Смешение сверхзвуковой струи воздуха в поперечном потоке Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 532.522

СМЕШЕНИЕ СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУИ ВОЗДУХА В ПОПЕРЕЧНОМ ПОТОКЕ

А.К. Карышев, А. А. Жинов, Д.В. Шевелев

Представлены результаты экспериментального исследования смешения воздушной сверхзвуковой струи в сносящем дозвуковом потоке в канале ограниченных размеров. На основании опытных данных предложена формула для расчета передней границы струйной зоны смешения и размера канала, при котором его влияние на распространение струи можно не учитывать. Представлено сравнение полученных результатов с результатами других авторов.

Ключевые слова: сверхзвуковая струя, зона смешения, гидродинамический параметр.

Процессы смешения поперечных струй с основным сносящим потоком встречаются в системах охлаждения энергетических установок, в камерах сгорания ГТУ, топках парогенераторов, в системах охлаждения лопаток газовых турбин и других устройствах и поэтому являются актуальными для изучения. Известны исследования процессов истечения и смешения струй из прямоугольных и круглых каналов, расположенных со-осно и под углом к основному «сносящему» потоку при дозвуковых скоростях [1-6]. Эти работы обычно ограничиваются исследованиями закономерностей распространения одиночных свободных струй при малых скоростях основного потока. Наиболее изученным видом течения является свободная затопленная турбулентная струя [1].

Смешение струй, вдуваемых в поток из обтекаемого профиля определенной формы под углом к основному потоку, в условиях ограничения потока стенками канала существенно усложняет процесс и заметно влияет на характеристики струи, такие, как дальнобойность, передняя граница струи, распределение температуры в зоне смешения, гидравлическое сопротивление вдуву и другие факторы. Это обусловлено тем, что геометрические характеристики профилей и режим их обтекания определяют распределение давлений и скоростей вдоль профиля, что, в свою очередь, влияет на характер их взаимодействия с потоком, а значит, и на процесс смешения струи с основным потоком. При проектировании технических устройств со смешением струй в сносящем потоке, несмотря на большое количество исследований, посвященных этому вопросу, часто отсутствуют надежные данные для их расчета, и разработчики вынуждены исследовать этот процесс на натурных установках или на моделях применительно к конкретным условиям задачи.

В связи с этим задачей данной работы являлось экспериментальное исследование процессов смешения воздушной струи, вдуваемой в основной поток под углом 90 в широком диапазоне значений гидродинамиче-

2

О w

ского параметра q = ——a, числа Маха основного потока M0 и относи-

Oowo

тельного расхода воздуха Ga = Ga / G0 - соотношения расходов воздуха вдуваемой струи Ga и основного потока G0. Здесь индексы «a» и «0» относятся к вдуваемой струе и основному (сносящему) потоку. Схема экспериментальной установки приведена на рис.1.

Подготовка смешивающихся компонентов проводилась с помощью оборудования и устройств, составляющих системы подготовки воздуха низкого и высокого давлений, изменения их параметров и систем измерения давления и температуры, а также средств визуализации зоны смешения.

Система подготовки воздуха низкого давления включает две воздуходувки ТВ-80 10 производительностью 5000 нм3/час каждая при давлении нагнетания 0,16 МПа. Рабочий канал 2 прямоугольного сечения установлен на всасывающей стороне воздуходувок. Размеры канала менялись за счет сменных стенок в диапазоне от 150 х 150 мм до 150 х 300 мм с интервалом 50 мм. Две боковые стенки выполнены из оргстекла для визуализации и фотографирования процессов струйного смешения. Длина рабочего канала в зависимости от условий эксперимента менялась от 500 до 2000 мм. На линии всасывания перед рабочим каналом установлен ресивер 4, по сечению которого для уменьшения начальной турбулентности размещена выравнивающая решетка 5, состоящая из каналов 15 х 15 мм и металлических сеток с обеих сторон решетки размером 3 х 3 мм. Вход в канал выполнен в виде мерного сопла 6, спрофилированного по формуле Витошин-ского. На выходе из рабочего канала установлен диффузор 7 для уменьшения потерь с выходной скоростью и увеличения расхода воздуха через канал. Воздух отсасывался воздуходувками из выходного ресивера 1. Регулирование расхода воздуха производилось изменением проходного сечения задвижек 8 на всасывании и 9 на нагнетании.

Система подготовки воздуха высокого давления состоит из двух поршневых компрессоров высокого давления 1ВУВ-45/150 производительностью по 45 нм3/ч каждый и давлением в линии нагнетания 15 МПа. Для обеспечения расхода воздуха большего, чем производительность компрессоров, в параллель им включалась аккумулирующая ёмкость объёмом 1000 литров с рабочим давлением 9 МПа. Перед подачей в рабочий участок воздух высокого давления подогревается до требуемой температуры, которая поддерживается с помощью автоматического регулятора (12).

Регулирование и поддержание температуры вводимого в поток воздуха высокого давления осуществлялось бесконтактным прецизионным регулятором температуры - БПРТ-1, воздействующим на ключ тиристор-ного усилителя, изменяющего ток нагрева. Указанная схема регулирования позволяла поддерживать требуемую температуру воздуха с высокой точ-

132

ностью. Так при температуре воздуха 150 °С колебания температуры не превышали 1 °С. Измерение расхода воздуха высокого давления осуществлялось с помощью профилированного мерного сопла и измерителем перепада давления. Для визуализации процесса смешения в воздух вводились трассирующие частицы (капли воды конденсационного спектра).

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 - выходной ресивер; 2 - рабочий участок; 3 - узел вдува; 4 -входной ресивер; 5 - выравнивающая решетка; 6 - мерное сопло; 7 - диффузор; 8, 9 - регулирующие органы расхода воздуха низкого давления; 10 - воздуходувка ТВ-80; 11 - ёмкость для трассирующих частиц;

12 - электрический нагреватель воздуха высокого давления; 13 - расходомер; 14 - редукционные клапана на линиях высокого давления; 15 -компрессор высокого давления; 16 - аккумулирующая ёмкость воздуха высокого давления

Исследование границ зоны смешения определялось по распределению температуры в струе, распределению динамического напора и посредством визуализации потока. Поскольку расход нагретого воздуха составлял не более 5 % от расхода основного потока, то среднее повышение температуры смеси не превышало 10 °С. Это обстоятельство потребовало использования методики измерения температуры с точностью до десятых долей градуса. В качестве первичного датчика служила хромель - копеле-вая термопара в алундовой изоляции с толщиной спая 0,2 мм. Измерение термоЭДС осуществлялось компенсационным способом. Основные измеряемые величины и методы их измерения приведены в табл. 1.

Экспериментальные исследования проводились с целью: - исследования характеристик одиночных струй диаметром 2.. .5 мм, вдуваемых из стенки канала через цилиндрические отверстия в сносящий воздушный поток;

- исследования процессов смешения системы струй, вдуваемых из отверстий малого диаметра (0,3...0,4 мм), из профилей продольно обтекаемых основным потоком.

Опыты на одиночных струях проводились для исследования закономерностей смешения струй в канале ограниченных размеров при различных параметрах струи и основного потока д, Ма, Оа. При исследовании процесса смешения одиночных струй также оценивалось влияние размера ограничивающих стенок канала (граничных условий) на процесс смешения струи. Это обстоятельство необходимо учитывать в реальных условиях смешения струй, так как характер взаимодействия струй в стесненных условиях заметно отличается, особенно при сверхзвуковых скоростях струи.

Таблица 1

Основные измеряемые величины и методы их измерения

Наименование измеряемой величины Метод измерения, измерительный прибор Класс точности прибора, цена деления

Скорость и расход основного потока Мерное профилированное сопло, Ц-образный водяной манометр 1 мм вод. ст.

Температура воздуха в основном потоке и струе Электронный термометр, хромель-копелевая термопара, цифровой вольтметр 10-6 В

Расход воздуха в струе Электронный расходомер, цифровой вольтметр Щ-31, мерное сопло 10-8 В

Давление воздуха в основном потоке Микроманометр ММП-240 П спиртовой 0,2 мм вод. ст.

Давление воздуха в струе Образцовый манометр Класс точности 0,4

Профили скоростей в зоне смешения струи Пневмозонд (диаметр датчика 0,8/0,4 мм), микроманометр ММН-240 0,2 мм вод. ст.

Профили температур в зоне смешения струи Термозонд (хромель-копелевая термопара с диаметром спая 0,2 мм), цифровой вольтметр Щ-31 10-8 В

Температура воздуха высокого давления. Хромель-копелевая термопара, цифровой вольтметр Щ 1516 10-6 В

Эксперименты на одиночных струях проводились с целью изучения закономерностей их распространения в зависимости от д, Ма, Оа. Границы струи определялись фотографированием зоны смешения (5 - 6 раз на одном режиме) с одновременным определением профилей температур и давлений. Оба метода дали хорошо совпадающие результаты. При исследовании распространения одиночных струй сделана попытка определения влияния на развитие струи ограничивающего воздействия стенок. В этом

случае менялись размеры канала при сохранении остальных характеристик струи и основного потока. При постоянном диаметре отверстия вдува опыты проводились с различными скоростями основного потока wo (числа

Маха М0), различной степенью нерасчетности п = ра / р0 и различных

2 2

значениях гидродинамического параметра д = / . Всего было исследовано более 90 различных режимов.

Схема взаимодействия струи со сносящим ее потоком и характерные зоны смешения изображены на рис. 2.

Рис. 2. Схема характерных зон смешения

При смешении недорасширенной струи в сносящем потоке можно выделить три характерных зоны:

I - начальная зона, характеризуется расстоянием от места вдува до сечения, в котором устанавливается давление в струе ра, равное давлению в основном потоке р0;

II - основная зона - от конца начальной зоны до места, где направление струи и основного потока практически совпадают;

III - зона струи с высокой степенью турбулентности вплоть до полного перемешивания потоков.

Координаты передней границы зоны смешения и параметры исследованных в экспериментах режимов приведены на рис. 3 и в табл. 2.

Течение газа в начальной зоне характеризуется сложной волновой структурой, в которой в условиях эксперимента явно просматривается положение первой бочки - границы участка сверхзвуковой струи и зоны смешения струи и сносящего потока. С ростом степени нерасчетности поперечное сечение и длина первой бочки возрастают. В области течения до струи наблюдалось повышенное давление, а за струей - разряжение, которое поддерживалось вдоль внутренней границы струи, включая и основную зону. В этой же области течения наблюдалось также понижение тем-

пературы на 2.. .5 °С по сравнению с температурой основного потока, очевидно, вызванное образованием вихрей между стенкой и границей зоны смешения струи. На основном участке скорость струи становится дозвуковой, за счет взаимодействия основного потока и струи происходил её поворот до направления основного потока и далее - смешение турбулентной струи в спутном потоке, достаточно хорошо изученное и описанное в [1].

у/с1

■ \ 5 4 1

/ 3 2

> ______

О 10 20 30 40 х/6

Рис. 3. Координаты передней границы струи зоны смешения различных режимов течения: режимы 1,2,3,4,5 - табл.2, 6 - данные [4]

Таблица 2

Параметры режимов основного потока и поперечной струи

\ Па- храметр Режим \ Т* К * Ро кПа М 0 м/с ГТ!* Т а К * Ра кПа п &а кг/с Ч

1 267 94,2 0,71 131 343 553 4.4 0,021 7,68

2 267 99,8 0,41 131 347 591 3,51 0,022 20,26

3 267 100 0,28 92 346 591 3,3 0,022 40,33

4 267 100 0,2 64 346 591 3,12 0,023 83,11

5 267 100 0,165 32 332 913 5,2 0,035 186,6

6 267 95,7 0,26 50 338 913 5,2 0,035 77,0

7 267 95,9 0.2 38 338 913 5,2 0,035 130,0

На рис. 4 представлена экспериментальная зависимость часто упот-

размерной координаты х! с!. В диапазоне проведенных исследований с1= 2;

3; 5 мм; п = ра/р0= 2...10; д=7. ..360; Мо=0,15..Д7; Н/с1=30...75.

С разбросом ±10 % полученные экспериментальные данные хорошо описываются зависимостью

Также было проведено численное ЗБ-моделирование смешения сверхзвуковой струи в сносящем ее дозвуковом потоке. Линии тока, формирующие струю для режима 1 (см. табл. 2), представлены на рис. 5. Распределение скорости (числа Маха) в плоскости, проходящей через центр струи параллельно основному потоку, показано на рис. 6.

Результаты численного моделирования хорошо согласуются с экспериментально полученными данными и результатами, полученными по предлагаемой формуле (1).

Сравнение полученной в данной работе зависимости (1) с данными других работ показало существенные их отличия. Для двух значений гидродинамического параметра д=20 и д=300 данные различных авторов [3,5,7,8] и экспериментальные данные, полученные в данной работе, приведены на рис. 7.

ребляемого при обработке опытных данных комплекса

(1)

0 10 20 30 х/с!

Рис. 4. Зависимость у„= у / (^л/д) от х/ с!

Рис. 5. Линии тока, формирующие струю на режиме 1

М

12.00

1.86

Л

1.43 1.28 Н 1.14

Н 1

^ 0 66 ' ■ о:п

0.57 0.43 • 0.28 0.14

— ь—^-

Рис. б. Распределение скорости (числа Маха) в плоскости, проходящей через центр струи параллельно основному потоку

Рис. 7. Сравнение данных по распространению передней границы

струи в поперечном потоке

Существенные отличия объясняются различными условиями проведения эксперимента (малые скорости основного потока и струи, сверхзвуковой основной поток и другие). Величина предельного значения гидродинамического параметра, при котором можно пользоваться формулой (1), определяется размерами канала. Для параметров режимов в проведенных опытах предельное значение дп можно оценить по приближенной

формуле

дп = 0,9(Н / а)2(X / а + 0,5)-0,6. (2)

При д > дп влияние противоположной стенки на струйную зону смешения становится существенным, и расчет по формуле (1) приведет к завышенным результатам.

Выводы

1. Проведены экспериментальные исследования распространения воздушной сверхзвуковой струи в сносящем дозвуковом потоке в канале ограниченных размеров.

2. На основании опытных данных предложена формула для расчета передней границы струйной зоны смешения и размера канала, при котором его влияние на распространение струи можно не учитывать.

Список литературы

1. Абрамович Г.Н., Гиршович Т. А. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984. 716 с.

2. Гиршович Т.А. Турбулентные струи в поперечном потоке. М.: Машиностроение, 1993, 256 с.

3. Надыршин А.Я., Шайхутдинов З.Г. О смешении сверхзвукового потока с поперечной струей, вдуваемой через круглое отверстие в пластине // Изв. АН СССР, МЖГ. 1975. №1. С. 78 - 84.

4. Рогачев Н.М. Смешение струи углекислого газа со сносящим потоком воздуха // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. С.П. Королева. Самара: СГАУ, 2006, № 1. С.194 - 199.

5. Благов В.В., Масякин Н.Е., Полянский Н.Н. Глубина проникновения сверхзвуковой струи в сносящий поток // Изв. АН СССР, МЖГ. 1980. №4. С. 62 - 71.

6. Добросельский К.Г. Распространение пучка из 4-х низконапорных струй в поперечном потоке // Моделирование неравновесных систем: 17 Всероссийский семинар / под ред. В.В. Слабко. Красноярск: ИВМ СО РАН., 2009. С. 76 - 79.

7. Темирбаев Д. Ж.Исследование распространения осесимметрич-ной струи в сносящем потоке и его приложение к расчету смесителей камер сгорания газовых турбин: дис. ... канд. тех. наук. Алма-Ата, 1968. 125 с.

8. Чжен П. Управление отрывом потока. М.:Мир, 1979. 552 с.

Карышев Анатолий Константинович, канд. техн. наук, проф., k1kf@,bmstu-kaluga.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана,

Жинов Андрей Александрович, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, k1kf@,bmstu-kaluga. ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана,

Шевелев Денис Владимирович, канд. техн. наук, доц., k1kf@,bmstu-kaluga.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

AIR MIXING SUPERSONIC JET CROSS FLOW A.K. Karyshev, A.A. Zhinov, D. V. Shevelev

An experimental study of a supersonic jet mixing air into razing subsonic flow in the channel of limited size is present in this article. On the basis of experimental data, there is the formula for calculating the forward boundary of the jet mixing zone and the size of the channel in which its impact on the distribution of the jet can be ignored. The comparison of the results with those of other authors is also present.

Key words: supersonic jet, the mixing zone, the hydrodynamic parameters.

Karyshev Anatoly Konstantinovich, candidate of technical sciences, professor, k1kf@,bmstu-kaluga. ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University,

Zhinov Andrey Alexandrovich, candidate of technical sciences, head of chair, k1kf@,bmstu-kaluga. ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University,

Shevelev Denis Vladimirovich, candidate of technical science, docent, klkfa bmstn-kaluga.ru, Russian Federation, Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University

УДК 655.004.55

ВЛАГОМЕТРИЯ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ

В.Е. Константинов, Ф.Е. Шарыкин, В.Г. Калашников, М.Г. Гапочка

Рассмотрены основные методы измерения влажности жидких углеводородов, представлен их технико-экономический анализ. Приведены материалы по совершенствованию системы влагометрии физических методов путем повышения чувствительности и точности, уменьшения погрешности измерений и потери сигнала.

Ключевые слова: влагометрия, жидкие углеводороды, устройство измерения влажности, пористые материалы, пространственно-глобулярная структура, точность измерения.

Одним из основных технологических параметров, определяющих качество бесчисленного множества жидкостей и твердых материалов является влажность [1]. Влажность - физико-химическая количественная характеристика содержания воды как активного структурного компонента материалов, жидких углеводородов и других исследуемых объектов, которые могут находиться в различных фазовых состояниях и при различной степени диспергирования. Выбор этого параметра для контроля и регулирования не случаен и определяется тем, что большинство технических процессов в различных областях промышленности и отраслях экономики, в том числе нефтеперерабатывающей (нефтепродуктообеспечивающей), содержат в своем составе операции, связанные с изменением содержания влаги в перерабатываемом (используемом) продукте.

Жидкие углеводороды (дизельные топлива, топлива для реактивных двигателей, бензины, технические масла и специальные жидкости) в процессе хранения, транспортирования и непосредственного применения в различных механизмах, машинах и аппаратах накапливают влагу, теряя при этом свои эксплуатационные показатели, что, в свою очередь, может привести к преждевременному износу отдельных деталей, и, как следствие, выходу из строя, отказу самого изделия.

141