mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2023.9.1422-1432mgssuvest-50Research ArticleГидравлика. Геотехника. Гидротехническое строительствоHydraulics. Geotechnique. Hydrotechnical constructionЭкспериментальный стенд для физического моделирования течений в проточном тракте гидротурбинExperimental stand for physical modelling of flows in the flow path of hydraulic turbineshttps://orcid.org/0000-0002-6900-2704ОреховГ. В.OrekhovG. V.

Генрих Васильевич Орехов — доктор технических наук, доцент, профессор кафедры гидравлики и гидротехнического строительства

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

Genrikh V. Orekhov — Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor of the Department of Hydraulics and Hydraulic Engineering

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

orehov_genrih@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4188-268XСклядневМ. К.SklyadnevM. K.

Михаил Константинович Скляднев — аспирант кафедры гидравлики и гидротехнического строительства

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

Mikhail K. Sklyadnev — postgraduate student of the Department of Hydraulics and Hydraulic Engineering

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

m.kons20@mail.ruНациональный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)РоссияMoscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)Russian Federation20232909202318914221432Copyright © Орехов Г.В., Скляднев М.К., 20232023Орехов Г.В., Скляднев М.К.Orekhov G.V., Sklyadnev M.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/50Введение

Введение. В гидротехническом строительстве широко используются закрученные потоки, в частности в водосбросных системах гидроузлов и гасителях кинетической энергии. Описывается экспериментальная установка для исследования циркуляционных течений бесконтактным лазерным объемным методом. Приводятся принцип метода и основные характеристики регистрирующей аппаратуры. Данная установка позволяет проводить физическое моделирование сложных течений с получением кинематических и динамических характеристик потока.

Материалы и методы

Материалы и методы. Изучение различных физических явлений требует соблюдения определенных законов моделирования. При моделировании гидродинамических явлений нужно соблюдать геометрическое, кинематическое и динамическое подобия. Одним из наиболее важных понятий любых видов моделирования является критерий подобия. На основании этих критериев создан экспериментальный стенд. Воздушный поток генерируется аэродинамической трубой AeroLab. В качестве измерительной аппаратуры используется PIV-система, состоящая из двух камер Imager HS и лазера NL 200-15. Для закрутки потока применяется модель локального лопаточного монозавихрителя осевого типа. В роли частиц индикаторов для съемки выступает синтетическое масло.

Результаты

Результаты. Разработаны экспериментальный стенд для модельных исследований вихревых потоков в проточном тракте гидротурбины, оптимальная схема расстановки измерительной аппаратуры и получены эпюры распределения скоростей вдоль и поперек потока.

Выводы

Выводы. Разработанная схема расстановки аппаратуры позволяет получать качественные снимки потока, пригодные для дальнейшей обработки. Построенные в результате экспериментов эпюры распределения скоростей соответствуют ранее полученным другими исследователями. Созданный экспериментальный стенд сможет использоваться для выполнения широкого ряда задач, например для исследования возможности использования спиральных камер в качестве водосбросов с контрвихревыми гасителями энергии.

Introduction

Introduction. Swirling flows are widely used in hydraulic engineering particularly in the spillway systems of hydroelectric systems and kinetic energy absorbers. An experimental setup for the study of circulation flows by non-contact laser volumetric method is described. The principle of the method and the main characteristics of the recording equipment are given. This installation allows to carry out physical modelling of complex flows to obtain kinematic and dynamic characteristics of the flow.

Materials and methods

Materials and methods. The study of various physical phenomena requires compliance with certain modelling laws. When modelling hydrodynamic phenomena, it is necessary to observe geometric, kinematic and dynamic similarities. One of the most important concepts of any kind of modelling is similarity criteria. Based on these criteria, an experimental stand is designed. The air flow is generated by AeroLab wind tunnel. PIV system consisting of two Imager HS cameras and NL 200-15 laser is used as measuring equipment. To swirl the flow, a local mono-vortex axial type vane swirler is used. Synthetic oil is used as indicator particles for imaging.

Results

Results. An experimental stand for modelling studies of vortex flows in the flow path of a hydraulic turbine, an optimal scheme for the arrangement of measuring equipment was developed and velocity distribution diagrams along and across the flow were obtained.

Conclusions

Conclusions. The developed scheme of instrumentation arrangement allows obtaining high-quality images of the flow suitable for further processing. The velocity distribution diagrams constructed as a result of the experiments correspond to those previously obtained by other researchers. The created experimental stand can be used to fulfill a wide range of tasks, for example, to study the possibility of using spiral chambers as spillways with counter-vortex energy dampers.

закрученные потокимодельная установкалазерные системыскорость течениявихревой гасительэнергия потокацифровая трассерная визуализацияэкспериментальный стендгидротурбинаswirling flowsmodel installationlaser systemsflow velocityvortex damperflow energyParticle Image Velocimetryexperimental standhydraulic turbineReferencesAdrian R.J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics // Annual Review of Fluid Mechanics. 1991. Vol. 23. Issue 1. Pp. 261–304. DOI: 10.1146/annurev.fl.23.010191.001401Adrian R.J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Annual Review of Fluid Mechanics. 1991; 23(1):261-304. DOI: 10.1146/annurev.fl.23.010191.001401Yang Y., Zhu H. Fluid-solid drag models selection for simulating wheat straw particle movement in anaerobic digester // International Journal of Agricultural and Biological Engineering. 2023. Vol. 16. Issue 2. Pp. 249–258. DOI: 10.25165/j.ijabe.20231602.8003Yang Y., Zhu H. Fluid-solid drag models selection for simulating wheat straw particle movement in anaerobic digester. International Journal of Agricultural and Biological Engineering. 2023; 16(2):249-258. DOI: 10.25165/j.ijabe.20231602.8003Zhang H.Y., Wen S., Chen C.L., Liu Q., Xu T.Y., Chen S.D. Downwash airflow field distribution characteristics and their effect on the spray field distribution of the DJI T30 six-rotor plant protection UAV // International Journal of Agricultural and Biological Engineering. 2023. Vol. 16. Issue 2. Pp. 10–22. DOI: 10.25165/j.ijabe.20231602.8094Zhang H.Y., Wen S., Chen C.L., Liu Q., Xu T.Y., Chen S.D. Downwash airflow field distribution characteristics and their effect on the spray field distribution of the DJI T30 six-rotor plant protection UAV. International Journal of Agricultural and Biological Engineering. 2023; 16(2):10-22. DOI: 10.25165/j.ijabe.20231602.8094Zhan Y., Chen P., Xu W., Chen S., Han Y., Lan Y. et al. Influence of the downwash airflow distribution characteristics of a plant protection UAV on spray deposit distribution // Biosystems Engineering. 2022. Vol. 216. Pp. 32–45. DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2022.01.016Zhan Y., Chen P., Xu W., Chen S., Han Y., Lan Y. et al. Influence of the downwash airflow distribution characteristics of a plant protection UAV on spray deposit distribution. Biosystems Engineering. 2022; 216:32-45. DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2022.01.016Das T., Usher S.P., Batstone D.J., Rees C.A., Stickland A.D., Eshtiaghi N. Shear and solid-liquid separation behaviour of anaerobic digested sludge across a broad range of solids concentrations // Water Research. 2022. Vol. 222. P. 118903. DOI: 10.1016/j.watres.2022.118903Das T., Usher S.P., Batstone D.J., Rees C.A., Stickland A.D., Eshtiaghi N. Shear and solid-liquid separation behaviour of anaerobic digested sludge across a broad range of solids concentrations. Water Research. 2022; 222:118903. DOI: 10.1016/j.watres.2022.118903Neuner T., Meister M., Pillei M., Koch M., Rauch W. Numerical and experimental flow investigation using ultrasonic PIV for optimizing mechanically agitated lab-scale anaerobic digesters // Chemical Engineering Science. 2022. Vol. 264. P. 118129. DOI: 10.1016/j.ces.2022.118129Neuner T., Meister M., Pillei M., Koch M., Rauch W. Numerical and experimental flow investigation using ultrasonic PIV for optimizing mechanically agitated lab-scale anaerobic digesters. Chemical Engineering Science. 2022; 264:118129. DOI: 10.1016/j.ces.2022.118129Li L., Wang K., Wei L., Zhao Q., Zhou H., Jiang J. CFD simulation and performance evaluation ofgas mixing during high solids anaerobic digestion of food waste // Biochemical Engineering Journal. 2022. Vol. 178. P. 108279. DOI: 10.1016/j.bej.2021.108279Li L., Wang K., Wei L., Zhao Q., Zhou H., Jiang J. CFD simulation and performance evaluation of gas mixing during high solids anaerobic digestion of food waste. Biochemical Engineering Journal. 2022; 178:108279. DOI: 10.1016/j.bej.2021.108279Sheikh A.H., Savari C., Barigou M. A data-driven stochastic model for velocity field and phase distribution in stirred particle-liquid suspensions // Powder Technology. 2022. Vol. 411. P. 117940. DOI: 10.1016/j.powtec.2022.117940Sheikh A.H., Savari C., Barigou M. A data-driven stochastic model for velocity field and phase distribution in stirred particle-liquid suspensions. Powder Technology. 2022; 411:117940. DOI: 10.1016/j.powtec.2022.117940Litvinov I., Shtork S., Gorelikov E., Mitrya-kov A., Hanjalic K. Unsteady regimes and pressure pulsations in draft tube of a model hydro turbine in a range of off-design conditions // Experimental Thermal and Fluid Science. 2018. Vol. 91. Pp. 410–422. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2017.10.030Litvinov I., Shtork S., Gorelikov E., Mitrya-kov A., Hanjalic K. Unsteady regimes and pressure pulsations in draft tube of a model hydro turbine in a range of off-design conditions. Experimental Thermal and Fluid Science. 2018; 91:410-422. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2017.10.030Mikhailov I.E. Graphical-and-analytical method for designing reinforced-concrete scroll casings of water turbines based on laws of variation in cross-section average tangential velocities // Power Technology and Engineering. 2018. Vol. 52. Issue 3. Pp. 303–307. DOI: 10.1007/s10749-018-0949-6Mikhailov I.E. Graphical-and-analytical method for designing reinforced-concrete scroll casings of water turbines based on laws of variation in cross-section average tangential velocities. Power Technology and Engineering. 2018; 52(3):303-307. DOI: 10.1007/s10749-018-0949-6Mikhailov I.E. An analytic method of calculating the spirals of the turbine pits of hydraulic turbines based on different laws of variation of the average circumferential velocity in cross-sections along the length of the spiral // Power Technology and Engineering. 2019. Vol. 52. Issue 5. Pp. 541–547. DOI: 10.1007/s10749-019-00988-zMikhailov I.E. An analytic method of calculating the spirals of the turbine pits of hydraulic turbines based on different laws of variation of the average circumferential velocity in cross-sections along the length of the spiral. Power Technology and Engineering. 2019; 52(5):541-547. DOI: 10.1007/s10749-019-00988-zZuikov A.L. Formation of spray cone of free jet during ejection of convoluted flow to the atmosphere // Power Technology and Engineering. 2012. Vol. 45. Issue 6. Pp. 435–440. DOI: 10.1007/s10749-012-0290-4Zuikov A.L. Formation of spray cone of free jet during ejection of convoluted flow to the atmosphere. Power Technology and Engineering. 2012; 45(6):435-440. DOI: 10.1007/s10749-012-0290-4Orekhov G. Hydraulic spillways using the effect of interacting circulation currents // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 365. P. 042023. DOI: 10.1088/1757-899X/365/4/042023Orekhov G. Hydraulic spillways using the effect of interacting circulation currents. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018; 365:042023. DOI: 10.1088/1757-899X/365/4/042023Waldrop M.T. Experimental characterization and modeling of gaseous cavitation of dodecane in a converging-diverging nozzle. Indiana, 2020. 495 p. DOI: 10.7274/8049g448f1qWaldrop M.T. Experimental characterization and modeling of gaseous cavitation of dodecane in a converging-diverging nozzle. Indiana, 2020; 495. DOI: 10.7274/8049g448f1qShapiro E. Optimization of flow through a two-way solenoid valve: a thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of science in the field of mechanical engineering. Graduate School Southern Illinois University Edwardsville, 2015. 57 p.Shapiro E. Optimization of flow through a two-way solenoid valve: a thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of science in the field of mechanical engineering. Graduate School Southern Illinois University Edwardsville, 2015; 57.Ахметбеков Е.К., Бильский А.В., Ложкин Ю.А., Маркович Д.М., Токарев М.П., Тюрюшкин А.Н. Система управления экспериментом и обработки данных, полученных методами цифровой трассерной визуализации (ActualFlow) // Вычислительные методы и программирование. 2006. Т. 7. № 3. С. 79–85. EDN IBLLAX.Akhmetbekov E.K., Bilsky A.V., Lozh-kin Yu.A., Markovich D.M., Tokarev M.P., Tyuryushkin A.N. Experiment control and data processing system obtained by digital tracer visualization (ActualFlow). Numerical Methods and Programming. 2006; 7(3):79-85. EDN IBLLAX. (rus.).Токарев М.П., Маркович Д.М., Бильский А.В. Адаптивные алгоритмы обработки изображений частиц для расчета мгновенных полей скорости // Вычислительные технологии. 2007. Т. 12. № 3. С. 109–131.Tokarev M.P., Markovich D.M., Bilsky A.V. Adaptive algorithms for PIV image processing. Computational Technologies. 2007; 12(3):109-131. (rus.).Маркович Д.М., Токарев М.П. Алгоритмы реконструкции трехкомпонентного поля скорости в методе Stereo PIV // Вычислительные методы и программирование. 2008. T. 9. № 3. С. 311–326. EDN JUBEZF.Markovich D.M., Tokarev M.P. Three-component velocity field reconstruction algorithms in stereo PIV. Numerical Methods and Programming. 2008; 9(3):311-326. EDN JUBEZF. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.