close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Численное исследование низкочастотных пульсаций давления в отсасывающей трубе гидротурбины

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Сентябов Андрей Васильевич
ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ
В ОТСАСЫВАЮЩЕЙ ТРУБЕ ГИДРОТУРБИНЫ
01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Новосибирск — 2015
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении
науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения
Российской академии наук, г. Новосибирск
Научный руководитель:
Дектерев Александр Анатольевич, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник Лаборатории физических основ энергетических технологий Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
Официальные оппоненты:
Курзин Владимир Борисович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Лаборатории гидроаэроупругости Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН,
Черный Сергей Григорьевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий Лабораторией математического моделирования Института
вычислительных технологий СО РАН
Ведущая организация: ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический
университет Петра Великого», г. Санкт-Петербург
Защита состоится «16» декабря 2015 г. в 15:00 часов на заседании
диссертационного совета Д 003.053.01 на базе Федерального государственного
бюджетного
учреждения
науки
Институт
теплофизики
им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук по
адресу: 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, конференц-зал
ИТ СО РАН.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии
наук http://www.itp.nsc.ru
Автореферат разослан «___»___________ 201 г.
Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря
диссертационного совета. E-mail: dissovet@itp.nsc.ru
Ученый секретарь
диссертационного совета,
д.ф.-м.н., профессор
Владимир Васильевич Кузнецов
2
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Низкочастотные гидродинамические пульсации возникают при работе радиально-осевых и поворотно-лопастных гидротурбин в неоптимальных режимах. Как правило, они связаны с нестационарным закрученным потоком в отводящем диффузоре гидроагрегата, называемом отсасывающей трубой. Поток, покидающий рабочее колесо турбины,
обладает некоторой степенью закрутки, которая растёт с отдалением режима
от точки оптимума. Закрученный поток в расширяющемся канале подвержен
развитию неустойчивости – прецессирующего вихревого ядра. Индуцируемые им низкочастотные пульсации передаются по всему проточному тракту.
Величина пульсаций давления может достигать десятка процентов напора
электростанции. Для высоконапорных ГЭС это означает огромные динамические нагрузки на конструкции гидроагрегата, создающие опасность их повреждения.
Ввиду большой актуальности данной темы различными коллективами проводились экспериментальные исследования и натурные наблюдения
нестационарных процессов в гидравлических турбинах. Было показано, что
наблюдаемые вибрации связаны с прецессирующим вихревым ядром. Как
следствие, многие способы борьбы с пульсациями были направлены на
управление этим вихрём.
В практических условиях нестационарное поведение потока осложняется взаимодействием процессов различной природы. На возбуждение и
распространение гидравлических пульсаций могут оказывать влияние кавитация, гидроакустика и др. Эти явления различным образом зависят от характерных масштабов течения, что существенно затрудняет перенос результатов
исследований с экспериментальных стендов на натурные условия. По этой
причине моделирование с помощью методов вычислительной гидродинамики
становится перспективным инструментом исследования и проектирования в
энергетическом машиностроении.
Попытки использовать инструменты компьютерного моделирования
для исследования нестационарных процессов в отсасывающей трубе активно
предпринимались с начала 2000-х годов. Разным коллективам удавалось получить явление прецессии вихревого ядра и оценить основную частоту гидродинамических пульсаций. Тем не менее, интенсивность динамического
воздействия вихревого жгута и особенности его поведения в отсасывающей
трубе фактически не исследовались. По этой причине вопрос о точности результатов, получаемых с помощью различных методов, остаётся открытым.
Как правило, расчёт нестационарного турбулентного течения основывается на методе моделирования крупных вихрей. Несмотря на большую
универсальность, данный метод требователен к расчётной сетке, что затрудняет его применение в инженерных приложениях. Для преодоления указанного недостатка в последнее время интенсивно развиваются различные гибрид3
ные методы. Таким образом, применение гибридных методов моделирования
турбулентных течений для исследования и расчёта нестационарных процессов в отсасывающей трубе гидротурбины является важной и актуальной задачей.
Цель работы заключается в численном исследовании низкочастотных пульсаций давления в отсасывающей трубе гидротурбины.
Задачи, решенные в ходе достижения поставленной цели.
1. Разработка методики численного моделирования нестационарных
закрученных течений с прецессирующим вихревым ядром.
2. Тестирование расчётной методики на задачах расчёта турбулентного закрученного течения.
3. Моделирование нестационарного течения в моделях отсасывающих труб гидротурбин для различных режимов работы. Анализ пульсаций
давления, индуцированных движением вихревого ядра.
4. Расчётное исследование влияния рёбер, закрепленных на стенке
отсасывающей трубы, и крестовины, установленной под рабочим колесом, на
низкочастотные пульсации в потоке.
Научная новизна изложенных в диссертационной работе результатов заключается в следующих положениях.
По результатам тестовых расчетов и сравнительного анализа ряда методов моделирования турбулентных течений показаны преимущества метода
DDES (Delayed Detached Eddy Simulation) на основе модели Ментера k-ω SST
(Shear Stress Transport) при расчете низкочастотных пульсаций, вызванных
прецессией вихревого ядра в ограниченном пространстве.
Впервые с помощью численного моделирования выявлен механизм
возбуждения синхронной части низкочастотных пульсаций давления, распространяющихся вдоль канала. Показано, что возбуждение данных пульсаций в
условиях однофазной несжимаемой постановки вызывается взаимодействием
вращающегося жгута с изогнутой частью отсасывающей трубы.
С помощью численного моделирования определены закономерности
нестационарного вихревого течения при наличии рёбер, закрепленных на
стенке отсасывающей трубы, и крестовины, установленной под рабочим колесом.
Практическая значимость. Предложенная методика моделирования
может быть использована для расчётного определения пульсационных характеристик проектируемых ГЭС и поиска оптимальных конструктивных решений. Полученные результаты могут применяться в дальнейших исследованиях по поиску способов снижения пульсаций давления в проточном тракте
гидротурбины. Выявленные особенности работы различных стабилизирующих конструкций будут полезны при модернизации существующих гидравлических электростанций. Полученные результаты могут улучшить планирование экспериментальных исследований и пульсационных испытаний гидротурбин и проектирование гидротурбин.
4
Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается:
тестированием программного комплекса, разрабатываемого в научном коллективе автора, для широкого круга задач;
проведением тестирования методики и расчётного алгоритма на типичных закрученных течениях;
проведением большого числа методических расчётов с целью исключения влияния случайных факторов на результаты расчётов;
сравнением результатов расчётов с экспериментальными данными и
результатами испытаний модельных гидравлических турбин и расчётами других научных коллективов.
На защиту выносятся следующие результаты.
1. Методика расчета низкочастотных пульсаций давления, вызванных
прецессирующим вихревым жгутом.
2. Результаты численного исследования процесса возбуждения низкочастотных пульсаций давления в отсасывающей трубе гидротурбины.
3. Механизм возбуждения синхронных пульсаций давления.
4. Результаты исследования стабилизирующего воздействия рёбер,
закрепленных на стенке отсасывающей трубы, и крестовины, установленной
под рабочим колесом, на нестационарное закрученное течение в отсасывающей трубе гидротурбины.
Представление работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих научных мероприятиях:
Всероссийская школа-семинар молодых ученых «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии» (Новосибирск, 2007), Международная научная конференция «Параллельные вычислительные технологии» ПАВТ-2010 (Уфа, 2010), Молодежная конференция «Устойчивость и
турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск, 2010), Международный научно-технический конгресс «Энергетика в
глобальном мире» (Красноярск, 2010), XXIX и XXXI Сибирский теплофизический семинар, (Новосибирск, 2010, 2014), Международная конференция
"Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика", посвященная 90-летию со дня рождения академика Н.Н.
Яненко (Новосибирск, 2011), VII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике (Кемерово, 2011), Четвертая международная конференция
«Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2011),
4th Symposium on Hybrid RANS-LES Methods (China, Beijing, 2011), 4-я Международная научная школа молодых ученых «Волны и вихри в сложных средах» (Москва, 2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в
том числе 6 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для
представления основных результатов диссертации. Список работ приведен в
конце автореферата.
5
Личный вклад автора. Автор принимал участие в разработке расчетной методики, непосредственно автором проводилась верификация численного алгоритма и расчетных методов, расчеты процесса прецессии вихревого ядра, анализ течения и гидродинамических пульсаций, расчетное исследование взаимодействия стабилизирующих конструкций с закрученным потоком, автор принимал участие в анализе результатов и подготовке публикаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, заключения и списка литературы из 130 наименований, 30 таблиц и 79
рисунков. Общий объем диссертации составляет 184 страницы.
Содержание работы
Во Введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цели и задачи, научная новизна и практическая значимость результатов работы.
В главе 1 проводится обзор исследований явления прецессии вихревого ядра и связанных с ним низкочастотных пульсаций давления в гидротурбине. Даются описание рассматриваемых процессов и определения используемых терминов.
Формирование закрученного потока составляет основу работы
гидротурбины. Проходя спиральную камеру и направляющий аппарат,
течение получает сильную закрутку, которая затем используется для
передачи крутящего момента рабочему колесу. В оптимальном режиме
работы почти вся эта закрутка используются для вращения рабочего колеса.
При неполной загрузке за рабочим колесом (в отсасывающей трубе) жидкость
вращается в одном направлении с ротором. В режиме повышенной мощности
наоборот – поток за рабочим колесом вращается противоположно вращению
рабочего колеса и исходной закрутке.
В первой половине XX века заметили, что при работе гидротурбин в
неоптимальных режимах возникают низкочастотные колебания мощности.
Позднее было показано, что эти колебания связаны с пульсациями в отсасывающей трубе гидротурбины. Пульсации в отсасывающей трубе оказались
вызванными нестационарным поведением вихревого потока, а именно – прецессией вихревого ядра. При высоких значениях параметра закрутки закрученный поток теряет устойчивость. На оси течения образуется тороидальная
зона рециркуляции, а ядро вихря совершает вращательное движение вокруг
оси симметрии. Явления распада вихря и прецессии вихревого ядра были обнаружены и исследовались в работах Vonnegut B. (1954), Peckham D. и
Atkinson S. (1957), Sarpkaya T. (1957) и др.
При работе гидротурбины выделяют два типа периодических
пульсаций давления: асинхронные и синхронные. Асинхронные пульсации
6
представляют собой локальный эффект прецессии вихревого ядра: когда
вихревой жгут проходит мимо датчика, то давление на нём уменьшается. В
случае синхронных пульсаций периодически изменяется среднее по сечению
отсасывающей трубы давление, а в разных точках сечения колебания
происходят в одной и той же фазе. Именно этот тип пульсаций может
приводить к колебаниям расхода и мощности на гидротурбине, вызывать
низкочастотные аксиальные динамические нагрузки на конструкции
гидроагрегата.
Для снижения гидродинамических пульсаций применяют различные
способы стабилизации потока. В практике гидротурбостроения было
предложено множество различных способов, включающих впуск воздуха в
поток, применение стабилизирующих конструкций (рёбер, крестовины,
сплиттеров, полого цилиндра), модификацию обтекателя рабочего колеса,
стабилизацию потока с помощью струй воды.
В главе 2 излагается математическая модель, используемая для расчёта нестационарных турбулентных течений. Модель основана на решении
усреднённых по Рейнольдсу уравнений турбулентного движения вязкой несжимаемой жидкости в трёхмерной постановке. Для замыкания уравнений
Рейнольдса применяются полуэмпирические модели турбулентности, основанные на приближении Буссинеска – приближении турбулентной вязкости.
Турбулентная вязкость, в свою очередь, находится с помощью полуэмпирических моделей турбулентности (модели RANS – Reynolds-Averaged Navier –
Stokes): стандартная k-ε модель (Jones W.P., Launder B.E., 1972), двухзонная
модель k-ω SST (Menter F.R., 1993), однопараметрическая модель СпалартаАллмареса (1992). Также используется поправка, учитывающая закрутку потока в модели SA (Spalart P.R., Shur M.L., 1997), и её обобщение на модель
k-ω SST (Smirnov P., Menter F., 2008).
Исследование прецессии вихревого ядра требует рассмотрения крупномасштабных пульсаций течения, что приводит к методам, разрешающим ту
или иную часть турбулентных вихрей. Однако методы прямого численного
моделирования (DNS – Direct Numerical Simulation) и моделирования крупных вихрей (LES – Large Eddy Simulation) требуют огромных вычислительных ресурсов. Для соединения достоинств методов RANS и LES Спалартом
был предложен (Spalart P.R. et al, 1997) метод моделирования отсоединённых
вихрей (DES – Detached Eddy Simulation – моделирование отсоединённых
вихрей), что положило начало разработке большого числа гибридных
RANS/LES методов.
Метод DES сочетает подходы RANS и LES. В областях потока, где
размер вычислительной сетки Δ достаточен для разрешения больших вихрей,
т.е. при Δ < lt применяется LES, а в остальной области – RANS. Первая версия
DES базировалась на модели Спаларта-Аллмареса, в которой в качестве ха7
рактерного линейного масштаба турбулентности используется расстояние до
стенки. В методе DES этот масштаб заменяется функцией:
=
d ′ min ( d , CDES ∆ )
В дальнейшем метод DES был обобщён на другие модели турбулентности и появились различные его модификации. В частности, был предложен
вариант метода на основе k-ω SST модели Ментера (Strelets M., 2001). В этом
случае вводится множитель перед диссипацией кинетической энергии турбулентных пульсаций:
∂ ( ρk )
+ ∇ ⋅ ( ρ vk ) = ∇ ⋅ ( ( µ + σ k µt )∇k ) + ρ Pk − β * ρ kω FDES ,
∂t
 l
,
k 1/2
lt = * , CDES = 0,61
FDES = max  t ,1
βω
 CDES∆ 
Переключение между режимами в методе DES происходит с помощью расчётной сетки. В некоторых случаях это может привести к неправильному «срабатыванию» переключателя и, в частности, преждевременному отрыву. Чтобы устранить данный недостаток, было предложено (Spalart P.R. et
al, 2006) модифицировать метод с помощью переключателя между k-ε и k-ω
моделями в модели k-ω SST – метод DDES (Delayed DES):
 l
x−µ
,
FDES max  t (1 − F1 ) ,1
=
C
∆
 DES
 σ
где F1 – соответствующий переключатель в модели k-ω SST.
Подход к решению конвективно-диффузионных уравнений модели
состоял в дискретизации методом конечных объёмов. Применяемая при этом
расчётная сетка является трёхмерной неструктурированной, с гранями, совпадающими с границами объекта. Решение уравнений сохранения импульса в
несжимаемой постановке организовано с помощью итерационного алгоритма
SIMPLE-C (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations), использующего уравнение на поправку давления.
Результаты тестирования программы для моделирования закрученных течений представлены в главе 3.
Из ламинарных течений было рассмотрено течение в сосуде с вращающейся крышкой в различных режимах (Escudier M.P. et al., 1984). От
крышки вращательное движение за счет сил трения передаётся жидкости.
Возникающее вследствие центробежной силы разрежение на оси вращения
приводит к появлению осевого движения жидкости к центру вращающегося
диска и возвратного течения у стенок цилиндра. Таким образом, на оси контейнера формируется концентрированный вихрь. При определённых режимах
8
возможен распад вихря, причём форма распада определяется геометрической
формой контейнера и безразмерной скоростью вращения крышки. Результаты
расчетов показывают, что при достаточной детализации сетки модель вполне
точно описывает такое течение в различных режимах, включая такие тонкие
эффекты, как двух- и трёхпузырьковый распад вихря.
Два турбулентных закрученных потока, рассмотренные в качестве
тестов, входят в базу данных базу ERCOFTAC (European Research Community
on Flow, Turbulence and Combustion). Первый из них – турбулентное закрученное течение в прямой трубе (Case №72). Течение представляет собой эволюцию концентрированного вихря в трубе. Результаты расчётов с использованием двухпараметрических моделей почти не отличаются друг от друга.
Недостатки двухпараметрических моделей обусловлены, по-видимому, излишней их диссипативностью в случае закрученного течения. Использование
поправок на закрутку потока позволяет улучшить согласование с экспериментом.
Второй турбулентный тест представляет собой закрученное турбулентное течение в диффузоре (ERCOFTAC, Case №60). Прямой конический
диффузор расположен вниз по потоку от вихревого генератора. Закрутка потока составляла Sw ≈ 0,3. При данных параметрах закрутки и угла расширения
поток не отрывается от стенок диффузора, и в то же время не образуется зона
рециркуляции на оси течения. Различие между расчётными профилями скорости проявляется только ближе к концу диффузора. Можно отметить, что
модель k-ω SST лучше воспроизводит профиль тангенциальной компоненты
скорости. Поправка на закрутку потока приводит к снижению продольной
компоненты скорости в ядре потока, что ближе к эксперименту.
Двухпараметрические модели турбулентности могут допускать заметные погрешности даже в определении среднего поля скорости закрученного течения. Особенно явно это проявляется в случае сильнозакрученных
течений, что связано с образованием зоны рециркуляции и прецессией вихревого ядра вокруг неё. Характерным примером может служить закрученное
течение после внезапного расширения (Dellenback P.A. et al, 1988). Поток с
закруткой Sw = 0,6 выходит из малого цилиндрического канала в канал в два
раза большего диаметра. RANS модели турбулентности показывают существенное отклонение от экспериментальных результатов (Рис. 1). Использование поправки на кривизну линий тока для данного течения незначительно
влияет на получаемые профили компонент скорости – они всё равно остаются
далёкими от эксперимента. В данной задаче повысить точность расчета позволило использование метода DES. Как видно из графиков, метод DES позволяет корректно воспроизвести среднее поле скорости. Радиус вихря совпадает с экспериментальными данными и существенно меньше полученного
RANS моделями. Возвратное течение на оси также совпадает с результатами
измерений. Расчет с использованием метода DES даёт длины зон рециркуляции больше, чем в расчетах по RANS модели.
9
а
б
Рис. 1. Закрученное течение после внезапного расширения, скорость в сечении z/D = 0,25 от входа: а) тангенциальная компонента скорости, б) аксиальная компонента скорости
Для исследования влияния расчётной сетки были дополнительно
проведены расчёты методом DES k-ω SST с использованием детальных сеток,
содержащих 2 млн. контрольных объёмов. Для первой расстояние до стенки
первого пристеночного узла составляло y+ ~ 20. Вторая сетка отличается от
первой сгущением к стенкам канала, в результате чего пограничный слой на
ней разрешался полностью (y+ ~ 1). Как видно из Рис. 2, результаты расчётов
отличаются не слишком сильно. Тем не менее, в результате детализации сетки центральная зона рециркуляции рассчитывается заметно точнее.
Рис. 2. Закрученное течение после внезапного расширения, аксиальная
компонента скорости вдоль оси
10
Метод DES также позволяет определить величину пульсаций и характерные частоты крупномасштабных нестационарных структур. Расчётные
спектры пульсаций показывают острый пик при числе Струхаля Sh ≈ 0,5.
Низкочастотные пульсации вызываются прецессией вихревого ядра. На
Рис. 3. приведены последовательные мгновенные изоповерхности некоторой
отрицательной величины λ2, которые соответствуют расположению ядра вихря. Как видно из рисунка, ядро вихря прецессирует вокруг оси канала.
Рис. 3. Прецессирующее вихревое ядро в последовательные моменты
времени, визуализация вихря с помощью изоповерхности λ2
Таким образом, рассмотрение слабозакрученных турбулентных течений показывает удовлетворительную точность RANS моделей турбулентности. Что касается сильнозакрученных течений, сопровождающихся образованием центральной зоны рециркуляции и прецессией вихревого ядра, то для их
моделирования необходимо применение вихреразрешающих методов. Использование метода DES даже на относительно грубой сетке позволяет с хорошей точностью описать средние величины в таком течении.
В главе 4 рассматривается нестационарное течение в отсасывающей
трубе для двух модельных гидротурбин. Для первой турбины в рамках проекта Turbine-99 различными научными коллективами были проведены экспериментальные и расчётные исследования течения в отсасывающей трубе. Данная турбина относится к поворотно-лопастному типу (турбина Каплана). Для
постановки граничных условий на входе использовался двумерный профиль
скорости, полученный на основе измерений. Рассмотрение среднего течения
показывает удовлетворительное согласование средней скорости в сечениях
отсасывающей трубы и распределения давления вдоль трубы с экспериментальными данными.
В данном режиме работы за рабочим колесом образуется зона рециркуляции. Как показали нестационарные расчёты, вокруг неё прецессирует
вихревой жгут, индуцирующий низкочастотные пульсации давления в проточном тракте. В расчётных спектрах пульсаций давления явно выделяется
частота прецессии вихревого ядра, которая попадает в диапазон 1,7 – 1,9 Гц,
11
что близко к экспериментальным данным. Основная частота получилась
близкой для всех моделей. В то же время интенсивность пульсаций существенно разнится от модели к модели. Результаты метода DES на базе модели
Спаларта-Аллмареса и расчёта невязкого течения характеризуются чрезвычайно высоким уровнем высокочастотного шума, а метод URANS (Unsteady
RANS –нестационарный RANS расчёт) наоборот – даёт низкое значение
пульсаций. Расчёт методом URANS не позволяет в достаточной степени разрешить вихревой жгут вдали от зоны его зарождения и получаемые им пульсации оказываются значительно ниже. Методы k-ω SST DES и k-ω SST DDES
дают близкие результаты, но размах пульсаций для метода DES существенно
больше в одной из точек. Такое поведение пульсаций в этой точке обусловлено локальными особенностями течения. В окрестности этой точки метод DES
даёт отрыв потока (Рис. 4), что может быть связано с т.н. «отрывом, индуцированным сеткой». Данный недостаток метода DES решается в его модификации DDES.
DES
DDES
Рис. 4. Изолинии модуля скорости в центральном сечении
Интенсивность пульсаций значительно варьируется в зависимости от
положения рассматриваемой точки. Это вызвано интерференцией синхронных и асинхронных пульсаций в данной точке. Рассмотрение синхронной
части пульсаций давления показывает, что они находятся в противофазе с
пульсациями коэффициента восстановления давления. Таким образом, синхронные пульсации отображают колебания сопротивления отсасывающей
трубы. Частота синхронных колебаний совпадает с частотой прецессии вихревого ядра. Расчёты показывают, что синхронные пульсации генерируются
взаимодействием вихревого жгута с поворотной частью отсасывающей тру-
12
бы, в результате которого периодически изменяется конфигурация вихря и,
следовательно, сопротивление канала (Рис. 5).
а)
б)
t = 0,2 c
t = 0,3 c
t = 0,4 c
t = 0,5 c
Рис. 5. а) Пульсации коэффициента восстановления давления и синхронные
пульсации давления в сечении z = 1,6; б) прецессия вихревого жгута в отсасывающей трубе Turbine-99 (показано изоповерхностью давления в последовательные моменты времени на протяжении одного периода)
Вторая турбина представляла собой уменьшенную копию высоконапорной радиально-осевой турбины. На входе задавалось распределение скорости, полученное из расчета течения во всем проточном тракте при заданном динамическом напоре в приближении замороженного колеса.
Расчёты течения в данной отсасывающей трубе согласуются с ранее
представленными исследованиями. В режимах ниже оптимального наблюдаются интенсивные низкочастотные пульсации давления. Для всех моделей
частота пульсаций близка к экспериментальным данным, но несколько завы13
шается. Интенсивность пульсаций соответствует эксперименту, только для
метода URANS она заметно ниже.
Изменение интенсивности и спектра пульсаций давления в отсасывающей трубе определяются режимом течения (Рис. 6). Для режима с расходом q/qопт = 46% характерно стохастическое движение нескольких вихрей,
проходящих вблизи стенки отсасывающей трубы. Это приводит к широкому
спектру пульсаций давления в высокочастотной области. В режиме частичной
нагрузки q/qопт = 81% формируется вихревой жгут, генерирующий интенсивные пульсации на частоте около 0,2fn. В режиме q/qопт = 114%, находящемся
немного выше точки оптимума, имеется только небольшой вихрь непосредственно за рабочим колесом. Пульсации давления в этом случае невелики. В
целом, расчётные пульсации давления соответствуют экспериментальным
данным (Рис. 7, а). Как показывают расчеты, максимальные динамические
нагрузки на рабочее колесо при этом приходятся на режимы, соответствующие формированию прецессирующего жгута (Рис. 7, б), а изменение аксиальных нагрузок полностью следует синхронным пульсациям.
Рис. 6. Спектры пульсаций давления в отсасывающей трубе
14
а)
б)
Рис. 7. Интенсивность пульсаций в зависимости от режима: а) пульсации давления на стенке отсасывающей трубы, б) пульсации сил, действующих на
участок рабочего колеса
Глава 5 посвящена влиянию специальных стабилизирующих конструкций на пульсации потока в отсасывающей трубе, а именно: рёбер, устанавливаемых на стенках отсасывающей трубы (Рис. 8, а), и крестовины, устанавливаемой под рабочим колесом (Рис. 8, б).
15
а
б
Рис. 8. Стабилизирующие конструкции: а) рёбра на стенке отсасывающей
трубы, б) крестовина под рабочим колесом
Численное моделирование нестационарного потока в отсасывающей
трубе со стабилизирующими конструкциями показывает, что в ряде случаев
можно получить снижение пульсаций. При этом влияние различных конструкций имеет свои важные особенности.
Воздействие рёбер сильно зависит от режима течения. Рёбра оказываются эффективными при низких расходах, когда поток сконцентрирован
вблизи стенки отсасывающей трубы (Рис. 9, а). В режиме частичной нагрузки, в котором вихревой жгут располагается вблизи оси, рёбра оказывают слабое воздействие, снижая лишь радиальные нагрузки на рабочее колесо. Аналогично в режиме, близком к оптимальному, рёбра почти не влияют на пульсации ни в сторону понижения, ни в сторону повышения. При анализе пульсаций давления, полученных при установке рёбер, возникает дополнительная
трудность – сильная неоднородность пульсаций по периметру сечения отсасывающей трубы из-за обтекания рёбер. По этой причине более информативной является интенсивность синхронных пульсаций (Рис. 9, а). При увеличении количества рёбер пульсации давления и силы, действующие на рабочее
колесо, постепенно снижаются, однако основная часть снижения приходится
на 4 – 6 рёбер, а затем пульсации остаются почти такими же. Увеличение
размеров ребер до ~10% от радиуса рабочего колеса ведет к снижению пульсаций, но при дальнейшем увеличении пульсации снова растут. Таким образом, оптимальным представляется установка 4 – 6 рёбер размерами ~10% от
радиуса рабочего колеса.
Крестовина снижает пульсации давления во всех режимах, но только
при довольно большой площади её граней, что представляется неудачным с
точки зрения нагрузок на саму крестовину. Крестовины с узкими гранями
также позволяют снизить пульсации давления в режиме с низким расходом,
причём крестовина с большим числом граней в этом не уступает крестовине с
16
широкими гранями (Рис. 9, б). В то же время в режиме частичной нагрузки с
более высоким расходом такие крестовины оказались неэффективны.
Таким образом, рассмотренные стабилизирующие конструкции позволяют снизить пульсации давления и вибрации вала рабочего колеса. Они
эффективны преимущественно в области низких расходов. Рёбра позволяют
снизить пульсации давления и аксиальные нагрузки на ~25%, крестовина –
на ~45%.
а)
б)
Рис. 9. Спектры пульсаций давления (режим q/qопт = 46%): а) рёбра (синхронные пульсации), б) крестовина (пульсации в точке)
ты:
В заключении сформулированы основные результаты данной рабо-
1. В результате тестовых расчетов закрученных потоков были получены оценки применимости различных методов моделирования турбулентных течений. В случае слабозакрученных турбулентных течений удовлетво17
рительную точность показывают RANS модели турбулентности. В случае
сильнозакрученных потоков, сопровождающихся прецессией вихревого ядра,
для адекватного моделирования течения требуются методы типа DES. Использование метода DES позволяет с хорошей точностью получить средние
величины и выявить крупномасштабные пульсации в таком течении.
2. Рассмотрен широкий класс вихреразрашающих методов моделирования турбулентности при расчете тестовых закрученных течений и закрученного течения в отсасывающей трубе гидротурбины для различных режимов работы. Показано, что моделирование самого процесса прецессии и
оценка частоты прецессии не зависят от выбранного метода. В то же время
для оценки интенсивности лучше подходит метод DDES на основе модели kω SST. Другие методы искажают расчетную интенсивность пульсаций в ту
или иную сторону. При расчете методом URANS вихревой жгут быстро диссипирует, что приводит к занижению пульсаций давления. Наоборот, невязкий расчёт может приводить к чрезмерной генерации высокочастотных колебаний. Методы DES на базе модели k-ω SST и модели SA в некоторых случаях генерировали высокочастотные пульсации, вызванные индуцированным
расчетной сеткой отрывом.
3. Анализ пульсаций давления показал сложную картину нестационарных процессов. Интенсивность пульсаций существенно зависит от точки
сечения. Такая ситуация вызвана интерференцией синхронных и асинхронных колебаний и может осложнить сопоставление интенсивности пульсаций
в расчётах и экспериментах. Синхронные колебания имеют сопоставимую
интенсивность с асинхронными и распространяются вдоль потока.
4. Изучен механизм формирования синхронных пульсаций давления.
Показано, что генерация синхронных пульсаций происходит при взаимодействии прецессирующего жгута с поворотным коленом отсасывающей трубы.
Они выражают собой изменение сопротивления канала вследствие периодической перестройки течения при движении вихревого жгута в колене отсасывающей трубы.
5. Исследовано влияние ребер, закрепленных на стенке отсасывающей трубы, и крестовины, устанавливаемой под рабочим колесом, на нестационарное закрученное течение в отсасывающей трубе для различных режимов работы. Уточнены механизмы их взаимодействия с потоком и получена
оценка снижения пульсаций давления в зависимости от режима. Ребра оказываются эффективными при высокой степени закрутки, когда поток сконцентрирован вблизи стенки и, соответственно, взаимодействует с ребрами, и
почти не влияют на пульсации, когда закрутка мала. Крестовина при больших
размерах снижает пульсации давления во всех режимах, так как не позволяет
сформироваться интенсивным вихрям большого масштаба. При небольших
размерах крестовины и небольшой закрутке потока вихревой жгут формируется ниже по течению.
18
Публикации в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Сентябов А. В., Гаврилов А. А., Дектерев А. А., Исследование моделей
турбулентности для расчета закрученных течений, Теплофизика и аэромеханика, 2011, том 18, №1, с. 81 – 93.
2. Платонов Д.В., Минаков А.В., Дектерев А.А., Сентябов А.В., Пылев И.М.,
Математическое моделирование нестационарных явлений в гидротурбине
Саяно-Шушенской ГЭС, Научный журнал «Труды Академэнерго», 2013, №1,
с. 73 – 84.
3. Сентябов А.В., Гаврилов А.А., Дектерев А.А., Минаков А.В., Анализ RANS
моделей турбулентности на примере расчёта стационарного течения в отсасывающей трубе гидротурбины Turbine-99, Вычислительная механика
сплошных сред, 2013, т. 6, №1, с 86 – 93, DOI: 10.7242/1999-6691/2013.6.1.11.
4. Семенов Г.А., Смирнова А.Ю., Дектерев А.А., Минаков А.В., Сентябов А.В., Численное исследование конструктивных способов подавления
низкочастотных пульсаций давления в отсасывающей трубе гидротурбины,
научный журнал «Труды Академэнерго», 2013, №3, с. 26 – 40.
5. Платонов Д.В., Минаков А.В., Дектерев А.А., Сентябов А.В., Численное
моделирование пространственных течений с закруткой потока, Компьютерные исследования и моделирование, 2013, т. 5 №4, с. 635 – 648.
6. Сентябов А.В., Гаврилов А.А., Дектерев А.А., Минаков А.В., Численное
исследование прецессии вихревого ядра в модельной гидротурбине с помощью гибридных методов расчёта турбулентных течений / Теплофизика и аэромеханика, 2014, т. 21, №6, с. 739 – 750.
Публикации в других изданиях:
7. Сентябов А.В., Использование высокопроизводительных вычислений для
расчета нестационарного турбулентного течения в отсасывающей трубе гидротурбины. // Параллельные вычислительные технологии (ПаВТ’2010): Труды международной научной конференции (Уфа, 29 марта – 2 апреля 2010 г.) –
Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010, С.595-599.
8. Сентябов А.В., Гаврилов А.А., Дектерев А.А, Минаков А.В., Применение
метода моделирования отсоединенных вихрей для анализа крупномасштабных вихревых структур в закрученных потоках // Труды молодежной конференции «Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных
жидкостей», Новосибирск, 21 – 24 апреля 2010 г., с. 259 – 262.
9. Сентябов А. В., Гаврилов А. А., Дектерев А. А., Минаков А.В., Численное
моделирование нестационарного течения в отсасывающей трубе радиальноосевой турбины // Труды Международной конференции "Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика",
19
посвященной 90-летию со дня рождения академика Н.Н. Яненко (Новосибирск, Россия, 30 мая - 4 июня 2011 г.). – Новосибирск. - 2011.
10. Минаков А.В., Дектерев А. А., Сентябов А. В., Численное исследование
способов подавления пульсаций давления, вызванных прецессией вихревого
ядра // Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: Материалы четвертой международной конференции, 18-20 октября 2011г, Москва,
МЭИ, СD, гос. рег. №.0321102743.
11. Gavrilov A., Dekterev A., Minakov A., Platonov D., Sentyabov A., Application
of Hybrid Methods to Calculations of Vortex Precession in Swirling Flows, / S. Fu
et al. (Eds.): Progress in Hybrid RANS-LES Modelling, NNFM 117, 2012, pp. 449
– 459.
12. Dekterev A., Gavrilov A., Dekterev Ar., Minakov A., Platonov D., Sentyabov
A., Hybrid RANS/LES Simulation of swirling flow in a hydroturbine draft tube// in
proceedings of 7th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer, pp. 1089 – 1092, Palermo, Italy, 24 – 27 September, 2012.
13. Semenov G., Smirnova A., Dekterev A., Minakov A., Sentyabov A., Investigation of the stabilizing devices influence on the flow dynamics in a draft tube in offdesign operation // Proceedings of the Hydro 2012, Bilbao, Spain, 9 p.
14. Сентябов А.В., Численное исследование гидродинамических пульсаций в
отсасывающей трубе гидротурбины, вызванных прецессирующим вихревым
жгутом / Тезисы Всероссийской конференции «XXXI Сибирский теплофизический семинар», Новосибирск, 17 – 19 ноября 2014 г., с. 48.
Подписано к печати 14.10.15 г. Заказ № 15
Формат 60×84/16. Объем 1,0 уч.-изд. л. Тираж 100 экз.
___________________________________________________
Отпечатано в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 1
20
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
41
Размер файла
1 304 Кб
Теги
труба, отсасывающей, низкочастотного, давления, исследование, пульсаций, гидротурбина, численного
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа