Метод визуализации пульсирующих турбулентных течений

Том ХЬЇ

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2010

№ 6

УДК 532.517.4

МЕТОД ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПУЛЬСИРУЮЩИХ ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ

И. А. ДАВЛЕТШИН, Д. И. ДАУТОВ, А. Н. МИХЕЕВ,

Н. И. МИХЕЕВ, В. М. МОЛОЧНИКОВ

Представлена специализированная экспериментальная установка, предназначенная для визуальных исследований пульсирующих турбулентных отрывных течений. Дано описание устройства для создания пульсаций потока и используемых в установке методов визуализации. Приведены результаты методических экспериментов.

Ключевые слова: визуализация течения, экспериментальная установка, пульсирующие течения, устройство для создания пульсаций потока, отрыв потока, вихревые структуры, методические эксперименты.

Визуализация играет важнейшую роль в изучении сложных течений жидкости и газа. Ее использование дает возможность получить наглядную качественную картину и понять физиче-

ДАВЛЕТШИН Ирек Абдуллович

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ИЦ проблем энергетики КазНЦ РАН

ДАУТОВ Дамир Ильдарович

студент КГТУ

МИХЕЕВ Андрей Николаевич

студент КГТУ

МИХЕЕВ Николай Иванович

доктор технических наук, заведующий лабораторией ИЦ проблем энергетики КазНЦ РАН

МОЛОЧНИКОВ Валерий Михайлович

доктор технических наук, старший научный сотрудник ИЦ проблем энергетики КазНЦ РАН

скую сущность изучаемого явления. В последнее время в связи с появлением цифровой техники обработки изображений визуализация позволяет определить и многие количественные характеристики поля течения. Часто визуальные исследования являются средством обнаружения ранее неизвестных явлений и способствуют созданию новых теорий, либо дают ясное физическое толкование закономерностей, обнаруженных в результате измерений локальных параметров исследуемого течения.

Используемые в настоящее время методы визуализации весьма многообразны. Обычно их делят на две группы [1]. Первую группу составляют методы, основанные на введении в поток различных маркеров (дыма, специальной аэрозоли и др.), перемещение которых позволяет получить информацию о динамике поля течения. К этой же группе можно отнести методы, в которых на обтекаемую поверхность наносят масляную (сажемасляную) пленку, масляные капли, тонкий слой коалина и т. д., или наклеивают на эту поверхность шелковинки, по поведению которых судят о характере течения. Вторая группа включает методы, базирующиеся, главным образом, на изменении коэффициента преломления текучей среды в зависимости от ее плотности.

Несмотря на интенсивное развитие средств измерений и методов моделирования сложных течений, интерес к визуальным исследованиям в последние годы значительно вырос. Свидетельством тому является резкое увеличение числа публикаций, содержащих фотографии различных течений, организация, начиная с 1997 г., международных симпозиумов по визуализации, а также появление специализированных международных периодических изданий, посвященных визуализации потоков и методам обработки изображений [2]. Следует отметить, что всплеску интереса к визуальным исследованиям в значительной мере способствовало появление новых методов визуализации, позволяющих получить не только качественную, но и количественную информацию о поле течения (методы PIV, PTV и др.).

В дозвуковых воздушных потоках часто применяется дымовая визуализация, что обусловлено относительной простотой ее реализации. Использование дыма при исследовании турбулентных течений имеет ряд ограничений, поскольку высокий уровень пульсаций параметров приводит к быстрому «размыванию» струек дыма. Для расширения возможностей этого метода иногда применяется его разновидность — метод дымящейся проволоки — импульсный подогрев нитей с нанесенным на них маслом, что обеспечивает периодическое выделение дыма в исследуемую зону течения и получение достаточно качественной картины.

Особое значение имеет визуализация для пульсирующих турбулентных потоков. Именно этот тип течения наиболее сложен для изучения, поскольку к основному определяющему критерию подобия — числу Рейнольдса — добавляется еще как минимум два — безразмерная частота (число Струхаля) и амплитуда пульсаций потока. В этих условиях для выявления механизмов влияния наложенной нестационарности на процессы переноса весьма важно иметь представление о динамике структуры течения, которая может быть получена только на основе данных визуализации. Тем не менее, результаты визуализации пульсирующих течений крайне редки и ограничиваются, главным образом, ламинарными режимами [3, 4].

Использование дымовой визуализации для пульсирующих турбулентных отрывных течений требует специальных подходов как к созданию экспериментальной установки, в которой должны проводиться исследования, так и к системе генерации дыма. Необходимо обеспечить достаточно низкую среднюю скорость потока в рабочем участке установки, при которой дымовая визуализация еще эффективна, с одновременным сохранением турбулентного режима течения. При этом скорость потока должна изменяться по закону, близкому к гармоническому. Кроме того, изменение безразмерной частоты и амплитуды пульсаций потока должны соответствовать диапазону, в пределах которого имеют место режимы с наибольшим эффектом воздействия наложенной нестационарности на характеристики отрывного течения. Метод генерации дыма, способ его подвода в исследуемую область потока и плотность дымовых струек должны обеспечивать получение качественной картины течения во всем диапазоне изменения параметров потока.

В настоящей работе представлено описание экспериментальной установки для визуализации пульсирующих турбулентных отрывных течений, в значительной степени удовлетворяющей указанным требованиям. Приводятся характеристики потока в рабочем участке установки и данные методических тестовых экспериментов.

Экспериментальная установка визуализации. Схема экспериментальной установки визуализации приведена на рис. 1. Рабочий участок 3 установки представляет собой канал квадрат-

Рис. 1. Установка визуализации:

1— плавный вход; 2 — препятствие; 3 — рабочий участок; 4 — нити из углеволокна; 5 — диафрагма; 6 — устройство создания пульсаций расхода; 7 — видеокамера

Рис. 2. Общий вид пульсатора:

1 — расходный узел, регулирующий среднюю скорость потока; 2 — расходный узел, регулирующий частоту и амплитуду пульсаций скорости потока; 3 — вращающаяся заслонка; 4 — электродвигатель

ного поперечного сечения 0.4 х 0.4 м2 длиной Ь = 2.73 м, выполненный из листов ДСП толщиной 20 мм, с плавным входом 1. Верхняя стенка канала съемная, изготовлена из оргстекла и служит для наблюдения и фото-, видеосъемки исследуемых течений. Для уменьшения яркости бликов при съемке на нижней стенке канала закреплена резиновая пластина толщиной 1 мм с зачищенной поверхностью, а боковые стенки канала окрашены черной матовой краской.

Расход воздуха через рабочий участок создается радиальным вентилятором, работающим на всасывание. Основным конструктивным узлом установки, обеспечивающим задание и поддержание средней скорости потока в рабочем участке, а также требуемую частоту и амплитуду периодических пульсаций потока, является пульсатор 6 (см. рис. 1), общий вид которого дан на рис. 2.

Конструкция пульсатора позволяет независимо изменять площади проходных сечений двух расходных узлов путем перемещения цилиндрических управляющих элементов этих узлов поперек потока в направлении их продольных осей. Пульсации потока создаются периодическим изменением проходного сечения расходного узла 2, вращающейся заслонкой 3 (см. рис. 2), а узел 1 обеспечивает регулирование постоянной составляющей площади проходного сечения пульсатора. Значение среднерасходной скорости контролируется показаниями цифрового измерителя давления ПРОМА-ИДМ, измеряющего перепад давления на предварительно отградуированной диафрагме 5 (см. рис. 1), для чего в канале за диафрагмой выполнено отверстие со штуцером для отбора статического давления. Градуировка диафрагмы была проведена на установке поверочной газодинамической УПГ-10, сертифицированной органами Госстандарта РФ и обеспечивающей задание и поддержание объемного расхода воздуха с погрешностью не более 0.3%.

Заслонка пульсатора 3 приводится в движение от электродвигателя переменного тока 4 через редуктор с передаточным отношением 25. Питание электродвигателя осуществляется через частотный преобразователь, что позволяет управлять частотой вращения выходного вала привода. Управление частотным преобразователем (частотой вращения заслонки) — цифровое, с по-

мощью специального микроконтроллера. Задание требуемой частоты вращения выполняется с клавиатуры, значение частоты отображается на индикаторе. Для регистрации частоты вращения заслонки в корпусе расходного узла 2 в диаметральной плоскости напротив друг друга расположены светодиод и приемник света, а вал привода заслонки имеет в соответствующем сечении диаметральное отверстие. При совпадении оптической оси источник-приемник с осью отверстия на фотоприемнике в узком диапазоне углового положения заслонки формируется электрический импульс. Этот импульс после усиления поступает на микроконтроллер, фиксирующий частоту вращения заслонки, и на светодиод, размещенный в рабочем участке установки. Светодиод позволяет при видеосъемке осуществлять привязку полученного видеоизображения к фазе пульсаций потока. Один оборот вала привода (заслонки) соответствует двум импульсам на фотоприемнике. Между пульсатором и вентилятором располагается ресивер объемом 2 м3, сглаживающий пульсации давления на выходе пульсатора.

В установке предусмотрено два способа визуализации потока. Первый способ основан на методе дымящейся проволоки. При его использовании внутри рабочего участка по средней линии боковых стенок с шагом 110 мм на 20 стальных упругих креплениях смонтированы нити из угольного волокна 4 (см. рис. 1). Крепления выполняют две функции: во-первых, они компенсируют удлинение нитей при их нагреве; во-вторых, позволяют производить быстрый монтаж угольного волокна. Кроме того, использование креплений позволяет комбинировать расположение нитей вдоль канала, что дает возможность в любом месте по длине канала устанавливать различные препятствия. Перед началом эксперимента нити пропитываются маслом, а затем на них подается напряжение. За счет нагрева нитей масло испаряется, образуя хорошо видимые дымовые струйки. Для обеспечения равномерного нагрева нити включены в цепь последовательно. Управление нагревом, а, следовательно, и дымовыделением реализуется при помощи специальных регулирующих плат изменением силы тока, проходящего через нить. Питание плат осуществляется напряжением 80 В с обмоток трансформатора. Использование токопроводящих нитей из угольного волокна по сравнению, например, с нихромовыми проволоками, имеет ряд преимуществ: они хорошо впитывают масло и имеют малый коэффициент температурного удлинения.

При использовании второго способа в рабочий участок установки подается специальный аэрозоль, источником которого является генератор «FOG 2010 Plus» (рис. 3). Генератор представляет собой устройство для создания мелких взвешенных капель специальных жидкостей, использующихся в качестве трассеров в воздушных потоках. Капли имеют размер от 1 до 5 мкм. Генератор аэрозоли устанавливается перед входом в рабочий участок экспериментальной установки. Расход подаваемых в поток частиц можно изменять специальным регулятором. Адаптер 2 (см. рис. 3), установленный на сопло генератора, способствует эжектированию атмосферного воздуха и организации оптимальной концентрации частиц в аэрозоли. Установка гибких шлангов или трубок 3 за адаптером позволяет обеспечивать подачу аэрозоли локально в исследуемые области течения. В установке имеется возможность регулирования расхода подаваемых частиц. Локальное введение аэрозоли в поток существенно снижает вероятность оседания капель на съемной светопрозрачной стенке рабочего участка. Тем не менее, эксплуатация установки предусматривает возможность периодической очистки внутренней поверхности этой стенки.

Независимо от используемого способа визуализации потока видеосъемка картины течения выполняется в световом ноже — плоскопараллельном пучке света, создаваемом проектором, установленным в рабочем участке ниже по потоку от исследуемого объекта. Плоскость светового

Рис. 3. Схема работы генератора аэрозоли:

1 — генератор; 2 — адаптер; 3 — поток аэрозоли

ЗЗ

ножа располагается параллельно плоскости нитеи, используемых при визуализации потока методом дымящейся проволоки, на расстоянии 10 мм от последней, как показано на рис. 1. Видеоизображение исследуемого течения фиксируется на цифровую видеокамеру 8 (см. рис. 1).

Объект исследования (препятствие) 2 на рис. 1 устанавливается в рабочий участок на небольшом расстоянии (~0.3 м) от плавного входа 1. Параметры течения выбираются такими, чтобы эффекты, связанные с периодической нестационарностью, проявлялись в экспериментах в области низких частот, доступных для визуального наблюдения и видеосъемки.

Установка визуализации позволяет исследовать пульсирующие отрывные течения за различными препятствиями в канале: за одиночным выступом или системой выступов, расположенными как на одной из стенок канала, так и симметрично относительно оси канала; за диафрагмой, за плохообтекаемыми телами различной формы и др.

Методические эксперименты и обсуждение. Для оценки характеристик потока в рабочем участке установки визуализации выполнены методические эксперименты, в рамках которых проводилось измерение скорости потока на оси рабочего участка с помощью нитяного термоанемо-метрического датчика. Работа датчика поддерживалась цифровым термоанемометром ИРВИС-ТА5 [5]. Перед измерениями датчик градуировался на стационарных режимах непосредственно в рабочем участке. В качестве образцового средства при градуировке использовалась диафрагма 5 (см. рис. 1). Результаты экспериментов показали, что на всех нестационарных режимах скорость потока в рабочем участке изменяется по закону, близкому к гармоническому. На рис. 4 в качестве примера показаны осциллограммы и спектры скорости потока для частоты пульсаций около 2 Гц при варьировании среднего значения скорости и амплитуды пульсаций. Как видно, амплитуды на основной и кратной гармониках отличаются практически на порядок, что свидетельствует о близости закона изменения скорости потока в рабочем участке к моногармоническому и малых отклонениях формы пульсаций от синусоидальных.

В методических экспериментах по визуализации потока в качестве объекта исследования использовался тонкий поперечный выступ 2 (см. рис. 1) высотой к = 0.07 м, который занимал всю ширину рабочего участка и устанавливался на расстоянии 0.3 м от плавного входа. Средняя скорость потока в рабочем участке составляла (и} = 0.3...0.5 м/с, а частота наложенных пульсаций/ варьировалась от 0.5 до 3 Гц. В этом случае при к = 0.07 м число Струхаля, вычисленное по минимальному значению продольного размера области отрыва потока ХК « 6к [6], составляло

= /ХК/(и) *(0.5.3).

Анализ результатов этих экспериментов с позиций выявления механизмов влияния наложенной нестационарности на структуру таких течений выходит за рамки данной статьи. Задача

Рис. 4. Осциллограммы (левая колонка) и спектры скорости потока (правая колонка) в рабочем участке установки визуализации

приведенных ниже материалов — показать возможности установки и метода по оценке динамики вихревой структуры пульсирующего отрывного течения с привязкой полученных изображений к фазе наложенных пульсаций.

Результаты визуализации течения за выступом за один период наложенных пульсаций потока представлены на рис. 5. Порядок следования кадров обозначен буквами справа от каждого фрагмента (стоп-кадра). Привязка к фазе наложенных пульсаций потока выполняется с использованием светодиода, расположенного в рабочем участке установки (правый верхний угол кадра). Циклограмма работы светодиода показана на рис. 6. Там же нанесен фрагмент осциллограммы скорости потока в рабочем участке установки. Обеспеченное конструкцией пульсатора лишь кратковременное выключение светодиода (0.2 от периода пульсаций) в фазе наименьшей скорости потока способствует более четкой привязке к циклограмме изменения скорости потока в канале. Фрагмент а на рис. 5 соответствует началу фазы ускорения потока, а фрагмент в — максимальной скорости потока. Таким образом, выполняя покадровую разбивку результатов видеосъемки и зная количество кадров за период и частоту (период) наложенных пульсаций скорости, можно выполнить привязку каждого «стоп-кадра» к фазовому углу наложенных пульсаций.

Как следует из приведенной на рис. 5 информации, предложенная методика визуализации течения позволяет

Рис. 6. Циклограмма работы светодиода (1) и осциллограмма пульсаций скорости потока (2) в рабочем участке установки

проследить все стадии формирования крупномасштабных вихрей в пульсирующем потоке и выявить особенности динамики структуры течения. Есть основания полагать, что результаты визуализации, полученные с использованием созданной авторами экспериментальной установки, позволят глубже понять обнаруженные эффекты влияния наложенной нестационарности на гидродинамические и тепловые процессы в турбулентных отрывных течениях [6, 7], выявить и описать физические механизмы, лежащие в основе этих эффектов.

Заключение. Разработана специализированная экспериментальная установка визуализации и метод визуальных исследований пульсирующих турбулентных отрывных течений. В результате расчетов и методических экспериментов определены характеристики потока в рабочем участке установки визуализации. Установлено, что в широком диапазоне изменения средней скорости, относительной амплитуды и частоты наложенных пульсаций установка обеспечивает близкие к гармоническим пульсации скорости потока.

Выполнена серия методических экспериментов. Показано, что предложенная методика дымовой визуализации позволяет отслеживать динамику кинематической структуры турбулентных отрывных течений в условиях наложенной периодической нестационарности с приемлемым качеством и дает возможность отчетливо фиксировать процесс образования, развития и распада крупномасштабных вихревых структур в зависимости от фазы наложенных пульсаций потока.

ЛИТЕРАТУРА

1. Харитонов А. М. Техника и методы аэрофизического эксперимента. Ч. 2. Методы и средства аэрофизических измерений. — Новосибирск: Изд. НГТУ, 2007, 456 с.

2. ЗнаменскаяИ. А., ГвоздеваЛ. Г., ЗнаменскийН. В. Методы визуализации в механике газа. — М.: Изд. МАИ, 2001, 57 с.

3. Swirydczuk J. Application of the smoke-wire technique to the visualization of unsteady flows over two-dimensional bodies // J. Flow Visualiz. Image Proc. 1993. V. 1, N 1, p. 27—33.

4. Takehiro H., Seiichi S., Toshinori W. Visualization of oscillatory flow in tapered tube // J. Flow Visualiz. Image Proc. 1997. V. 4, N 3, p. 307—315.

5. Михеев Н. И., Молочников В. М., Хайрнасов К. Р., СтинскийГ. В. Методические испытания канала измерения скорости новой термоанемометрической аппаратуры // Материалы докладов V Школы-семинара молодых ученых и специалистов. — 2006.

Казань, Россия, 4—8 сентября 2006, с. 71 —74.

6. Давлетшин И. А., Михеев Н. И., Молочников В. М. Отрыв пульсирующего потока // Доклады Академии наук. 2007. Т. 417, № 6, с. 760—763.

7. ДавлетшинИ. А., МихеевН. И., МолочниковВ. М. Теплообмен в турбулентной отрывной области при наложенных пульсациях потока // Теплофизика и аэромеханика. 2008. Т. 15, № 2, с. 1—9.

Рукопись поступила 11/II2010 г.