Турбулентні кавітаційні потоки, Лабораторія моделювання енергетичних процесів
Мал. 1 Кавітаційний стенд
Проблеми, пов'язані з кавітацією та кавітаційною ерозією, належать до найважчих фундаментальних завдань сучасної гідродинаміки. Найважливішими умовами безпечної та ефективної роботи гідроенергетичних систем, як новостворених, так і вже експлуатованих, є надійність і довговічність устаткування, що використовується. Як правило, робота реальних енергетичних агрегатів, таких як гідротурбіни, супроводжується наявністю нестаціонарного турбулентного перебігу складної геометрії, що найчастіше є двофазним. Підвищення ресурсу роботи, збільшення ККД гідромашин, а головне – ступеня їхньої безпеки, неможливе без вивчення фізичних механізмів гідродинамічних процесів, найбільш істотну роль, серед яких відіграють великомасштабні вихрові структури (КВС) та кавітація. Взаємодія КВС з парогазовою дисперсною фазою є складним нелінійним процесом, що істотно впливає на кавітаційну ерозію елементів гідроагрегатів і на пульсаційні характеристики перебігу внаслідок взаємного впливу безперервної фази та частинок дисперсної фази. На траєкторії частинок впливає локальна нерівноважна турбулентність рідини (турбулентна дисперсія), при цьому рух бульбашок істотно впливає на турбулентну структуру потоку (модуляція турбулентності). Як відомо, виникнення резонансних ефектів може призводити до надмірних вібраційних навантажень і, як наслідок, виходу з ладу гідроагрегатів або у гіршому випадку навіть аварій та катастроф. Кавітаційна ерозія, у свою чергу, є одним з механізмів інтенсивного зносу робочих коліс гідротурбін та насосного обладнання, що суттєво знижує їх ресурс роботи та збільшує витрати навиробництво чи споживання енергії. Як правило, кавітаційної ерозії піддаються певні ділянки тильних сторін лопаток, втулок та ободів робочих коліс, при цьому решта поверхні залишається неушкодженою. Це визначається визначальною роллю просторової структури двофазного течії на процес кавітаційної ерозії. Таким чином, стає очевидним, що одночасне дослідження динаміки кавітаційних каверн і КВС у нестаціонарних турбулентних течіях, що реалізуються в елементах гідроагрегатів, розподілів турбулентних характеристик, а також вивчення взаємодії КВС, що розвиваються в зсувних шарах рідини, з парогазовою фазою є вкрай актуальними завданнями зору удосконалення конструкцій сучасного гідротехнічного обладнання
У ході виконання проекту були зареєстровані різні типи кавітаційних каверн, що виникають з боку розрідження на модельних тілах обтікання (пластина із закругленою носовою частиною, гідрокрило NACA0015, зменшена копія направляючих лопаток гідроагрегатів Саяно-Шушенської ГЕС): бульбашкова та стрикова кавітація, інші типи кавітаційних порожнин. Також було вивчено вплив типу кавітаційної каверни на розподіл середніх і турбулентних характеристик течій поблизу досліджуваних тіл обтікання. В результаті було показано, що при переході до хмарного режиму обтікання кавітації збільшується поперечний розмір турбулентного сліду за тілами, а також спостерігається зростання амплітуди турбулентних пульсацій в ньому. Крім того, були зареєстровані різні типи нестійкостей кавітаційних каверн – природні та зовнішні.
Візуалізація обтікання пластини із закругленою носовою частиною
Візуалізація обтікання гідрокрила NACA0015
Візуалізація обтікання (зменшеної копії) напрямних лопаток гідроагрегатів Саяно-Шушенської ГЕС