CC BY-NC
14
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-1-395-109-118 УДК 629.5.067.8+ 532.528
С.П. Бородай
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ КАВИТАЦИИ В КАНАЛАХ ФОРСУНОК СИСТЕМ ПОЖАРОТУШЕНИЯ ТОНКОРАСПЫЛЕННОЙ ВОДОЙ
Объект и цель научной работы. Объектом научного исследования является заниженный расход воды типовой форсунки с завихрителем корабельных систем пожаротушения тонкораспыленной водой. Цель научного исследования - выявление причин заниженного расхода воды и способы его увеличения.
Материалы и методы. Исследования проводились с помощью компьютерного моделирования в коммерческом пакете инженерного анализа Ansys CFX на основе современных методов вычислительной гидродинамики (CFD).
Основные результаты. Получен модернизированный завихритель для форсунки с увеличенным расходом воды, исключающий появление кавитации во внутренних каналах.
Заключение. Полученные результаты позволяют проектировать форсунки и распылители корабельных систем пожаротушения тонкораспыленной водой исключая кавитацию в каналах завихрителя. Ключевые слова: распылители, тонкораспыленная вода, кавитация, каверна, завихритель. Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-1 -395-109-118 UDC 629.5.067.8+ 532.528
S. Boroday
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
CAVITATION IN ATOMIZER CHANNELS OF WATER-MIST FI-FI SYSTEMS
Object and purpose of research. This paper discusses insufficient flow rate in a standard swirl atomizer of marine water-mist Fi-Fi systems. The purpose of this study was to find the reasons for this insufficient flow rate and the ways to improve it.
Materials and methods. This research was a computer-based simulation (in commercial ANSYS CFX package
for engineering analysis) based on modern methods of computational fluid dynamics (CFD).
Main results. An upgraded swirler for high-flow atomizer preventing cavitation in its inner channels.
Conclusion. These results make it possible to design atomizers and sprinklers of marine water-mist Fi-Fi systems with cavi-
tation-free swirler channels.
Keywords: sprinklers, water mist, cavitation, bubble, swirler. The author declares no conflicts of interest.
В корабельных системах пожаротушения тонкораспыленной водой используются форсунки, которые служат для распределения воды в аварийном помещении. Способность пожарной системы потушить пламя за определенное время во многом зависит от равномерности распределения и количества распы-
ленной воды в объеме аварийного помещения. Одной из главных задач при проектировании систем пожаротушения тонкораспыленной водой является обеспечение подачи количества воды, достаточного для тушения пламени, и в то же время минимально возможного, т.к. запас воды для тушения на корабле
Для цитирования: Бородай С.П. Исследование кавитации в каналах форсунок систем пожаротушения тонкораспыленной водой. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; 1(395): 109-118.
For citations: Boroday S. Cavitation in atomizer channels of water-mist Fi-Fi systems. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; 1(395): 109-118 (in Russian).
ограничен [1]. Второй не менее важной задачей является проектирование простой, надежной и дешевой подводящей магистрали. Таким образом, требуется равномерно распылить необходимое для тушения количество воды на большую площадь за короткий промежуток времени при минимальном количестве форсунок. Для этого каналы форсунок проектируются так, чтобы распыленная вода орошала максимально возможную площадь вокруг форсунки и распределялась по ней равномерно.
Для улучшения угла раскрытия струи и более равномерного распределения воды в аварийном помещении поток воды в канале закручивают с помощью специальной цилиндрической вставки с проточками, называемой завихрителем (рис. 1) [2].
В результате проведения экспериментов с форсунками и распылителями тонкораспыленной воды пожарных систем были замечены различия в расходах воды между экспериментальными и проектными данными. Результаты экспериментов показали, что расход воды на некоторых форсунках с завихрителем был заметно ниже проектного. Для проведения исследований по поиску причин сниженного расхода и их устранению была выбрана типовая форсунка системы пожаротушения тонкораспыленной водой, во время эксперимента показавшая сниженный расход. На рис. 2 изображен общий вид внутренних каналов такой форсунки с завихрителем.
Такая конструкция форсунки с завихрителем часто используется в пожарных системах из-за низ-
кои стоимости и простоты изготовления при высоких показателях равномерности распыления воды. Проектное значение расхода воды для данной форсунки при давлении 10 атм составляет 0,18 кг/с. В натурном эксперименте получено 0,07~0,08 кг/с, что в 2,4 раза меньше проектного значения.
Математическая модель
для численного исследования
форсунки
Mathematical model for numerical atomizer studies
Из-за сложности получения информации о течении внутри каналов форсунки во время натурных экспериментов принято решение о проведении численных экспериментов с помощью компьютерного моделирования процесса протекания жидкости через форсунку в коммерческом пакете ANSYS CFX 18.2. Численный эксперимент позволяет получать детальную информацию о структуре течения внутри форсунки, что дает возможность установить возможные причины снижения расхода воды. Изучение материалов по моделированию течения воды в каналах показало, что в результате высоких скоростей и переменного сечения каналов возникает кавитация, которая создает дополнительное сопротивление [3]. Следовательно, необходимо учитывать ее при моделировании форсунки.
Рис.1. Типовые завихрители для форсунок корабельных систем пожаротушения тонкораспыленной водой
Fig. 1. Standard atomizer swirlers for marine water-mist Fi-Fi systems
Рис. 2. Общий вид внутренних каналов форсунки с завихрителем
Fig. 2. Internal channels of swirl atomizer: general view
Характеристики течения вязкой жидкости внутри каналов форсунки находятся из решения уравнений Навье - Стокса, осредненных по Рей-нольдсу и замкнутых &-ю SST моделью турбулентности Ментера [4-6]. Пакет располагает собственным сеточным генератором, позволяющим строить тетраэдральные сетки с призматическими слоями вблизи границ. Последнее весьма важно при моделировании течения жидкости и образования кавитации вблизи твердых поверхностей каналов.
Моделирование двухфазного течения пар/вода осуществляется с использованием многофазной модели Эйлера (Euler-Euler) [7], а для учета эффектов конденсации и парообразования используется модель массопереноса Релея - Плессета [9, 10], основанная на уравнении Релея [8], которое рассчитывает объемное содержание пара и жидкости в расчетной ячейке. Модель учитывает скорость роста пузырька и статистический характер распределения пузырьков в кавитационном потоке. Скорость роста пузырька считается по упрощенному уравнению Релея.
Учитываются силы поверхностного натяжения. Задачи решаются в нестационарной постановке со схемами второго порядка для дискретизации по пространству и времени. На входе в форсунку задано граничное условие по давлению, равное 10 атм, на выходе - атмосферное давление.
Результаты математического моделирования форсунки
Results of mathematical simulation for atomizer
Анализ результатов математического моделирования показал, что на входе в канал имеется резкий перепад давления с 10 атм до давления насыщенных паров воды (рис. 3, справа, см. вклейку). На рис. 3 слева по объемной концентрации воды видно, что вода на входе в канал поворачивает почти под 90 градусов и прижимается к верхней стенке канала, в результате чего на нижней поверхности образуется область с давлением ниже давления насыщенных паров, что обязательно сопровождается образованием пара (рис. 4, см. вклейку).
В зонах резкого снижения давления ниже давления насыщенного пара образовались кавитацион-ные каверны с максимальной объемной концентрацией пара 0,95. Такая каверна препятствует протеканию жидкости через канал, снижая проходное сечение и расход воды, который составил 0,073 кг/с, что совпадает с экспериментальными данными.
Рис. 5. Общий вид одного из каналов завихрителя с областью входа и выхода из него
Fig. 5. General view of a swirl channel with inlet and outlet areas
Можно сделать вывод, что причиной заниженного расхода воды в форсунке является блокирующая поток воды каверна на входах в каналы завихрителя.
Для более детального изучения возникновения кавитации без увеличения вычислительных ресурсов и с более подробной сеткой рассмотрим только часть форсунки. Т.к. в завихрителе 2 канала и на входе в каждый получены две симметричные каверны, то собрана модель всего одного канала завихрителя с областью входа и выхода из него (рис. 5).
Результаты математического моделирования канала завихрителя
Results of mathematical simulation for swirl channels
При входе в канал поток воды резко поворачивает почти под 90 градусов, в результате чего основная масса воды силами инерции прижимается к верхней стенке канала, и на нижней стенке входа достигается давление ниже давления насыщенных паров.
На рис. 6 (см. вклейку) видно, что на входе в канал происходит резкий перепад давления с максимального до давления насыщенных паров. Из-за такого низкого давления на нижней стенке канала около входа (рис. 7, сечение 1, см. вклейку) проявляются кавитационные эффекты. Образуется каверна с максимальной объемной концентрацией пара -0,9. Концентрация пара в каверне менее 100 %, и в реальности она не является единой, а представ-
Рис. 8. Кавитационная каверна в канале завихрителя для объемной концентрации пара 0,8 и 0,5
Fig. 8. Cavitation bubble in swirl channel: volume vapour fraction 0.8 and 0.5
ляет собой некоторую совокупность отдельных пузырьков, что частично учитывается в математической модели за счет использования уравнения Релея - Плессета внутри объема отдельной ячейки сетки. Визуализация каверны выполняется на рис. 8 по концентрации паровой фазы 0,8 (слева) и 0,5 (справа). Такая каверна препятствует протеканию жидкости через нее, оставляя свободный проход для воды только вблизи верхней стенки канала.
После входа в канал узкая струя воды, которая обогнула каверну, центробежной силой на большой скорости прижимается к внешней стенке канала и дополнительно ускоряется до 115 м/с (рис. 9, см. вклейку). Такое движение воды снижает давление на внутренней стенке канала до давления насыщенных паров, а на внешней стенке канала давление почти атмосферное. В результате практически по всей длине канала на внутренней стенке образуется кавитационная каверна. Так же, как и на входе в канал, каверна не представляет собой единое целое, а состоит из совокупности дискретных пузырь-
ков. Визуализация этой части кавитационной каверны также представлена на рис. 8.
Наличие развитых каверн по всей длине канала приводит к снижению расхода воды до 0,0367 кг/с, что существенно ниже проектного.
Для улучшения гидродинамических характеристик течения было спроектировано 4 варианта геометрии канала завихрителя с целью повышения давления в канале выше давления насыщенных паров:
■ вариант № 1: острая кромка на нижней стенке при входе в канал закругляется по радиусу Я;
■ вариант № 2: вертикальное линейное расширение канала со смещением на расстояние Ь острой нижней кромки входа в канал;
■ вариант № 3: плавное расширение канала на размер 52 по ширине от исходной ширины 51. Канал завихрителя расширился до ширины 53 в области внутреннего канала форсунки перед входом в завихритель;
■ вариант № 4: плавное расширение канала на размер 52 по ширине от исходной ширины 51.
Рис. 10. Вариант № 1: с закруглением нижней острой кромки на входе в канал по радиусу R
Fig. 10. Variant 1: rounding of lower sharp edge at channel inlet by radius R
Рис. 11. Вариант № 2: с линейным расширением нижней кромки на входе в канал и расширением длины входа в канал на L
Fig. 11. Variant 2: linear expansion of lower edge at channel input and extension of channel inlet length by L
Рис. 12. Вариант № 3: с широким входным каналом (S3) и плавным сужением от входа в канал (S2) до исходной ширины канала завихрителя (Si)
Fig. 12. Variant 3: flared inlet channel (S3) smoothly narrowing from inlet width (S2) to the initial width of swirl channel (S1)
S3 [ à
S
S
Рис. 13. Вариант № 4: с широким входным каналом (S3) и плавным сужением от входа в канал (S2) до исходной ширины канала завихрителя (S1) и закруглением нижней острой кромки канала по радиусу R
Fig. 13. Variant 4: flared inlet channel (S3) smoothly narrowing from inlet width (S2) to the initial width of swirl channel (S1) plus rounding of lower sharp channel edge by radius R
S
S
S
Канал завихрителя расширился до ширины S3 в области внутреннего канала форсунки перед входом в завихритель и дополнительным закруглением нижней острой кромки входа в канал по радиусу R.
Общий вид канала завихрителя с областью входа и выхода из него для спроектированных вариантов представлен на рис. 10-13.
Результаты расчета вариантов № 1-4 канала завихрителя
Results of mathematical simulation
for swirl channels: calculations for Variants 1-4
Вариант № 1
На входе в канал происходит резкое снижение давления до давления насыщенных паров (рис. 14, см. вклейку), что приводит к возникновению кавитации. Однако закругление по радиусу на входе в канал обеспечивает более плавное ускорение воды без резких срывов потока при повороте почти под 90 градусов на нижней стенке канала на входе в него (рис. 15, см. вклейку). Это позволило почти
в 4 раза уменьшить объем каверны, определяемой по объемной концентрации пара 0,5 и более (рис. 16, см. вклейку). На входе в канал максимальная объемная концентрация пара снизилась с исходных 0,89 до 0,63 (рис. 17, см. вклейку). Увеличение реального проходного сечения канала на входе привело к снижению максимальной скорости течения воды с 115 до 57 м/с (рис. 15) и снижению максимальной объемной концентрации пара в каверне с исходных 0,89 до 0,63 (рис. 17). Из-за снижения скорости потока воды в канале силы инерции, которые прижимали поток к внешней стенке канала завихрителя, уменьшились. В результате этого на внутренней стенке удалось уменьшить области с давлением ниже давления насыщенных паров и тем самым уменьшить кавитационные эффекты в канале. Об этом можно судить по рис. 17, где на всем протяжении канала на внутренней стенке максимальная объемная концентрация пара снизилась с исходных 0,74 до 0,33.
За счет уменьшения объема кавитационной каверны по всему каналу в варианте № 1 удалось повысить расход воды в канале форсунки в 2,07 раза -с исходного 0,0367 до 0,0762 кг/с.
Вариант № 2
На входе в канал происходит резкое снижение давления до давления насыщенных паров, что приводит к возникновению кавитации в этой области. В отличие от исходного варианта, в данном случае расширение канала по высоте дало так же, как и в варианте № 1, одну кавитационную каверну, которая растянулась по всей длине канала (рис. 18, см. вклейку). Вертикальное линейное расширение канала не дало желаемого результата по снижению объема каверны, как в варианте № 1. Объем каверны, определенный по уровню концентрации пара более 0,5, уменьшился всего в 2 раза по сравнению с исходным вариантом (рис. 19, см. вклейку). Максимальная объемная концентрация пара в каверне снизилась незначительно - с 0,89 до 0,81 (рис. 20, см. вклейку). Но из-за расширения канала кавитационная каверна опустилась вниз вместе с нижней стенкой канала, в результате этого основной канал остался практически не перекрыт. Перекрытие канала каверной составило всего 23 % от общей высоты канала в месте каверны и 10,5 % от исходного размера канала. В данном случае каверна оставила большее проходное сечение канала, что привело к снижению максимальной скорости течения воды с исходной 115 до 57 м/с (рис. 21, см. вклейку).
Из-за снижения скорости потока воды в канале силы инерции, которые прижимали поток к внешней стенке канала завихрителя, уменьшились. В результате этого на внутренней стенке канала удалось уменьшить области с давлением ниже давления насыщенных паров и тем самым уменьшить размеры каверн в канале. Об этом можно судить по рис. 20, где на всем протяжении канала на внутренней стенке максимальная объемная концентрация пара снизилась с исходных 0,74 до 0,17.
За счет смещения кавитационной каверны вниз в варианте № 2 удалось повысить расход воды в канале форсунки в 2,12 раза - с исходного 0,0367 до 0,0781 кг/с.
Вариант № 3
В области входа в канал наблюдается постепенное снижение давления до среднего значения 7 атм, а в области, где ранее возникала кавитация, давление снижается в среднем до 4,8 атм, и далее по длине канала давление плавно снижается до атмосферного (рис. 22, см. вклейку). При данном течении в канале практически отсутствуют области
с давлением ниже давления насыщенных паров, и кавитация явно не проявляется. Небольшие области пара присутствуют в конце канала перед выходом. Это связано с тем, что в закрученном по кругу канале центробежная сила прижимает основную массу воды к внешней стенке канала, и на внутренней стороне давление снижается до давления насыщенных паров (рис. 22). Область такого давления настолько мала, что пар образуется только в пристеночной области, и его объемная концентрация составляет в среднем менее 0,035 против исходной 0,73 для этой области (рис. 23, см. вклейку). Запирания канала кавитационной каверной не происходит, и максимальная скорость воды в канале составила 57 м/с в области конца канала на выходе. На входе в канал скорость снизилась до средней 28 м/с от исходной в 62 м/с, с последующим плавным ускорением потока до 39,6 м/с (рис. 24, см. вклейку).
Расход воды в канале в данном варианте геометрии поднялся в 2,3 раза по сравнению с исходным вариантом и составил 0,0842 кг/с.
Вариант № 4
На входе в канал наблюдается постепенное снижение давления до 8,1 атм, а в области, где в исходном варианте возникала кавитация, давление снизилось в среднем до 6,5 атм, и далее по длине канала давление плавно снижается до атмосферного давления (рис. 25, см. вклейку). При таком распределении давления в основном объеме канала практически отсутствуют зоны с давлением ниже давления насыщенных паров. Наблюдается небольшое образование пара в пристеночной области на внутренней стенке в средней части канала, которое связано с тем, что в закрученном по кругу канале центробежная сила прижимает основную массу воды к внешней стенке канала, отжимая ее от внутренней стенки, в результате чего давление на внутренней стенке канала снижается до давления насыщенных паров. Область с таким давлением настолько мала, что пар образуется, как и в варианте № 3, только в пристеночной области и его объемная концентрация составляет в среднем менее 0,003 против исходной 0,73 для этой области (рис. 26, см. вклейку), что позволяет говорить о практически полном отсутствии кавитации. Максимальная скорость воды в канале составила 57 м/с в области конца канала на выходе. На входе в канал скорость снизилась до средней 26 м/с от исходной в 62 м/с, с последующим
плавным ускорением потока до 38,4 м/с (рис. 27, см. вклейку).
Расход воды в канале в данном варианте геометрии поднялся в 2,37 раза по сравнению с исходным вариантом и составил 0,0869 кг/с.
Сравнение харатеристик четырех вариантов геометрии канала
Comparison of four channel geometry variants
Для сравнения характеристик течения воды в четырех вариантах геометрии канала составлены графики максимального расхода воды и максимальной объемной концентрации пара для зоны входа в канал и на всем протяжении внутренней стенки после входа в него.
По графику на рис. 28 видно, что все варианты обеспечили увеличение расхода воды за счет снижения кавитации или изменения течения в области кавитации. Снижение кавитации в двух основных зонах - на входе в канал и на внутренней стенке по всей длине канала после области входа в него - отображено максимальной объемной концентрацией по графику на рис. 29.
В первом варианте получилось снижение кави-тационных эффектов за счет закругления острой кромки входа в канал и предотвращения резкого срыва потока.
В варианте № 2 кавитационные эффекты на острой кромке незначительно изменились относительно исходного варианта, но за счет вертикального расширения входа в канал получилось опустить каверну и увеличить проходное сечение выше. Увеличение этого проходного сечения снизило кавитационные эффекты по длине канала после входа в него.
В вариантах № 3 и № 4 наблюдается плавное снижение давления по всей длине канала с 10 до 1 атм практически без образования кавитаци-онных каверн.
Наилучшие результаты получились в варианте № 4, где при максимальной объемной концентрации пара менее 0,003 в пристеночной области можно говорить о практически полном отсутствии кавитационных эффектов.
Изготовление завихрителя для варианта № 3 усложняется только добавлением одного, а для варианта № 4 - двух дополнительных проходов фрезой на каждый канал для увеличения попе-
Расход воды в канале, кг/с
вариант №1 №2 №3 №4
Рис. 28. Изменение расхода для исходной геометрии и четырех вариантов измененной геометрии
Fig. 28. Flow rate: initial geometry vs four upgrade variants
Объемная концентрация пара
1 —•— На входе в канал
к_—О— По длине канала
\ пос те входа
3----г
Исходный Вариант Вариант Вариант Вариант вариант №1 №2 №3 №4
Рис. 29. Изменение максимальной объемной концентрации пара на входе в канал и по длине канала после входа для четырех вариантов геометрии
Fig. 29. Maximum volume vapour content at channel inlet and over channel length: four Variants of geometry
речного сечения на входе в них, что не требует дополнительного материала и увеличивает объемы производимых работ на 20-30 % для изготовления канала и от 1 до 6 % для изготовления всей форсунки в зависимости от числа каналов завихрителя. Причем разница в объеме работ между вариантами № 3 и № 4 не превысит 1-2 % от объема работ по изготовлению форсунки [11, 12]. Это позволяет говорить о перспективности указанных вариантов геометрии с точки зрения технологии изготовления.
Дальнейшие исследования выполнялись для варианта геометрии № 4 как наиболее перспективного.
Результаты расчета форсунки с каналами завихрителя по варианту № 4
Calculation results for swirl atomizer: Variant 4
Для получения более достоверных данных по характеристикам течения в форсунке было выполнено моделирование фосунки в целом, т.е. со всеми внутренними каналами. В этом случае более точно моделируются граничные условия по давлению на выходе из форсунки. В расчетах это приводит к некоторому различию характеристик течения по сравнению с результатами, представленными в предыдущем разделе.
Расчеты выполнялись для варианта № 4. На рис. 30 (см. вклейку) видно плавное снижение давления по всей длине каналов завихрителя с 10 до 3 атм, максимальная скорость составила 44,59 м/с. Кавитационные эффекты в форсунке не наблюдаются. По рис. 31 (см. вклейку) видно, что все каналы форсунки наполнены водой на 100 % без образования пара.
Исследования форсунки с каналами завихрите-ля по варианту № 4 показало увеличение расхода воды с исходных 0,073 до 0,174 кг/с, что близко к проектному значению в 0,18 кг/с. Разница между результатами расчета расходов в одном канале для целой форсунки (0,0874 кг/с) и отдельного канала (0,0868 кг/с) составила 0,0006 кг/с или 0,6 %. Это дает основания проводить отработку геометрии каналов форсунок, используя упрощенную постановку задачи, при выполнении подобных работ в дальнейшем.
На рис. 32 изображен общий вид завихрителя с модернизированными каналами по варианту № 4 для форсунки корабельных систем пожаротушения тонкораспыленной водой.
Заключение
Conclusion
Установлено, что причиной снижения расхода воды в форсунке корабельных систем пожаротушения тонкораспыленной водой являлись кавитаци-онные каверны, которые уменьшали проходное поперечное сечение канала и препятствовали протеканию воды через него.
После исследований возможных вариантов изменения геометрических характеристик каналов завихрителя в вариантах № 3 и № 4 были предотвращены резкий срыв потока на нижней кромке входа в канал и образование зон с падением давления до давления насыщенных паров, получено плавное снижение давления по всей длине канала завихрителя. В результате избыточное давление поддерживается на протяжении всей длины каналов завихрителя и отсутствуют условия для возникновения кавитации.
Вариант № 4 канала завихрителя с плавным сужением и закруглением нижней острой кромки является наилучшим вариантом, в котором кавитация отсутствует и получен максимальный, сопоставимый с проектными данными расход воды в канале. При этом трудоемкость изготовления завихрителя возрастает весьма незначительно.
Для дальнейшего исследования начато изготовление форсунки с исходным и модернизированным завихрителем для проведения натурных эекспериментов. Подана заявка на полезную модель.
Рис. 32. Общий вид завихрителя
с сужающимися каналами для предотвращения возникновения кавитации
Fig. 32. General view of swirler with channel tapering for cavitation prevention
Список использованной литературы
1. Живучесть корабля / Н.В. Казакевич, С.С. Попов, В.А. Коковин [и др.]; Рос. инженерная академия. Санкт-Петербург: [Левша], 2009. 375 с.
2. Бородай С.П. Влияние геометрических характеристик распылителя корабельных систем пожаротушения на угол раскрытия струи воды // Труды Крыловского государственного научного центра. 2020. Вып. 1(391). С. 122-127. DOI: 10.24937/25422324-2020-1-391-122-127.
3. Моделирование кавитации в высокоскоростных течениях в каналах / Исаенко И.И., Махнов А.В., Смирнов Е.М., Шмидт А.А. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2018. Т. 11, № 1. С. 55-65. DOI: 10.18721/JPM.11106.
4. Белов И.А., Исаев С.А. Моделирование турбулентных течений: учеб. пособие / Балт. гос. техн. ун-т «Военмех». Санкт-Петербург, 2001. 107, [1] с.
5. MenterF.R. Two equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. 1994. Vol. 32. P. 1598-1605.
6. Menter F.R., Kuntz M.., Langtry R. Ten Years of Industrial Experience with the SST Turbulence Model // Turbulence, Heat and Mass Transfer 4: Proc. of the Fourth International Symposium. New York; Wallingford: Begell House, 2003. P. 625-632.
7. Dynamic numerical simulation of gas-liquid two-phase flows Euler/Euler versus Euler/Lagrange / So-kolichin A. [et al.] // Chemical Engineering Science. 1997. Vol. 52. № 4. P. 611-626. DOI: 10.1016/ S0009-2509(96)00425-3.
8. Rayleigh L. On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science: Series 6. 1917. Vol. 34. № 200. P. 94-98.
9. Lin Hao, Storey B.D., Szeri A.J. Inertially driven inhomogeneities in violently collapsing bubbles: the validity of the Rayleigh - Plesset equation // Journal of Fluid Mechanics. 2002. Vol. 452. P. 145-162. DOI: 10.1017/S0022112001006693.
10. ANSYS CFX Tutorial Guide: [software user guide]: Release 18.0 / SAS IP, ANSYS Inc. Canonsburg, 2017. XXIV, 891 p.
11. Коган Б.И. Технологические процессы обработки втулок / Б.И. Коган, В.И. Алексеев, Г.Е. Коновалов // Вестник машиностроения. 1980. № 3. С. 44-47.
12. Соболев С.Ф., Кузьмин Ю.П. Методические указания по разработке технологических процессов изготовления деталей механической обработкой. Санкт-Петербург : НИУ ИТМО, 2007. 113 с.
References
1. N. Kazakevich, S. Popov, V. Kokovin et al. Survivability of ship. Russian Engineering Academy, St. Petersburg: Levsha, 2009, 375 p. (in Russian).
2. S. Boroday. Sprinkler geometry vs jet expansion angle of marine Fi-Fi systems // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020. Vol. 1(391). P. 122-127. DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-391122-127 (in Russian).
3. I. Isaenko, A. Makhnov, Ye. Smirnov, A. Shmidt. Simulation of high-speed cavitating flows in channels // St. Petersburg State Polytechnical University - Physics and Mathematics. 2018. Vol. 11, Issue 1. P. 55-65 (in Russian).
4. I. Belov, S. Isaev. Modeling of turbulent flows: a textbook. St. Petersburg: Baltic State Technical University "Voenmeh", 2001. 108 p. (in Russian).
5. F.R. Menter. Two equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. 1994. Vol. 32. P. 1598-1605.
6. F.R. Menter, M. Kuntz, R. Langtry. Ten Years of Industrial Experience with the SST Turbulence Model // Turbulence, Heat and Mass Transfer 4: Proc. of the 4th International Symposium. New York; Wallingford: Begell House, 2003. P. 625-632.
7. Dynamic numerical simulation of gas-liquid two-phase flows Euler/Euler versus Euler/Lagrange / So-kolichin A. [et al.] // Chemical Engineering Science. 1997. Vol. 52. № 4. P. 611-626. DOI: 10.1016/ S0009-2509(96)00425-3.
8. L. Rayleigh. On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science: Series 6. 1917. Vol. 34. № 200. P. 94-98.
9. Hao Lin, B.D. Storey, A.J. Szeri. Inertially driven inhomogeneities in violently collapsing bubbles: the validity of the Rayleigh - Plesset equation // Journal of Fluid Mechanics. 2002. Vol. 452. P. 145-162. DOI: 10.1017/S0022112001006693.
10. ANSYS CFX Tutorial Guide: [software user guide]: Release 18.0 / SAS IP, ANSYS Inc. Canonsburg, 2017. XXIV, 891 p.
11. B. Kogan, V. Alekseev, G. Konovalov. Bushing processing techniques // Vestnik mashinostroyeniya (Russian Engineering Research). 1980, No. 3. P. 44-47 (in Russian).
12. S. Sobolev, Yu. Kuzmin. Methodical guidelines on development of mechanical processing techniques for machine parts. St. Petersurg: ITMO, 2007. 113 p. (in Russian).
Сведения об авторе
Бородай Сергей Павлович, инженер 2 категории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (952) 350-30-76. E-mail: [email protected]. https://orcid.org/0000-0002-2159-0076.
About the author
Sergey P. Boroday, 2nd category Engineer, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, post code: 196158, Russia. Tel.: +7 (952) 350-30-76. E-mail: [email protected]. https://orcid.org/0000-0002-2159-0076.
Поступила / Received: 14.12.20 Принята в печать / Accepted: 03.03.21 © Бородай С.П., 2021
Рис. 3. Объемная концентрация воды (слева) и распределение давления (справа)
Fig. 3. Volume fraction of water (left) and pressure distribution (right)
Рис. 7. Распределение объемной концентрации пара в канале завихрителя
Fig. 7. Distribution of volume vapour fraction in swirler channel
Рис. 9. Распределение скорости воды в канале завихрителя
Fig. 9. Distribution of water speed in swirl channel
_ 0.11 0.00
Рис. 4. Объемная концентрация пара во внутренних каналах форсунки
Fig. 4. Volume fraction of vapour in atomizer channels
Pressure _ 10.00 8.83 7.67 6.50 5.33 4.17 3.00
11.83
0.67
0.00 [atm]
VAPOUR.Volume Fraction
Сечение 2
Par.Volume Fraction 0.95 0.84 0.74 0.63 0.53 0.42 0.32 0.21
WATER Superficial VELOCITY WATER
1115.00 106.79 98.57 90.36 82 14 73.93 U 65.71 H 57.50 H 49.29 Я 41.07 [ 32.86 Lf 24.64 H 16 43
H- 8.21 ® 0.00 [m sM]
Velocity
Рис. 6. Распределение давления в канале завихрителя
Fig. 6. Pressure distribution in swirl channel
Рис. 14. Распределение давления в канале завихрителя (вариант № 1)
Fig. 14. Pressure distribution in swiri channel (Variant 1)
Рис. 15. Распределение скорости воды в канале завихрителя (вариант № 1)
Fig. 15. Distribution of water speed in swirl channel (Variant 1)
Рис. 16. Объем кавитационной каверны с объемной концентрацией пара больше 0,5 (вариант № 1)
Fig. 16. Volume of cavitation bubble with vapour fraction over 0.5 (Variant 1)
Рис. 17. Распределение объемной концентрации пара в канале завихрителя (вариант № 1)
Fig. 17. Distribution of volume vapour fraction in swirl channel (Variant 1)
Рис. 18. Распределение давления в канале завихрителя (вариант № 2)
Fig. 18. Pressure distribution in swirl channel (Variant 2)
Рис. 19. Объем кавитационной каверны с объемной концентрацией пара больше 0,5 (вариант № 2)
Fig. 19. Volume of cavitation bubble with vapour fraction over 0.5 (Variant 2)
Рис. 20. Распределение объемной концентрации пара в канале завихрителя (вариант № 2)
Fig. 20. Distribution of volume vapour fraction in swirl channel (Variant 2)
Рис. 21. Распределение скорости воды в канале завихрителя (вариант № 2)
Fig. 21. Distribution of water speed in swirl channel (Variant 2)
8.572 7.857 7.143 • 6.429 [ 5.714 [ 5.000 [ 4.286 [ 3.571 [ 2.857 h 2.143 [ 1.429 I 0.714
I- 0.000
r 0.050 [ 0.046 i 0.043 \ 0.039 [ 0.036 I 0.032 [ 0.029 f 0.025 [ 0.021 I- 0.018
j- 0.014
I- 0.011
]• 0.007 [ 0.004
L 0.000
Рис. 22. Распределение давления в канале завихрителя (вариант № 3)
Fig. 22. Pressure distribution in swirl channel (Variant 3)
Рис. 23. Распределение объемной концентрации пара в канале завихрителя (вариант № 3)
Fig. 23. Distribution of volume vapour fraction in swirl channel (Variant 3)
Рис. 24. Распределение скорости воды в канале завихрителя (вариант № 3)
Fig. 24. Distribution of water speed in swirl channel (Variant 3)
Щ 57.000 Ш 52.929 48.857 44.786
■ 40.714
■ 36.643 32.571
I 28.500 I 24.429 i 20.357 [ 16.286 \ 12.214 [ 8.143 f 4.071
L 0.000
[msM]
Рис. 25. Распределение давления в канале завихрителя (вариант № 4)
Fig. 25. Pressure distribution in swirl channel (Variant 4)
Рис. 26. Распределение объемной концентрации пара в канале завихрителя (вариант № 4)
Fig. 26. Distribution of volume vapour fraction in swirl channel (Variant 4)
Рис. 27. Распределение скорости воды в канале завихрителя (вариант № 4)
Fig. 27. Distribution of water speed in swirl channel (Variant 4)
WATER.Superficial Velocity
_ 57.000 I 52.929 48.857 44.786 40.714
■ 36.643
■ 32.571
■ 28.500 24 429 20.357 16 286 12.214 8.143 4.071 0.000
[m sA-1]
Рис. 30. Распределение давления (слева) и скорости (справа) во внутренних каналах форсунки с каналами завихрителя по варианту N5 4
Fig. 30. Distribution of pressure (left) and speed (right) in swirl atomizer channels: Variant 4
31. Распределение объемной концентрации воды во внутренних каналах форсунки с каналами завихрителя по варианту № 4
Fig. 31. Distribution of volume water fraction in swirl atomizer channels: Variant 4
