К.т.н. Щербак Ю.Г.

Черноморский государственный университет имени Петра Могилы

СПЕКТРАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ В РАДИАЛЬНОМ ДИФФУЗОРЕ

С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ СТЕНКАМИ

В работе приводятся некоторые данные експериментального исследования характеристик потока в радиальном диффузоре центробежного компрессора с параллельными стенками, связанних с его турбулентностью.

Эксперименты проведены на модельной установке, основным элементом которой является двухзвенная ступень центробежного компрессора (колесо-диффузор) с равномерным выходом рабочей среды (воздуха) по окружности.

В состав ступени входило полуоткрытое рабочее колесо осерадиального типа диаметром D₂ = 0,13 м, высотой лопаток на выходном диаметре b₂ = 0,008 м и числом лопаток z = 14 шт. Относительная протяженность диффузора составляла D₄ /D₂ = 1,92, при этом соблюдалось равенство его высоты на всей протяженности высоте лопаток колеса на выходном диаметре, т.е. b₂ = b₃ = b₄.

В качестве привода двухзвенной ступени использован двигатель постоянного тока с плавным регулированием частоти вращения. Для изменения расхода воздуха через ступень выполнены сменные кольцевые вставки, устанавливаемые на входе в ступень. Их предварительная тарировка обеспечивала определенные значения коэффициентов расхода ступени при проведении экспериментов.

Все измерения проводились с использованием комплекта термоанемометрической аппаратуры фирмы «DISA Electronic» типа 55D01.

Поток в сечениях диффузора зондировался с помощью однонитянного датчика скорости постоянного тока с платиновой нитью диаметром 4,0 мк и длиной 1,5 мм. Максимальный диаметр участка зонда, вводимого в сечение диффузора, равнялся 2,0 мм. Траверсирование потока могло осуществляться в шести сечениях вдоль радиуса диффузора при = 1,046; 1,22; 1,38; 1,55; 1,72; 1,89, а также в четырех точках в окружном направлении на входе в диффузор и выходе из него при α = 10; 20; 30; 40°.

Зонд в сечение диффузора вводился через отверстия в его стенках, которые во время замеров уплотнялись специальными пробками. С помощью координатника зонд мог перемещаться с точностью до 0,05 мм.

В процессе эксперимента в каждой точке замера рабочего канала фиксировались напряжения U , пропорциональные осредненным значениям абсолютной скорости (вольтметр постоянного тока «DISA 55D30»), и осредненные значения напряжения (среднеквадратичный вольтметр «DISA 55D30»), пропорциональные среднеквадратичным значениям пульсационной составляющей скорости, а также выполнялся с помощью штатного комплекта фильтров спектральный анализ энергии пульсационнго движения для некоторых точек замеров.

Оценка структуры турбулентности выполнялась помощью частотного анализа движения, приводящего к понятию спектра турбулентного течения [1]. Если обозначить через f частоту, а через Е(f)× df процентное содержание среднего квадратичного значения пульсации скорости в диапазоне частот от f до f + df , то функция Е(f)× df будет представлять собой спектральное распределение среднего квадратичного значения пульсаций скорости, т.е. будет иметь место: .

Представленные результаты получены при значениях коэффициента расхода = 0,15; 0,31; 0,5, что соответствует числам Рейнольдса = 255×10³; 318×10³; 412×10³, подсчитанным по осредненной абсолютной скорости потока на входе в диффузор ( ).

Проведенный спектральный анализ пульсаций в ядре потока непосредственно за рабочим колесом (рис 1, а) показывает, что основной вклад в энергию пульсационного движения вносят крупномасштабные пульсации с частотой возникновения кромочных следов за рабочими лопатками (эта частота в данной серии экспериментов составляла порядка

Рис. 1. Частотний спектр пульсаций скорости в радиальном диффузоре при = 0,5: а) – сечение на выходе из рабочего колеса; б) – сечение на входе ( · ) и выходе из радиального диффузора ( ¨ )

1700 Гц). Из приведенных данных следует, что основная доля пульсаций сосредоточена в диапазоне частот f = 500…2000 Гц, т.е. мелкомасштабные пульсации в ядре потока весьма малы и не оказывают существенного влияния на общий уровень турбулентных пульсаций. В выходном сечении диффузора наблюдается некоторое незначительное смещение спектральной функции в сторону больших значений частот (рис. 1, б). Тем не менее, основная часть энергии пульсационного движения переносится на частотах, свойственных крупномасштабным пульсациям.

Эта специфика турбулентного потока в исследуемом радиальном диффузоре весьма сходна с существующими представлениями о роли крупномасштабных пульсаций в общем механизме порождения и диссипации энергии турбулентных пульсаций [2]. Отличие здесь заключается в том, что порождение крупномосштабных пульсаций полностью осуществляется рабочим колесом с известной частотой f = nz/60, где n и z – соответственно частота вращения (мин^-1) и число лопаток рабочего колеса.

Очевидно, с увеличением частоты вращения рабочего колеса частота крупномасштабных пульсаций возрастает, т.е. они переходят в область средне- и высокочастотных пульсаций, однако по масштабу продолжают оставаться в области крупномасштабных. Эта особенность течения в рассмотренном радиальном диффузоре, как и во всех других элементах проточной части турбомашин, расположенных за вращающейся рабочей решеткой, требует дальнейшего осмысливания: однако данные настоящего исследования указывают на существенную роль турбулентных пульсаций в центре канала в формировании профиля осредненных и пульсационных составляющих скоростей.

Література:

1. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. – М.: Наука, 1974. – 712 с.

2. Конт-Белло Ж. Турбулентное течение в канале с параллельными стенками. – М.: Мир, 1968. – 176 с.