Экспериментальный стенд для физического моделирования течений в проточном тракте гидротурбин

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. 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. 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. 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.

1. Adrian 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.23.010191.001401

2. Yang 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.20231602.8003

3. Zhang 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.20231602.8094

4. Zhan 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.2022.01.016

5. Das 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.2022.118903

6. Neuner 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.2022.118129

7. Li 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.2021.108279

8. Sheikh 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.2022.117940

9. Litvinov 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.2017.10.030

10. Mikhailov 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/s10749-018-0949-6

11. Mikhailov 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-z

12. Zuikov 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/s10749-012-0290-4

13. Orekhov 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/365/4/042023

14. Waldrop M.T. Experimental characterization and modeling of gaseous cavitation of dodecane in a converging-diverging nozzle. Indiana, 2020. 495 p. DOI: 10.7274/8049g448f1q

15. 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 p.

16. 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.

17. 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.

18. 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.