Визуализация потока при течении в поле центробежных сил

Двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования космическиХ.аппаратов

УДК 621.45-181.4:629.78

Е. М. Краева, Г. Ф. Краева

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПОТОКА ПРИ ТЕЧЕНИИ В ПОЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ*

Описаны основные способы и методика визуализации пространственного течения в каналах рабочего колеса центробежной гидромашины. Результаты исследований позволили установить характер и структуру течения потока жидкости при различных параметрах работы гидромашины, в том числе и при кавитационных режимах.

Особенности высокооборотных гидромашин (ГМ) малого расхода вызывают определенные трудности их исследований, усложняемых малыми абсолютными размерами проточной части рабочего колеса (РК), что зачастую не позволяет применять методы исследования, широко используемые для большеразмерных насосов. При этом в большинстве случаев невозможно использовать стандартное оборудование, применяемое в обычных исследованиях, а существенные поперечные градиенты параметров потока создают сложность в проведении опытов и приводят к необходимости разработки специальных устройств и новых способов прямого или косвенного определения параметров.

Сложность процессов в проточной части рабочего колеса, отсутствие четких представлений о гидродинамике потока в малых каналах с преобладающим влиянием вязкостных сил и наличием отрывных зон, диффузорный характер течения потребовали проведения специальных экспериментальных исследований на натурной материальной части рассматриваемого класса насосов. Это позволит определить основные факторы, влияющие на величину и распределение скоростей в межлопаточных микроканалах, с учетом особенностей их гидродинамики, исходя из соизмерения параметров пограничного слоя и ядра основного потока.

Особую ценность представляют исследования, не нарушающие структуру потока при работе ГМ, поэтому учитывая необходимость проведения фотосъемки при высоких угловых скоростях, которые имеют место при работе ГМ, было использовано несколько способов съемки. Эти способы в комбинации с применяемым методом визуализации течений позволили зафиксировать процессы, происходящие в межлопаточных каналах ГМ при п = 5 000...45 000 об/мин и различных режимах работы, в том числе и при развитой кавитации в каналах РК. С этой целью была создана специальная установка, в которой крышка корпуса на-

соса и покрывной диск РК были выполнены из оргстекла [1].

Визуальные наблюдения проводились и при стробоскопическом освещении. Фотографирование процессов в межлопаточных каналах РК осуществлялось фотоаппаратом «Зенит ТТЛ» с объективом «Гелиос-44М» при освещении объекта съемки от электрического разряда с продолжительностью свечения т = 3...4 • 10-6 с, создаваемого специальной искровой установкой. Объект съемки и фотоаппарат предварительно защищались от освещения посторонним источником света. Разряд между электродами осуществлялся от конденсатора, питаемого генератором типа УПУ-1М с регулируемым выходным напряжением от 7 до 14 кВт. Процессы зарядки и разрядки конденсатора проводились дистанционно пусковым реле высокого напряжения.

Для общей оценки зоны активного потока в межлопаточных каналах РК ГМ с различной степенью диффузорности (& = 1...10) проводились опыты при работе насоса в режиме кавитации. Возможности исследования особенностей потока в каналах РК с помощью образования кавитаци-онных каверн впервые отметил Л. А. Эпштейн в 1946 г. Съемка РК ГМ через прозрачный покрывной диск и корпус насоса проводилась последовательно при снижении давления на входе в насос, вплоть до выхода каверны из межлопаточного канала колеса. Это позволило уточнить границы зоны активного потока, расходного течения и положение точек отрыва потока в каналах РК, присущих конструктивным и режимным особенностям ГМ.

При экспериментальном исследовании потока в каналах РК особое внимание уделялось визуализации, которая осуществлялась разными методами:

1) постановкой нитяных флюгерков в потоке межлопаточного канала РК;

2) нанесением специальных покрытий на поверхности исследуемого канала РК;

* Работа выполнена при финансовой поддержке гранта МК-1826.2008.8.

Фешетневскцие чтения

3) впуском красителей (трассеров) в межлопаточные каналы РК, для чего была создана оригинальная конструкция модельной гидромашины, защищенная авторским свидетельством [1];

4) введением в поток примесей, осаждаемых на поверхности межлопаточного канала РК.

Все это обеспечивало проведение исследований в широком диапазоне изменения конструктивных и режимных параметров ГМ (Cгm|Uг = 0,025...0,14 ) с размерами проточной части РК, соответствующими натуральным насосам. При этом только значение Р2л изменялось от 20° до 110°.

Качественная картина модели течения была получена в опытах и при наклеивании в различных зонах канала флюгерков из шелковых нитей и их съемкой вращающегося РК ГМ при освещении от искрового разряда. Следует отметить, что сами флюгерки, несмотря на их относительно малые размеры (длина от 3 до 5 мм и диаметр 0,1 мм), обеспечивали качественные съемки при ширине канала Ь > 3 мм, а при Ь < 3 мм оказывали влияние на поток и в ряде опытов вносили искажение в исследуемую картину течения. Флю-герки же меньших размеров не фиксировались

фотопленкой при разряде малой продолжительности (т = 3 -10-6 с), обусловленном съемкой при высокой скорости вращения РК.

Точки траекторий потока были получены методом визуализации впуска красителей в поток через ряд дренажных отверстий диска РК.

С помощью впуска красителя в поток и установки флюгерков удалось зафиксировать траектории и установить характер движения ядра потока жидкости в межлопаточных каналах РК.

При течении жидкости в каналах РК под действием кориолисовых и центробежных сил по шагу межлопаточного канала РК устанавливали градиент давления, что приводило к сдвигу потока в радиальной плоскости вдоль ограничивающих канал дисков на угол е. Важность учета сдвигового течения при расчете потока в канале РК обоснована еще и тем, что поверхности ограничивающих дисков велики по сравнению с поверхностями лопаток.

Библиографический список

1. А. с. 1257288. Модельная гидромашина / А. В. Бобков, М. В. Краев, В. И. Горностаев, А. Н. Соболев. Опубл. 15.09.86, Бюл. № 34-2.

E. M. Kraeva, G. F. Kraeva Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

VISUALIZATION OF THE STREAM AT FLOW IN THE FIELD OF CENTRIFUGAL FORCES

In article the basic ways and a procedure of visualization of three-dimensional flow in channels of the driving wheel of the centrifugal hydromachine are stated. Results of researches have allowed to establish character and structure of a stream flow of a liquid at various working parameters of the hydromachine, including at capitation condition.

© KpaeBa E. M., KpaeBa r. 2009

УДК 621.45.04.4

М. В. Кубриков, В. Ю. Журавлев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПО РЕАЛИЗАЦИИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ВЫВОРАЧИВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДИАФРАГМ-РАЗДЕЛИТЕЛЕЙ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ

Представлено программное обеспечение для проектирования выворачивающихся металлических диафрагм-разделителей топливных баков жидкостных ракетных двигателей космических аппаратов.

Важнейшим условием нормальной работы двигателей космического летательного аппарата является непрерывность подачи компонентов топлива. Непрерывность подачи компонентов может быть нарушена при наличии газовых пузырей

в топливоподающих магистралях, например, при запуске в условиях невесомости или вследствие временного оголения заборного устройства при маневре летательного аппарата. Для разграничения газовой и жидкой фаз в топливных баках ус-