного потока методы численного моделирования требуют дополнительной эмпирической информации. Поэтому одной из задач данного проекта стало получение экспериментальных данных в различных сечениях, необходимых для верификации численных кодов. Основной акцент в исследовании структуры течения в модели ОТ был сделан на использование оптических бесконтактных методов, таких как визуализация течения с применением  камеры высокоскоростной съёмки и система трассерной визуализации (PIV). В частности, PIV техника позволяет получить полноценные данные о полях скоростей в любом сечении, не внося никаких геометрических изменений в исследуемый канал и не возмущая поток.

Спроектирована и изготовлена модель отсасывающей трубы гидротурбины, особенностью которой является возможность варьирования геометрии. Это необходимо, в первую очередь, для оптимизации конструкции с целью снижения пульсаций и потерь энергии потока.

Рис.1. Схема рабочего участка с изменяемыми граничными условиями для моделирования течения в отсасывающей трубе

С использованием оптических методов, в частности систем визуализации и полевого измерителя скорости (PIV) были проведены экспериментальные исследования поля течения в модели отсасывающей трубы, которые позволили выявить особенности течения в отсасывающей трубе в режимах с сильной остаточной закруткой. Одной из особенностей течения является наличие центральной рециркуляционной зоны (ЦРЗ), которая может приводить к заметным дополнительным потерям энергии потока. Наличие этой зоны объясняется тем, что при высокой интенсивности закрутки возникают большие градиенты давления в радиальном и осевом направлениях, что приводит к появлению осевой рециркуляции в форме ЦРЗ. Из-за закрутки потока, входящего в поворотное колено, течение в диффузорной части прижато к одной из стенок, образуя обширную зону, занятую возвратным течением и застойными областями. Проведённые оценки показывают, что эффективно используется лишь около 30% поперечного сечения канала. Установка сглаживающей подложки практически не повлияла на эффективность работы ОТ, изменив лишь размер и положение зоны возвратных токов.

Рис.2. Визуализация течения и измеренное методом PIV поле горизонтальной компоненты средней скорости в центральном сечении проточной части ОТ

Полученные экспериментальные данные использованы для верификации численных расчётов, которые в дальнейшем будут использованы для модификации геометрии натурных отсасывающих труб с целью увеличения КПД и надёжности работы гидротурбин.

Публикации:

  1. Litvinov I., Shtork S., Hanjalic K., Kuibin P.,  Alekseenko S. Experimental Study and Analytical Reconstruction of Precessing Vortex in a Tangential Swirler. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2012, V.42, P.251-264.
  2. Литвинов И.В., Шторк С.И., Алексеенко С.В. Экспериментальное исследование сильнозакрученного течения в тангенциальном завихрителе // Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2012. - №3(91). - С. 129-135.
  3. Анохина Е.С., Дектерев Д.А., Шторк С.И., Алексеенко C.В. Исследование стационарных вихревых структур в модельной камере сгорания // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. – 2012. - Том 7, вып. 2. - С. 56-65.
  4. Дектерев Д.А., Дектерев А.А., Шторк С.И. Экспериментальное и численное исследование прецессирующего вихревого ядра в условиях сильной закрутки потока // Журнал Сибирского федерального университета. – 2012. - №5.