кнопка поиска  |   Ru  |  En

В данном разделе представлены некоторые основные результаты, изложенные в научно-популярной форме 


Ламинарно-турбулентный переход при отрыве пульсирующего потока

за препятствием в канале

Для механики жидкости и газа фундаментальное значение имеет явление перехода ламинарной формы течения в турбулентную. Впервые это явление было подробно исследовано О.Рейнольдсом в 1880-х гг. при изучении движения воды в трубах. Опыты Рейнольдса заключались в том, что он вводил подкрашенную струйку в поток жидкости в прозрачной трубке и наблюдал, при какой скорости эти струйки теряют устойчивость. На основе своих наблюдений О.Рейнольдс сделал вывод о существовании ламинарного и турбулентного режимов течения жидкости.

Данный раздел посвящен результатам исследования ламинарно-турбулентного перехода, инициированного отрывом потока за выступом в канале, при воздействии наложенных пульсаций расхода.

Основным методом исследования стала дымовая визуализация потока. 

При низких числах Рейнольдса возмущения в канале отсутствуют, течение носит ламинарный, слоистый, характер (рис.1). Когда число Рейнольдса достигает так называемого критического значения, в окрестности плоскости симметрии канала начинают формироваться крупномасштабные вихревые структуры (рис.2), которые регулярно сносятся вниз по потоку. В рамках проекта выявлен механизм формирования крупномасштабных вихрей в слое смешения за выступом в канале. 


Также установлено, что в канале за выступом формируются продольные спиралевидные вихри, которые играют определяющую роль в инициировании ламинарно-турбулентного перехода в рассматриваемом течении.

Воздействие наложенных пульсаций расхода приводит к глобальному изменению структуры течения: за выступом формируются «разгонные» вихри, область формирования вихревых структур существенно увеличивается по ширине канала, растет количество вихрей, формирующихся одновременно по всей ширине канала.

Предложена классификация структуры потока за выступом в условиях наложенной периодической нестационарности: все рассмотренные режимы течения разбиваются на четыре группы, которые характеризуются различным размером разгонных вихрей и особенностями их эволюции.

Первая группа характеризуется формированием за выступом в фазе ускорения потока разгонных вихрей, размер которых в продольном направлении, составляет 2-3 высоты выступа (6-9 мм). В поперечном направлении эти вихри в основном состоят из трех крупных вихревых структур.

Ко второй группе можно отнести режимы, в которых продольный размер разгонных вихрей приблизительно равен высоте выступа (3 мм). Теперь один такой вихрь, если рассматривать его структуру в поперечном направлении, состоит из большого количества более мелких вихрей, которые равномерно заполняют всю ширину канала.

Особенностью третьей группы течения является формирование за выступом области возвратного течения, на внешней границе которой мелкие вихри двигаются с интервалом, равным периоду наложенных пульсаций скорости потока. Эти вихри практически не контактируют со стенкой  по всей длине области возвратного течения. Структура течения по ширине канала более однородная, чем на режимах, относящихся ко второй группе.



Поперечное обтекание цилиндра и пучков труб. Часть 1

Пульсирующие потоки часто встречаются в природе и технике. Источниками пульсаций потока жидкости или газа может являться, например, работа сердца в живых системах или лопаточных и поршневых машин в технике. Но часто колебания потока возникают и без видимых причин. Внутри потока формируются турбулентные вихри,  возмущения от них усиливаются акустическими характеристиками каналов, пульсации в свою очередь влияют на генерацию вихрей и образуется устойчивый колебательный контур. Иногда такие процессы называют автоколебаниями.

Чаще всего колебания потока являются нежелательным явлением в технике, т.к. вызывают шумы и вибрации конструкции, снижают надежность работы машин, повышают расход топлива. В других случаях пульсации потока полезны и могут рассматриваться и как фактор интенсификации процессов теплообмена, добычи нефти или горения. Во всех случаях необходимо уметь прогнозировать возникновение и развитие нестационарности потока и оценивать ее влияние на гидродинамические и тепловые процессы.

Поперечное обтекание тел пульсирующим потоком относится к числу  наиболее интересных и наименее изученных явлений. За плохообтекаемым телом, например, цилиндром, образуется цепочка так называемых вихрей Кармана даже при обтекании стационарным потоком. В случае же пульсирующего потока при искривлении линий тока, возникающем при обтекании цилиндра, создаются еще и условия для формирования так называемых разгонных вихрей. Разгонные вихри и вихри Кармана формируются по-разному. Вихри Кармана образуются поочередно вблизи противоположных сторон цилиндра. И в стационарном, и в пульсирующем потоке определяющим для формирования вихрей Кармана является путь, пройденный газом. Пара вихрей формируется на пути, составляющем примерно 5 диаметров цилиндра. Разгонные же вихри образуются симметрично с дух сторон цилиндра в такт пульсациям потока.  За один период колебаний формируется два симметричных вихря.

При обтекании цилиндра пульсирующим потоком одновременно «работают» механизмы формирования и разгонных вихрей, и вихрей Кармана. Процессы асинхронны, т.к. один из них привязан к пути, пройденному газом, другой – ко времени. Поэтому картины течения в следе за цилиндром, обтекаемым пульсирующим потоком, весьма многообразны. Все зависит от соотношения параметров нестационарного потока. Такие безразмерные соотношения принято называть числами подобия. При обтекании цилиндра пульсирующим потоком таких чисел 4: число Рейнольдса, число Маха, относительная частота и относительная амплитуда пульсаций потока. При малой скорости потока по отношению к скорости звука в среде число Маха не влияет на структуру течения. От числа Рейнольдса зависит, будет поток ламинарным или турбулентным. Два последних числа подобия характеризуют собственно факторы нестационарности потока.

В некоторой области факторов нестационарности потока влияние пульсаций совершенно не ощущается (режим I на рис.1), формируется обычная вихревая дорожка Кармана. Далее имеется область мирного сосуществования (режим II) – процессы формирования разгонных вихрей и вихрей Кармана почти не замечают друг друга, и результатом их совместного действия является нерегулярная вихревая дорожка разнокалиберных вихрей. При  дальнейшем нарастании факторов нестационарности пульсации потока начинают задавать ритм (режим III), но и механизм формирования вихрей Кармана еще заметен. Наконец, при высокой степени нестационарности с подходящими частотами пульсаций происходит полное подавление вихрей Кармана (режим IV)– в следе за цилиндром остаются только симметричные вихри. Что происходит в области особо высоких относительных частот – мы пока не знаем.

На рисунке 2 показаны границы между отмеченными типами течения в пространстве относительной частоты β и относительной амплитуды (числа Струхаля Sh) пульсаций.

От режима обтекания цилиндра зависит не только картина течения или так называемая кинематическая структура потока и связанные с ней динамические нагрузки, в том числе и на сам цилиндр, но и характеристики конвективного теплообмена, которые напрямую связаны со структурой потока. При определенном сочетании факторов нестационарности потока достигается ощутимая интенсификация теплоотдачи. Пока выявлены режимы с прибавкой по теплоотдаче около 30%.

Рис.2. Карта режимов обтекания цилиндра пульсирующим потоком


Полученные результаты расширяют фундаментальные знания о гидродинамических и тепловых процессах при обтекании тел пульсирующим потоком и открывают новое направление интенсификации теплоотдачи в инженерных приложениях, связанных с обтеканием труб.



Поперечное обтекание цилиндра и пучков труб. Часть 2

При поперечном обтекании пластин, цилиндров и других плохообтекаемых тел в следе за ними формируется вихревая дорожка Кармана – периодическая цепочка вихрей. Частота формирования этих вихрей определяется скоростью набегающего потока, поперечным размером обтекаемого тела и свойствами среды, обтекающей тело. Поперечное обтекание тел часто используется в технике, в частности, в различном теплообменном оборудовании.

Обтекание тел в стационарном внешнем потоке хорошо изучено. Данных о гидродинамических и тепловых процессах при обтекании тел пульсирующим потоком недостаточно, тем не менее, такой режим обтекания может быть использован для интенсификации теплообмена, что весьма важно для повышения эффективности различных теплообменников и систем охлаждения.

Мы выполнили систематические исследования обтекания единичного цилиндра и некоторых конфигураций пучка труб пульсирующим потоком. Данные о характерных особенностях процесса формирования вихрей за цилиндром в этих условиях удалось систематизировать и выделить четыре основных режима обтекания цилиндра. Оказалось, что в пульсирующем потоке за цилиндром могут формироваться как  вихри Кармана, так и разгонные вихри – которые образуются симметрично с обеих сторон цилиндра при ускорении внешнего потока. Для описания режимов обтекания цилиндра введено новое число подобия, которое представляет собой  отношение продольной и центробежной массовых сил в следе за цилиндром. Показано, что при его использовании границы режимов обтекания цилиндра удовлетворительно описываются прямыми линиями (рис.1).

Рис.1. Карта режимов обтекания цилиндра в пространстве относительной амплитуды и ее произведения на безразмерную частоту пульсаций внешнего потока. Одинаковыми значками обозначена принадлежность структуры течения к одному из режимов


Основным методом исследования структуры течения была дымовая визуализация и новый метод обработки данных скоростной видеосъемки ее результатов, разработанный авторами проекта (SIV). С использованием этого метода определялись мгновенные векторные поля скорости за цилиндром и осциллограммы (изменение скорости потока по времени) в различных точках потока. Обработка этой информации позволила определить границы изменения параметров пульсирующего потока, разделяющих области сильного и слабого взаимного влияния вихрей Кармана и разгонных вихрей. Пример преобладающего влияния разгонных вихрей в следе за цилиндром приведен на рис.2. Как видно из рисунка, в спектре пульсаций имеется выраженный максимум на частоте формирования разгонных вихрей.

Получены данные о распределении локального коэффициента теплоотдачи с поверхности цилиндра в пульсирующем потоке. Показано, что это распределение зависит не только от режима обтекания цилиндра, но и от амплитуды пульсаций внешнего потока даже в пределах одного режима (рис.3).  Показана возможность увеличения средней теплоотдачи с поверхности цилиндра за счет пульсаций внешнего потока: прирост коэффициента теплоотдачи определяется амплитудой и частотой пульсаций (таблица 1).

Рис.2. Стоп-кадр обтекания цилиндра (а) и спектры обтекания в т.2 (б)

на режиме преобладающего действия разгонных вихрей

Рис.3. Распределение локальных коэффициентов теплоотдачи по поверхности цилиндра при β=0,6:

1 – стационарный режим; 2 – режим II; 3 – режим III; 4 – режим IV

 

 Таблица 1. Прирост средней теплоотдачи цилиндра в пульсирующем потоке


Выявлены особенности структуры течения в межтрубном пространстве пучка труб в зависимости от частоты и амплитуды пульсаций внешнего потока. Установлено, что особенностью обтекания данной конфигурации пучка труб является сильное взаимодействие разгонных вихрей продольных рядов цилиндров (рис.4).

Рис.4. Пучок труб и структура его обтекания в пульсирующем потоке



Теплообмен тонкой нити. Термоанемометр

В газотранспортных системах часто возникают пульсации потока. Источником пульсаций может являться работа газоперекачивающего оборудования при неправильной его настройке. Но часто колебания потока возникают и без видимых причин. Внутри потока формируются турбулентные вихри, возмущения от них усиливаются акустическими характеристиками каналов, пульсации в свою очередь влияют на генерацию вихрей. Так образуется устойчивый колебательный контур. Иногда такие процессы называют автоколебаниями.

Колебаний потока стремятся избежать или свести к минимуму по ряду причин. Во-первых, они являются одним из основных факторов снижения надежности газотранспортных систем. Во-вторых, пульсации потока увеличивают гидравлическое сопротивление при перекачке газа, что в основном связано с квадратичной зависимостью потерь полного давления от скорости потока в трубе. В-третьих, пульсации потока существенно затрудняют учет газа, повышают погрешность измерений.

И в российской, и в зарубежной нормативной метрологической документации, регламентирующей измерения расхода и количества газа в трубопроводах, подразумевается, что пульсации скорости должны измеряться. Однако современных приборов для этого пока нет.

Наиболее перспективным методом измерения колебаний потока в газопроводе мы считаем термоанемометрический. Термоанемометры постоянного сопротивления обладают хорошими частотными характеристиками, сравнительно дешевы, имеется опыт их работы на природном и газе в составе вихревых расходомеров. Авторы проекта предложили создать такой прибор на базе отечественного цифрового термоанемометра ИРВИС ТА-5. В отличие от обычных термоанемометров постоянного сопротивления, новое экспериментальное устройство поддерживает не постоянную температуру нити, а постоянный перегрев относительно текущего значения температуры измеряемой среды, фактически напрямую измеряя коэффициент теплоотдачи. Также прибор позволяет квазиодновременно измерять скорость и температуру потока одной нитью термоанемометра.

Специфика газовой отрасли требует высокой степени теоретической и экспериментальной отработки решений до установки оборудования на газопровод. Принцип работы термоанемометра основан на закономерностях теплообмена тонких металлических нитей. Но этот теплообмен зависит от конструкции зонда датчика и свойств среды, в первую очередь вязкости и теплопроводности. Поэтому термоанемометры принято перед измерениями градуировать по скорости потока в той же среде и при тех же значениях температуры и давления, что и при измерениях. Разумеется, такой подход для промышленного прибора не пригоден.

Ставится задача создания нового метода термоанемометрических измерений скорости потока или, по крайней мере, относительных пульсаций скорости без предварительной градуировки датчика. При этом допускается калибровка в неподвижной измеряемой среде для настройки прибора на эту среду.

Решение такой задачи требует адекватного математического описания работы термоанемометра с экспериментальной проверкой на различных средах. При экспериментальной проверке вместо различных сред будем использовать воздух различной температуры. По изменению теплофизических свойств это эквивалентно переходу на другие среды. Так, теплоотдача нити пропорциональна коэффициенту теплопроводности среды. По уровню теплопроводности природному газу при комнатной температуре соответствует воздух при температуре порядка 120оС.

Предполагая, что существует единая обобщенная (т.е. записанная с использованием критериев подобия Re, Nu и т.п.) закономерность теплообмена между горячей нитью и потоком воздуха, авторы получили ее экспериментально в виде Num=0,272+0,401Rem0,5, проводя опыты на воздухе не только при переменной температуре нити, но и при переменной температуре среды (рис.1).

Рис.1. Безразмерные зависимости Num(Rem0,5) для разных режимов перегрева нити и подогрева потока воздуха:   ○ – (Tw-Tf)=150ºC (без нагрева потока); -●-  – (Tw-Tf)=200ºC (без нагрева потока); ▬ - обобщающая зависимость Num=0,272+0,401Rem0,5; ▼- Tf=30ºC (с нагревом потока при постоянном перегреве нити (Tw-Tf)=150ºC); ▲ - Tf=40ºC; ■ - Tf=50ºC; ♦ - Tf=60ºC; + - Tf=70ºC; x - Tf=80ºC; | - Tf=90ºC


Важно отметить, что этот закон теплообмена нити был получен с учетом влияния концевых тепловых утечек. Для этого для заданных параметров нити термоанемометра в одномерной постановке численно решалось уравнение теплопроводности методом конечных элементов.

Эта же математическая модель использовалась для оценки погрешности гипотетических измерений при градуировке датчика в другой среде, скажем, для случая когда требуется измерить пульсации расхода в трубопроводе с природным газом, а градуировку из-за технологических ограничений можно проводить только на воздухе. Показано, что в этой ситуации погрешность измерений средней скорости может оказаться значительной. В то же время, относительная погрешность измерения относительных пульсаций не превышает 2%.

На базе полученных результатов планируется разработать метод измерений пульсаций скорости потока газовой смеси неизвестного заранее состава без необходимости предварительной градуировки датчика в той же среде. Предложенный подход можно использовать при создании нового прибора для диагностики колебаний потока в газотранспортных системах.