Разработка и исследование систем гашения неравномерности и нестационарности полей скоростей в каналах трубопроводных систем и каналах турбомашин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат наук Падашмоганло Тохид

• Падашмоганло Тохид
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Падашмоганло Тохид

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ТРОЙНИКАМ

1.1. Обзор работ, посвященных исследованиям движения сред в тройниках

1.1.1. Коэффициентов сопротивления тройников

1.1.2. Результаты предшествующих исследований течений в тройниках различных конструкций

1.1.3. Существующие способы снижения неравномерности потока в тройниках

ГЛАВА 2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ СТЕПЕНИ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ПОЛЯ СКОРОСТЕЙ В ТРУБОПРОВОДАХ И ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЯХТ УРБОМАШИН

2.1. Гасители неравномерности и нестационарности полей скоростей и давлений в трубопроводных системах

2.2. Неравномерность поля скоростей в проточных частях цилиндров высокого давления паровых турбин с сопловым парораспределением и пути их гашения

2.2.1. Существующие способы снижения неравномерности параметров пара в камере за регулирующей ступенью паровых турбин

2.3. Конструктивные пути снижения потерь энергии и гашения неравномерности

во входных патрубках компрессоров энергетических ГТУ

2.3.1. Роль входного тракта на энергетические характеристики ГТУ

2.3.2. Характер течения воздуха в воздухозаборном тракте компрессора

2.4. Конструкция устройств подготовки потока и струевыпрямителей

2.5. Постановка задачи исследования

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЙ В ТРОЙНИКАХ И РАЗРАБОТКА ЭЖЕКТОРНЫХ ТРОЙНИКОВ

3.1. Численное исследование течений в тройниках

3.2. Расчетная картина течения рабочих сред в прямоугольных тройниках

3.2.1. Механизм взаимодействия прямого и бокового потоков тройника, и классификация картины турбулентного смешения двух потоков

3.2.2. Исследование независимости полученных результатов от густоты сетки

3.2.3. Верификация численного моделирования

3.3. Исследование прямоугольных приточных тройников различных конфигураций

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГАСИТЕЛЕЙ НЕРАВНОМЕРНОСТИИ ПОЛЕЙ СКОРСОТЕЙ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕЧКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

4.1. Теоретические основы гашения пульсаций давления в нестационарных и неравномерных потоках

4.2. Методика расчета численного моделирования исследуемых объектов

4.3. Генераторы нестационарных и неравномерных полей скоростей в трубопроводных системах

4.3.1. Верификация численного моделирования

4.3.2. Расчетная картина течения при повороте потока в трубопроводе на 90°

4.3.3. Расчетная картина течения при повороте потока в трубопроводе на 180°

4.3.4. Расчетная картина течения гиба трубы на 90° с острыми кромками в месте поворота

4.3.5. Расчетная картина течения в шиберных задвижках с разной степенью открытия

4.4. Типы исследуемых гасителей неравномерности полей скоростей для цилиндрических труб и входных патрубков осевых компрессоров

4.5. Результаты исследования пластинчатых и объемных гасителей неравномерных

полей скоростей

ГЛАВА 5. ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗРАБОТАННОГО ОБЪЕМНОГО ГАСИТЕЛЯ НЕРАВНОМЕРНЫХ ПОЛЕЙ СКОРОСТЕЙ

5.1. Объемный гаситель неравномерности в системе измерения объемных расходов жидких и газообразных сред

5.1.1. Необходимая длина прямолинейного участка перед расходомером при отсутствии гасителей неравномерности потока и с их применением

5.1.2. Описание и конструктивная разработка объемного гасителя

5.2. Гаситель неравномерности полей скоростей в системе входных патрубок компрессоров с угловым подводом воздуха

5.3. Объемный гаситель неравномерных полей скоростей, как элемент энергетической арматуры

ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование систем гашения неравномерности и нестационарности полей скоростей в каналах трубопроводных систем и каналах турбомашин»

Актуальность работы

При движении жидких и газообразных сред в каналах и проточных частях различных устройств неизбежно происходит непрерывная деформация полей скоростей, в результате чего поля скоростей в поперечных сечениях соответствующих каналов практически всегда оказываются неравномерными.

В сложных каналах, где практически невозможно сохранить безотрывное течение рабочих сред, поля скоростей оказываются нестационарными, соответственно, нестационарными оказываются и поля давлений, причем амплитуды пульсаций давления оказываются очень большими, достигая 10% от давления полного торможения при сравнительно низких частотах.

В результате возникают недопустимо большие динамические нагрузки, действующие на все элементы тех или иных устройств и стенки трубопроводов.

При этом одновременно резко увеличивается акустическое излучение и кризисным образом растет гидравлическое сопротивление.

В силу сказанного, трудно переоценить актуальность гашения неравномерности и нестационарности полей скорости, генерируемых в различных устройствах и соответствующих трубопроводах.

При решении обозначенной проблемы возможны два пути гашения неравномерности и нестационарности полей скоростей.

Первый путь сводится к чисто конструктивным изменениям проточных частей соответствующих устройств с целю исключения причин возникновения нестационарного течения с формированием крупных вихревых образований в движущемся потоке.

Второй путь предусматривает гашение уже возникших нестационарных течений с резко выраженной неравномерностью полей скоростей в поперечных сечениях каналов.

Естественно, возможности первого пути в силу ряда причин ограничены, но при удачном решении задачи в этом случае наряду с уменьшением динамических нагрузок на обтекаемые

поверхности, происходит и заметное уменьшение гидравлического сопротивления рассматриваемых устройств.

В практическом плане значительно чаще приходится гасить уже возникшее нестационарное течение с очень сложным полем скоростей в поперечных сечениях каналов, где векторное поле скоростей может содержать области с возвратным движением рабочих сред.

В этом случае любой способ гашения неравномерности полей скоростей сопровождается в большинстве случаев повышением гидравлического сопротивления за счет внесения в поток дополнительного устройства - гасителя неравномерности.

В представленном исследовании рассматриваются оба пути решения указанной проблемы.

Эффективность первого пути демонстрируется на примере совершенствования конструкции приточного прямоугольного тройника, где за счет конструктивных изменений и перехода к эжекторным тройникам удалось на расстоянии двух диаметров от плоскости смешения потоков получить практически равномерное поле скоростей и снизить сопротивление по сравнению со стандартным тройником почти в два раза.

Для решения задачи гашения уже существующей неравномерности в поперечном сечении каналов полей скоростей нами исследовались различные типы пластинчатых гасителей, имеющих низкие значения коэффициентов гидравлического сопротивления, и трубчатые гасители. По сравнению с дисковыми перфорированными гасителями и щелевыми гасителями, имеющими коэффициенты равномерности Кр = 0,7 - 0,75 (Кр = Сср/Стах, где Сср- среднерасходная скорость, а Стах - максимальная скорость потока в рассматриваемом сечении), у пластинчатых и трубчатых гасителей этот коэффициент оказался заметно выше и составил Кр =0,8 - 0,85.

На базе проведенных сравнительных исследований нами был разработан новый объемный гаситель неравномерности с коэффициентом равномерности Кр = 0,93 - 0,95, и далее были рассмотрены некоторые примеры практического его применения.

Объекты исследования

Объектами исследования являются:

- Приточные тройники прямоугольной формы;

- Пластинчатые и трубчатые гасители неравномерности полей скоростей;

- Новые объемные гасители неравномерности.

Цель диссертационной работы

Цели работы состоят:

- В оптимизации конструкции приточных тройников с целью снижения гидравлического сопротивления и обеспечения равномерного в поперечном сечении поля скоростей на минимальном от места слияния потоков расстоянии;

- В сравнительной оценке эффективности существующих систем гашения неравномерности полей скоростей;

- В разработке нового гасителя неравномерности, обеспечивающего практически полное выравнивание полей скоростей на минимальных расстояниях от источников возмущений;

- В практическом использовании разработанного гасителя неравномерности.

Для достижения обозначенных целей необходимо решить следующие задачи:

- Провести детальный анализ предшествующих работ, связанных с проблемой гашения неравномерности и нестационарности полей скоростей в трубопроводах, турбинах, компрессорах и в арматуре.

- Провести расчетно-аналитическое исследование наиболее перспективных гасителей неравномерности потока и вихрегасителей;

- Разработать и на основе математического моделирования течений исследовать предполагаемые способы обеспечения равномерных (по поперечному сечению каналов) полей скоростей;

Научная новизна работы заключается:

- В доказательстве на основе математического моделирования течений высокой устойчивости неравномерных полей скоростей к внешним воздействиям и сохранения своей структуры на очень больших линейных расстояниях от источника возмущения;

- В конструктивной разработке и оптимизации конструкции прямоугольных тройников, использующих эжекторную способность потока, движущегося в прямом проходе тройника, что позволило снизить по сравнению с стандартными изделиями гидравлическое сопротивление и получить равномерное (в поперечном сечении) поле скоростей на расстоянии двух диаметров от места слияния потоков;

- В конструктивной разработке и исследовании нового объемного гасителя неравномерности, позволяющего на расстоянии трех диаметров от источников возмущений получить практически равномерное распределение скоростей в поперечном сечении с коэффициентом равномерности Кр =0,93 - 0,95.

Практическая значимость работы

Полученные в результате выполнения настоящей работы результаты позволяют без дополнительных демпферных опор трубопроводов ликвидировать их вибрацию, обусловленную нестационарными и неравномерными полями скоростей, генерируемыми гибами, трубопроводной арматурой, измерительными приборами, диффузорами и другими объектами, расположенными внутри трубопроводов.

Применение оптимизированных тройников и разработанных объемных гасителей неравномерности потоков позволяет устанавливать любые измерительные приборы на очень малых линейных участках трубопроводов, что крайне важно в угольных электростанциях, где почти отсутствуют длинные линейные участки трубопроводов.

Также использование новых объемных гасителей неравномерности полей скоростей в турбомашинах обеспечивает серьезное повышение виброустойчивости роторов этих машин.

Методы исследования и достоверности полученных результатов

При проведении работы основным методом исследования являлось математическое моделирование течений в различных объектах с использованием общепризнанного инженерного пакета ANSYS Fluent.

Реализация и внедрения результатов расчетных исследований

Результаты расчетных исследований переданы для практического использования в фирму ООО ЦНИПИ «СТАРК».

Личный вклад автора

Участие автора в работе выразилось:

- В проведении подробного обзора литературных данных по теме настоящего исследования;

- В математическом моделировании течений в различных модификациях пластинчатых и трубчатых гасителей неравномерности с последующим анализом полученных результатов;

- В исследовании и оптимизации конструкции прямоугольного тройника;

- В исследовании эффективности трех новых объемных гасителей неравномерности;

- В исследовании различных генераторов неравномерных полей скоростей, позволяющем выбрать генератор, обеспечивающий в широком диапазоне изменения степени неравномерности полей скоростей, для последующих исследований гасителей и их эффективности.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- В докладе на научно-практической конференции ЗАО "ТУРБОКОН" (г. Калуга), май 2016 г.;

- В докладе на семинаре турбинной лаборатории завода"SKODA" (Чехия, г. Пльзень), июнь 2017 г.;

- На конференции студентов, магистров и аспирантов ФГОУ ВПО "НИУ МЭИ" , март 2018 г.;

- На семинаре кафедры ПГТ ФГОУ ВПО "НИУ МЭИ" , сентябрь 2018 г.;

- На заседании кафедры ПГТ ФГОУ ВПО "НИУ МЭИ" , сентябрь 2018 г.

Публикации по теме диссертации

Опубликовано 3 статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК. Автор защищает:

- Результаты исследования течения рабочих сред в прямоугольных приточных тройниках и их модифицированных вариантов;

- Конструкцию оптимизированного эжекторного тройника;

- Результаты математического моделирования течения рабочих сред в пластинчатых, трубчатых и объемных гасителях неравномерности полей скоростей;

- Разработанный новый объемный гаситель неравномерности полей скоростей;

- Конструкцию входного углового патрубка для осевых компрессоров с равномерным полем скоростей перед входом воздуха в первую ступень.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемых источников и изложена на 195 страницах и содержит 183 рисунков, 15 таблиц и список литературы из 68 наименований.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРННЫХ ДАННЫХ ПО ИССЛЕДОВАНИЯМ ТРОЙНКИОВ

Как уже отмечалось во введении, в реальных установках и в трубопроводных системах реальное поле скоростей при движении в их проточных частях жидких или газообразных сред всегда неравномерно, а во многих случаях (при возникновении отрыва потока от ограничивающих поверхностей) и нестационарно.

Естественным генератором стационарной неравномерности является пограничный слой, в пределах которого скорость потока (в силу гипотезы прилипания) меняется от нуля на стенке до скорости невозмущенного силами трения потока.

При высоких числах Рейнольдса и относительно малых линейных размерах рассматриваемых каналов влияние сил вязкости распространяется в поперечном направлении на относительно небольшое расстояние от обтекаемой поверхности, и сохраняется область, где влиянием вязкости можно пренебречь.

Однако, при течении рабочих сред в длинных каналах влияние обтекаемых поверхностей распространяется на все поперечное сечение таких каналов.

В длинных трубопроводах после некоторого начального участка устанавливается стабилизированное течение с постоянной формой профиля скорости в любом поперечном сечении. При ламинарном течении это параболический профиль скорости, где максимальная продольная скорость Стах в центре трубы в два раза превышает среднерасходную скорость Сср. При ламинарном течении степень неравномерности полей скоростей Кн = Стах/Сср = 2, а при турбулентном режиме течения Кн = к(Яе) = 1,18 - 1,25.

В последнем случае степень неравномерности, Кн, уже является функцией числа Рейнольдса, что серьезно усложняет оценку среднерасходной скорости Сср, следовательно, и оценку объемного расхода движущейся среды Q = Сс^ (Г - площадь поперечного сечения трубы) по измеренной максимальной скорости.

К сожалению, приведенный пример генерации неравномерного поля скорости является, видимо, единственным примером предсказуемой неравномерности.

Совершенно другая ситуация складывается при движении рабочих сред в криволинейных каналах, где возникает отрыв потока от стенок каналов.

В этом случае возникает неравномерное и нестационарное поле скоростей с ярко выраженной вихревой структурой и с очень высокой введенной выше степенью неравномерности, зависящей от многих факторов, и меняющейся в очень широких непредсказуемых пределах.

Поскольку неравномерное и нестационарное поле скоростей является причиной не только повышенных потерь энергии, но и причиной появления динамических нагрузок на всех элементах тех или иных конструкций, то естественно, возникает проблема гашения возникшей неравномерности полей скоростей с одновременным снижением амплитуд пульсаций давления и исключением из частотного спектра этих пульсаций низкочастотной части этого спектра.

В рамках настоящей работы рассматривается два пути решения обозначенной проблемы.

В первом случае на примере тройников в трубах показана возможность решения проблемы путем конструктивных изменений тройников.

Во втором случае рассматривается возможность создания эффективных гасителей неравномерности полей скоростей с приемлемыми коэффициентами гидравлических потерь, которые с равным успехом могли бы использоваться как в трубопроводах, так и в проточных частях турбомашин.

Остановимся на тех работах, которые были выполнены ранее в рамках обозначенных проблем.

1.1. Обзор работ, посвященных исследованиям движения сред в тройниках

Местные сопротивления являются источником сильных линейных нарушений. К числу местных сопротивлений относятся тройники различных типов. Тройники могут быть применены как для слияния потоков, так и для разделения потока [1].

Тройники являются необходимыми элементами трубопроводных систем и встречаются во многих технических системах, например, в выпускном коллекторе автомобильного двигателя [2]-[4], в авиакосмической промышленности [5], в ядерной промышленности [6]-[8], в химической промышленности [9], [10] и т.д.

При проектировании трубопроводных систем необходимо оценивать, с достаточной точностью, потери давления, обусловленные различными элементами.

Для прямой трубы при турбулентном течении жидкости, потери давления (потери на трение) по длине трубопровода могут быть вычислены по формуле Дарси-Вейсбаха. В этом случае потери давления являются простой функцией от длины трубы, гидравлического диаметра, коэффициента сопротивления и от квадрата скорости потока.

Однако, потери давления в тройниках представляют собой сложную функцию от геометрии тройника и параметров потока.

В этом разделе рассмотрены различные схемы тройников круглого поперечного сечения и влияние их геометрических и режимных параметров на гидравлические потери.

1.1.1. Коэффициенты сопротивления тройников

Конструктивная схема тройника, приведенная на рис.1.1, включает прямой канал 1, боковой канал 2, расположенный в общем случае под углом в относительно канала прямого прохода, и сборный канал (канал смешения двух потоков) 3.

По функциональному назначению различают приточные тройники, где массовой расход рабочей среды в выходном сечении прямого прохода (1 - 3) G 3 равен сумме расходов в каналах 1 и

2, G3 = G1 + G2, (рис.1.1) и тройники с разделением потоков, гдеG3 = G1 -G2.

Как в первом, так и во втором случае слияние и разделение потоков сопровождается сильным нарушением всей картины течения в сборном канале 3, где коэффициент неравномерности поля скоростей в поперечном сечении сборного канала 3 снижается до 0,3 - 0,4, а стационарное течение в прямом и боковом проходах тройника на выходе из него характеризуется высокой нестационарностью с очень большими амплитудами пульсаций давления. Наибольшие возмущения возникают в прямоугольных тройниках приточного типа, схема которого изображена на рис.1.2.

В силу сказанного именно тройник этого типа и был принят нами базовым при оптимизации конструкции тройников, обладающих сниженными гидравлическими потерями и в минимальной степени нарушающих равномерность полей скоростей.

Для оценки гидравлического сопротивления тройников используются обычно коэффициент сопротивления прямого прохода £1-3 и коэффициент сопротивления бокового прохода £2-3, представляющие собой отношение потери давления Др. 3 (/ = 1, 2) к скоростному напору в выходном

сечении тройника '3 (р3 и С3 - среднерасходные значения плотности и скорости в выходном сечении).

Покажем, от каких безразмерных параметров зависят указанные коэффициенты на примере коэффициента потерь £^3 бокового прохода.

В общем случае при слиянии двух потоков с различными теплофизическими свойствами абсолютные потери давления бокового потока на участке 2 - 3 (рис.1.1) определяется следующим функциональным соотношением [11]

ДР2-3 =№,*г,2,ад,73,л,А,ЦАД,м,г) , (1.1)

где 62, 63 объемные расходы; отношения удельных теплоемкостей; ^г2, Ят3 газовые

постоянные; 72,73статические температуры;Р2,РЪ плотности; ~Оъ внутренние диаметры в обозначенных сечениях; А угол ответвления; Д шероховатость внутренней поверхности; ц динамическая вязкость и г радиус скругления места стыка бокового ответвления со сборным каналом (рис.1.2).

Рис. 1.1. Схема течения жидкости в тройнике обычной формы со слиянием потоков[ 11]

Рис.1.2. Схема приточного прямоугольного тройника

Перейдем далее от размерного функционального уравнения (1.1) к его безразмерной записи, обозначив отношение объемных расходов q = Q2/Q3, а отношение площадей поперечного сечения

/ = Ъ = / = =

Таким образом, функциональное соотношение, определяющее боковое сопротивления тройника, будет имеет вид

р02- р 03 Д г

р °3 °3

или

Д г

^23 = ^,^3,М2,М3,/ А^^),

(12)

где Ъ - площадь прямого прохода; ^ - площадь бокового подвода; ^ - площадь сборного канала; С, С2 и С3 скорости потоков; М число Маха и Яг число Рейнольдса в обозначенном сечении.

Поскольку при одинаковых теплофизических свойствах потоков к*2 =к3 =к и М3 есть функция М2, то:

Д г

^23 = <?>0?,м3/ А д-^д-),

(1.3)

Согласно результатам исследований [11], [12] приReз > 105, влиянием числа Рейнольдса

PC,D

Re3 =- на коэффициент сопротивления можно пренебречь. Поскольку рассматриваем только

М

прямоугольный тройник (6 = 90°), то и этот параметр выпадает из соотношения (1.3). Кроме того, в большинстве случаев скорости потоков в тройниках не превышают 40% от скорости звука ( М 3 < 0,4), то и этот параметр следует учитывать только для тройников специального назначения.

С учетом сказанного:

¿23 =?(q f ,6,D3,D3), (1.4)

При определении коэффициентов сопротивления в результате математического моделирования или путем прямого физического эксперимента, коэффициенты ¿¿.3 определяются по следующим формулам [11], [13]:

¿¿. 3 = Р0. ~ Р 03 , (1.5)

' Р 03 " Р 3

где i = 1,2 соответственно для прямого и бокового проходов, p0 обозначает давление полного торможения и p статическое давление.

Вопросу определения коэффициентов сопротивления тройников со слиянием потоков и разделением потока в настоящее время посвящено большое количество экспериментальных и численных исследований.

Как правило, потери давления в тройниках определяются опытным путем. Имеется ряд опытных данных коэффициентов сопротивления тройников с различными отношениями площадей поперечного сечения и углами ответвлений. Остановимся на этих исследованиях.

1.1.2. Результаты предшествующих исследований течений в тройниках различных конструкций

Наиболее обширные справочные данные, полученные D.S. Miller [14], [15] и другими авторами были собраны в ESDU 73023 «справочник по гидравлическим сопротивлениям тройников со слиянием потоков» [16], в ESDU 73022 «справочник по гидравлическим сопротивлениям

тройников со разделением потока» [17], а также в справочнике Идельчика И.Е. [1], где представлены опытные данные по гидравлическим сопротивлениям тройников в зависимости от режимных и геометрических параметров.

Все эти экспериментальные данные по коэффициентам сопротивления тройников были получены при отношении площадей f , изменяющихся от единицы до 10 в пределах изменения относительного расхода через боковой канал q от нуля до единицы.

Marc Serre и др. [18] исследовали прямоугольный тройник обычной формы со слиянием потоков при f, изменяющихся от 4,8 до 50 в пределах изменения q от нуля до единицы.

Ito и Imai [19] и Oka и др. [20] также проводили обширное экспериментальное испытание прямоугольных тройников при больших значениях f .

Были проведены экспериментальное и численное исследования с целью изучения характера течения жидкости в каналах тройника со слиянием потоков и с углом ответвления в = 450 при различных числах Рейнольдса на входе (от 250 до 1650) Ethier и др. [21].

Коэффициенты сопротивления прямоугольного тройника обычной формы с отношением площадей f = 11,44 для различных конфигураций с пятью углами ответвления (в = 450,600,900,1200и 1350 ) определены опытным путем в работе Oka и Ito [22].

Costa и др. [23] исследовали прямоугольный тройник обычной и улучшенной формой (с закруглением бокового канала) и рассматривали влияние отношения расхода и числа Рейнольдса на гидравлические сопротивления тройника.

Экспериментальные данные для стационарного течения сжимаемой жидкости в тройниках, в отличие от несжимаемых жидкостей, ограничены и немногочисленны. Более того, эти данные или несопоставимы, или ограничены небольшим диапазоном изменения числа Маха.

Первые опытные данные с использованием воздуха в качестве испытательной жидкости были получены Benson и Woollatt [24] в поворотных коленах и в прямоугольных тройниках, хотя коэффициенты сопротивления были вычислены и представлены как для несжимаемой жидкости.

Коэффициент сопротивления в прямоугольном тройнике с острой кромкой пересечения (место стыка) бокового подвода с прямым проходом до максимального числа Маха 0,37 также был получен Dadone [25], что соответствует несжимаемой жидкости.

Morimune и др. [26] проводили испытание промышленных прямоугольных тройников с различными значениями внутренней шероховатости и различными радиусами скругления кромок r. В этой работе тоже коэффициенты сопротивления были найдены по формулам, справедливым для несжимаемой жидкости.

Единственные всесторонние опытные данные для сжимаемой жидкости при стационарном течении были выполнены в работе Abou-Haidar и Dixon [12], [27] и Perez-Garcia и д. [12], [28], [29], где исследовались тройники с различными углами в и различными отношениями расходов в широком диапазоне чисел Маха вплоть до условий запирания потока в них, и показано, что коэффициенты сопротивления меняются с изменением числам Маха.

В [12], [28], [29] были проведены испытания для определения коэффициентов сопротивления прямоугольных тройников одинаковых диаметров и авторами была разработана оригинальная методика получения коэффициентов сопротивления в тройниках для сжимаемой жидкости.

Самое последнее экспериментальное исследование относится к работе Wang и др. [11]. Испытание проводилось с целью определения коэффициентов сопротивления в тройниках с углом ответвления в = 45° при различных отношениях площадей в диапазоне чисел Маха от 0,1 до 0,6. Результаты испытания показали, что коэффициенты сопротивления зависят от числа Маха в сборном канале, от отношения расхода бокового подвода к суммарному расходу в сборном канале и от отношения площадей и почти независимы от числа Рейнольдса.

В настоящее время наряду с экспериментальным исследованием, применяется и метод численного моделирования для расчета коэффициентов сопротивления и изучения движения рабочей среды в тройниках. К исследованиям с использованием метода численного моделирования относятся работы авторов [5], [12], [30].

Тройники, обеспечивающие слияние двух потоков, вносят очень сильные возмущения. Эти возмущения оказываются наибольшими для прямоугольного тройника при слиянии потоков под углом 90°. Схема течения жидкости для прямоугольного тройника, используемого для слияния двух потоков приведена на рис.1.3.

Согласно приведенной схеме (рис. 1.3), поток, движущийся в прямом проходе, поджимается боковым потоком к верхней стенке и в свою очередь отклоняет боковой поток от вертикального направления, пытаясь прижать его к нижней стенке канала.

На схеме выделены три характерные зоны. Зоны I и II постоянно заняты течения потоками прямого и бокового каналов. Зона III является областью отрывного течения.

Изменение направления движения бокового подвода вызывает отрыв потока от стенки сборного канала с правой стороны от бокового канала и образование вихревой зоны с низким давлением и рециркуляционного движения внутри этой зоны. Размер зоны вихревого движения зависит главным образом от геометрических параметров тройника (от радиуса г и отношений площадей) и отношения расходов. Процесс смешения потоков в рассматриваемом тройнике сопровождается потерями энергии и вызывает сильную вибрацию всего тройникового узла [13],[31].

Рис. 1.3. Схема течения рабочей среды для прямоугольного тройника со слиянием прямого и бокового потоков

С практической точки зрения представляет интерес работа [13], посвященная экспериментальному исследованию приточных тройников, проведенных на воздушном стенде при изменении числа МахаМ3 в выходном сечении от 0,2 до 0,66 в области автомодельности по числу

Re3 (Яе3 > 2.105).

Испытания моделей тройников проводились при одинаковом диаметре каналов Б = 40,4мм и при значениях угла# = 90°,120°и 150°. Для стабилизации потока на входном участке прямого

[13]

прохода устанавливалось конфузорное сопло, обеспечивающее равномерное поле скоростей на входе в тройник.

Статическое давление измерялось в шести точках по длине каждого канала. При этом последняя точка измерения давления находилась на расстоянии 65 см от места пересечения осей прямого и бокового рукавов.

В каждом сечении исследуемого тройника среднее статическое давление было получено посредством пьезометрического кольца, соединенного с четырьмя равномерно расположенными отверстиями по окружности канала. Визуализация течения в тройнике осуществлялась с помощью Шлирен - съемки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Падашмоганло Тохид, 2019 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик; под ред. М.О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.

2. Bassett, M. D. Steady-Flow Loss-Coefficient Estimation for Exhaust Manifold Pulse-Converter Type Junctions / M. D. Bassett, R. J. Pearson, D. E. Winterbone, R. Sierens // SAE Technical Paper. - 1999. - No. 1999-01-0213. pp. 18.

3. Bassett, M.D. Modelling engines with pulse converted exhaust manifolds using one-dimensional techniques / M.D. Bassett, D.E Winterbone., R.J. Pearson // SAE transactions. - 2000. - pp.400415.

4. Fu, H. Computation of three-dimensional turbulent flows in a pipe junction with reference to engine inlet manifolds / H. Fu, M.J. Tindal, A.P. Watkins, M. Yianneskis // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. - 1992. - Vol. 206. -Issue 4. - pp.285-296.

5. Li, X. Flow field and pressure loss analysis of junction and its structure optimization of aircraft hydraulic pipe system / X. Li, S. Wang // Chinese Journal of Aeronautics. - 2013. - Vol. 26. - Issue 4. - pp.1080-1092.

6. Frank, T. Simulation of turbulent and thermal mixing in T-junctions using URANS and scale-resolving turbulence models in ANSYS CFX / T. Frank, C. Lifante, H.M. Prasser, F. Menter // Nuclear Engineering and Design. - 2010. - Vol. 240. - Issue 9. - pp.2313-2328.

7. Lu, T. Large-eddy simulation of thermal stratification in a straight branch of a tee junction with or without leakage / T. Lu, X.G. Zhu, H.T. Li // Progress in Nuclear Energy. - 2013. - Vol. 64. - pp.4146.

8. Walker, C. Investigations on mixing phenomena in single-phase flow in a T-junction geometry / C. Walker, M. Simiano, R. Zboray, H.M. Prasser // Nuclear Engineering and Design. - 2009. - Vol. 239. - Issue 1. - pp.116-126.

9. Adeosun, J.T. Numerical and experimental studies of mixing characteristics in a T-junction microchannel using residence-time distribution / J.T. Adeosun, A. Lawal // Chemical Engineering Science. - 2009. - Vol. 64. - Issue 10. - pp.2422-2432.

10. Naik-Nimbalkar, V.S. Thermal mixing in T-junctions / V.S. Naik-Nimbalkar, A.W. Patwardhan, I. Banerjee, G. Padmakumar, G. Vaidyanathan // Chemical Engineering Science. - 2010. - Vol. 65. -Issue 22. - pp.5901-5911.

11. Wang, W. An experimental study of compressible combining flow at 45 T-junctions / W. Wang, Z. Lu, K. Deng, S. Qu // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of

Mechanical Engineering Science. - 2015. - Vol. 229. - Issue 9. - pp.1600-1610.

12. Pérez-García, J. Numerical and experimental investigations on internal compressible flow at T-type junctions / J. Pérez-García, E. Sanmiguel-Rojas, J. Hernández-Grau, A. Viedma // Experimental thermal and fluid science. - 2006. - Vol. 31. - Issue 1. - pp.61-74.

13. Abou-Haidar, N.I. Pressure losses in combining subsonic flows through branched ducts / N.I. Abou-Haidar, S.L. Dixon // In ASME 1990 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition. - 1990. - Vol. 1: Turbomachinery. - No. 90-GT-134. - pp. V001T01A041

14. Miller, D. S. Internal flow system / D. S. Miller. - Cranfield, Bedford, UK: British Hydromechanics Research Association, 1990. - 396 c.

15. Miller, D.S. A guide to losses in pipe and duct systems / D. S. Miller. - UK: The British Hydromechanics Research Association, 1971. - 329 c.

16. ESDU 73023: Pressure losses in three-leg pipe junctions: combining flows. - UK: ESDU International PLC, 1973.

17. ESDU 73022: Pressure losses in three-leg pipe junctions: dividing flows. - UK: ESDU International PLC, 1973.

18. Serre, M. Energy loss at combining pipe junction / M. Serre, A.J. Odgaard, R.A. Elder // Journal of Hydraulic Engineering. - 1994. - Vol. 120. - Issue 7. - pp.808-830.

19. Ito, H. Energy losses at 90 pipe junctions / H. Ito, K. Imai // Journal of the Hydraulics Division. -1973. - Vol. 99. - Issue 9. - pp.1353-1368.

20. Oka, K. Energy losses due to combination of flow at tees / K. Oka, T. Nozaki, H. Ito // JSME International Journal Series B Fluids and Thermal Engineering. - 1996. - Vol. 39. - Issue 3. -pp.489-498.

21. Ethier, C.R., Steady flow separation patterns in a 45-degree junction / C.R Ethier, S. Prakash, D.A. Steinman, R.L. Leask, G.G. Couch, M. Ojha // Journal of Fluid Mechanics. - 2000. - Vol. 411. -pp.1-38.

22. Oka, K. Energy losses at tees with large area ratios / K. Oka, H. Ito // Journal of fluids engineering. - 2005. - Vol. 127. - Issue 1. - pp. 110-116.

23. Costa, N.P. Edge Effects on the Flow Characteristics in a 90 deg Tee Junction / N.P. Costa, R. Maia, M.F. Proeja, F.T. Pinho // Journal of Fluids Engineering. - 2006. - Vol. 128. - Issue 6. - pp.12041217.

24. Benson, R.S. Unsteady Flow in Simple Branch Systems / R.S. Benson, D. Woollatt, W.A Woods // In Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Conference Proceedings. - 1963. - Vol. 178. - Issue 9. - pp. 24-49.

25. Dadone, A. Perdite di carico nelle giunzioni / A. Dadone // Istit. di Macchine e Motori per Aeromobili. - 1973.

26. MORIMUNE, T. Study of Compressible High Speed Gas Flow in Piping System / T. MORIMUNE, N. HIRAYAMA, T. MAEDA // 3rd Report, Flow Characteristics in Junctions. Bulletin of JSME. -1981. - Vol. 24. - Issue 198. - pp.2082-2089.

27. Abou-Haidar, N.I. Measurement of compressible flow pressure losses in wye-junctions / N.I. Abou-Haidar, S.L. Dixon // Journal of turbomachinery. - 1994. - Vol. 116. - Issue 3. - pp.535-541.

28. Pérez-García, J. New experimental correlations to characterize compressible flow losses at 90-degree T-junctions / J. Pérez-García, E. Sanmiguel-Rojas, A. Viedma // Experimental Thermal and Fluid Science. - 2009. - Vol. 33. - Issue 2. - pp.261-266.

29. Pérez-García, J. New coefficient to characterize energy losses in compressible flow at T-junctions / J. Pérez-García, E. Sanmiguel-Rojas, A. Viedma // Applied Mathematical Modelling. - 2010. - Vol. 34. - Issue 12. - pp.4289-4305.

30. Gan, G. Numerical determination of energy losses at duct junctions / G. Gan, S.B. Riffat // Applied energy. - 2000. - Vol. 67. - Issue 3. - pp.331-340.

31. Зарянкин, В.А. Аэродинамические методы повышения экономичности и надежности элементов тепломеханического оборудования ТЭС: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.12 / Зарянкин Владислав Аркадьевич. - М.: МЭИ., 2000. - 190 с.

32. Hager, W.H. An approximate treatment of flow in branches and bends / W.H. Hager // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. -1984. - Vol. 198. - Issue 1. - pp.63-69.

33. Gardel, A. Les pertes de charge dans les Ecoulements au travers de branchement en te / A. Gardel // Bulletin Technique de la Suisse Romande. - 1957. - Vol. 9. - pp.123-130.

34. Bassett, M.D. Calculation of steady flow pressure loss coefficients for pipe junctions / M.D. Bassett, D.E. Winterbone, R.J. Pearson // Proceedings of the institution of mechanical engineers, part C: Journal of Mechanical Engineering Science. - 2001. - Vol. 215. - Issue 8. - pp.861-881.

35. Таганов, Г.И. Выравнивающее действие сетки в потоках жидкости и газов. / Г.И. Таганов // Труды ЦАГИ. - 1947. - Вып. 604.

36. Парамонов, А.Н. Разработка и исследование систем нерегулируемых отборов турбин ТЭС и АЭС: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.04.12 / Парамонов Андрей Неонович. - М.: МЭИ., 1990. - 20 с.

37. Фаузи Шабан, Аттия Абу-Талеб. Исследование и совершенствование широкоугольных диффузоров с целью повышения эффективности теплотехнического оборудования и

элементов паровых турбин: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.12 / Фаузи Шабан Аттия Абу-Талеб. - М.: МЭИ, 1994. - 149 с.

38. Истомин, С.А. Совершенствование дроссельно-регулирующих и предохранительных клапанов и пути снижения их влияния на вибрационное состояние последующих трубопроводов: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.04.12 / Истомин Сергей Александрович.

- М.: МЭИ, 2005. - 31 с.

39. Готовцев, А.М. Разработка и исследование систем стабилизации течения пара в выхлопных патрубках и выносных регулирующих клапанах паровых турбин: дис. . канд. техн. наук: 05.04.12 / Готовцев Андрей Михайлович. - М.: МЭИ, 2006. - 207 с.

40. Зарянкин, А.Е. Влияние типа парораспределения на экономичность цилиндров высокого давления энергетических турбин / А.Е. Зарянкин, Н.А. Зройчиков, Н.Д. Рогалёв, А.Н. Рогалёв, О.М. Митрохова // Вестник МЭИ. - 2015. - № 5. - стр. 5-9.

41. Bohn, D.E. Experimental investigations into the nonuniform flow in a 4-stage turbine with special focus on the flow equalization in the first turbine stage / D.E. Bohn, H.H.W. Funke // In ASME Turbo Expo 2003, collocated with the 2003 International Joint Power Generation Conference. -2003. - Vol. 6: Turbo Expo 2003, Parts A and B. - pp. 281-289.

42. Фичоряк, О.М. Исследование и разработка способов повышения эффективности работы мощных теплофикационных турбин: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.04.12 / Фичоряк Ольга Михайловна. - М.: МЭИ, 2007. - 20 с.

43. Бирюков, А.В. Повышение экономичности цилиндра высокого давления паротурбинной установки малой мощности на основе экспериментальных исследований: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.04.12 / Бирюков Алексей Валерьевич. - СПБ.: СПБПУ, 2011. - 17 с.

44. Голушко, А.Н. Совершенствование камеры за регулирующей ступенью паротурбинной установки на основе численного моделирования: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.04.12 / Голушко Андрей Николаевич. - СПБ.: СПБГПУ, 2011. - 16 с.

45. Khorsand, K. Investigation of Flow Pattern and Pressure Loss of Av94. 2.5 Gas Turbine Air Intake System Using 3D Numerical Modeling / K. Khorsand, S.M.H. Karimian, M. Varmaziar, S. Sarjami // CONTINUUM MECHANICS, FLUIDS, HEAT. - 2008. - pp. 273-278.

46. Черников, В.А. Повышение эффективности входных трактов, ступеней и выходных диффузоров стационарных газовых турбин для комбинированных газопаровых установок: дис. ... док. техн. наук: 05.04.12 / Черников Виктор Александрович. - СПБ.: СПБГПУ, 2012.

- 200 с.

47. Михайлов, В.Е. Исследования и оптимизация характеристик входного патрубка осевого компрессора установки ГТЭ-110 / В.Е. Михайлов, Л.А. Хоменок, В.В. Шерапов, Б.В. Нечкин, Н.А. Рябов, М.Р. Гасуль // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2010. -Том 3. - № 45. - стр. 21-25.

48. Михайлов, В.Е. Создание высокоэффективных воздухозаборных трактов для энергетических газотурбинных и парогазовых установок турбомашины и комбинированные турбоустановки: автореф. дис. ... док. техн. наук: 05.04.12 / Михайлов Владимир Евгеньевич. - СПБ.: СПБГПУ, 2009 - 40 с.

49. Бодров, А.И. Газодинамический анализ и совершенствование конструкции всасывающего патрубка компрессора газотурбинной установки ГТЭ-160 / А.И. Бодров, Г.В. Степанов // Энергетические машины и установки. - 2009. - № 1. - стр. 15-18.

50. Бодров, А.И. Исследование газодинамических характеристик всасывающих патрубок осевых компрессоров ГТУ при повороте этих патрубок относительно силовых ребер / А.И. Бодров, Г.В. Степанов // Энергетические машины и установки. - 2009. - № 2. - стр. 49-54.

51. Khan, J.R. Investigation of cooling effectiveness of gas turbine inlet fogging location relative to the silencer / J.R. Khan, T. Wang, M. Chaker // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. -2012. - Vol. 134. - Issue 2. - pp. 022001-022009.

52. ГОСТ 8.586.1-2005 (ISO 5167-1:2003) Государственная система обеспечения единства измерений. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 1. Принцип метода измерений и общие требования. - М.: Стандартинформ, 2007.

53. Монин, А.С. Статистическая гидромеханика: монография / А.С. Монин, А.М. Яглом. - М.: Наука, 1965. - 640 с.

54. Keller, L. Дифференциальные уравнения турбулентного движения сжимаемой жидкости (Differentialgleichung für die turbulente Bewegung einer kompressiblen Flüssigkeit) / L. Keller, A. Friedmann // Proceedings of 1st International Congress of Applied Mechanics, Delft. - 1924. - pp. 395-405.

55. Qian, S. Classification of Flow Patterns in Angled T-Junctions for the Evaluation of High Cycle Thermal Fatigue / S. Qian, J. Frith, N. Kasahara // Journal of Pressure Vessel Technology. - 2015. - Vol. 137. - Issue 2. - pp.021301-021307.

56. Kamide, H. Study on mixing behavior in a tee piping and numerical analyses for evaluation of thermal striping / H. Kamide, M. Igarashi, S. Kawashima, N. Kimura, K. Hayashi // Nuclear Engineering and Design. - 2009. - Vol. 239. - Issue 1. - pp. 58-67.

57. Hosseini, S.M. Experimental investigation of flow field structure in mixing tee / S.M. Hosseini, K. Yuki, H. Hashizume // Journal of Fluids Engineering. - 2009. - Vol. 131. - Issue 5. - pp. 051103-1 -051103-7.

58. Hosseini, S.M. Classification of turbulent jets in a T-junction area with a 90-deg bend upstream / S.M. Hosseini, K. Yuki, H. Hashizume // International Journal of heat and mass transfer. - 2008. -Vol. 51. - Issue 9-10. - pp.2444-2454.

59. Зарянкин, А. Е. Механика несжимаемых и сжимаемых жидкостей: учебник для вузов / А.Е. Зарянкин. - М.: Издательский дом МЭИ, 2014. - 592 с.

60. Sudo, K. Experimental investigation on turbulent flow in a circular-sectioned 90-degree bend / K. Sudo, M. Sumida, H. Hibara // Experiments in Fluids. - 1998. - Vol. 25. - Issue 1. - pp.42-49.

61. Tanaka, M. Numerical investigation on large scale eddy structure in unsteady pipe elbow flow at high Reynolds number conditions with large eddy simulation approach / M. Tanaka, H. Ohshima // Journal of Power and Energy Systems. - 2012. - Vol. 6. - Issue 2. - pp.210-228.

62. Dutta, P. Numerical study on flow separation in 90 pipe bend under high Reynolds number by k-s modelling / P. Dutta, S.K. Saha, N. Nandi, N. Pal // Engineering Science and Technology, an International Journal. - 2016. - Vol. 19. - Issue 2. - pp.904-910.

63. Kim, J. Characteristics of secondary flow induced by 90-degree elbow in turbulent pipe flow / J. Kim, M. Yadav, S. Kim // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. - 2014. -Vol. 8. - Issue 2. - pp.229-239.

64. Zaryankin, A.E. New Flow Conditioners as a Means of Enhancing the Reliability and Efficiency of Power Equipment / A.E. Zaryankin, N.K. Rogalev, A.N. Rogalev, A.A Kocherova, G.N. Kurdiukova // Modern Applied Science. - 2016. - Vol. 10. - No. 2. - pp.172-184.

65. SDI Flow Conditioner. URL: https://www.badgermeter.de/en/products-solutions/flow-

measurement-technol ogy/595-sdi-fl ow-conditi oner/

66. ГОСТ 8.586.2-2005 (ISO 5167-2:2003) Государственная система обеспечения единства

измерений. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 2. Диафрагмы - технические требования. - М.: Стандартинформ, 2007.

67. ГОСТ 8.586.3-2005 (ISO 5167-3:2003) Государственная система обеспечения единства измерений. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 3. Сопла и сопла Вентури. - М.: Стандартинформ, 2007.

68. ГОСТ 8.586.4-2005 (ISO 5167-4:2003) Государственная система обеспечения единства измерений. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 4. Трубы Вентури. - М.: Стандартинформ, 2007.