CC BY
33
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.1.016+532.526
Л. В. ХАХАЛЕВА
ВЛИЯНИЕ ДЕМПФИРУЮЩИХ ПОЛОСТЕЙ ИА ПОДАВЛЕНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ ГАЗОВОГО ПОТОКА НА ПЕРФОРИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБЫ
Экспериментально подтверждена возможность существенного подавления спектра турбулентных пульсаций около перфорированной поверхности с демпфирующими полостями. Проанализирован частотный спектр турбулентных пульсаций давления на стенке перфорированной трубы с демпфирующими полостями.
Ключевые слова: пульсации, спектр, временные ряды, анализ Фурье.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из перспективных способов управления пристенной турбулентностью, интенсивностью теплоотдачи и сопротивлением трения яв-
па^лг^а ппипояиии ты
V * * ЧУ V V/ у V/ А 1 V/ ^ С« 1 Л А I ДА!
^1/1 V * V/!
и я ппмурцримы
Л С А ^ 4 А IV! V 4 А V I А III ■
демпфирующих полостей. Исследования в данной области проводятся уже на протяжении значительного промежутка времени [1-7]. Однако многое оставалось неясным. В частности, частотные характеристики потока и связь этих характеристик с параметрами демпфирующих полостей.
1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОЛОСТИ С ПОТОКОМ ГАЗА
Движущийся поток взаимодействует с полостью через отверстия в обтекаемой поверхности (рис. 1).
Рис. 1. Демпфирующая полость
Хахалева Л. В., 2010
Каждая полость может сообщаться с потоком посредством нескольких отверстий. Экспериментально было установлено, что наибольший эффект снижения турбулентных пульсаций имел место при двух перфорационных отверстиях, сообщающихся с полостью [6].
Видится следующая схема взаимодействия демпфирующей полости с потоком. Турбулентный моль, находящийся около перфорационного отверстия и обладающий избыточным давлением АР, стравливает часть давления в полость через это перфорационное отверстие. Турбулентные пульсации, вызванные избыточным давлением, ослабевают и течение около перфорированной поверхности с демпфирующими полостями ламинаризируется.
На рис. 1 представлена схема демпфирующей полости. Здесь £ - площадь перфорационного отверстия, м2; V - объём полости, м ; /- длина перфорационного канала, м (толщина стенки).
Возможно, подавляющая способность демпфирующих полостей зависит как от геометрических размеров полостей, так и от частотных характеристик пульсаций давления.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
В работе предпринято экспериментальное исследование частотных характеристик турбулентных пульсаций в пристенной области турбулентного потока в перфорированной трубе с демпфирующими полостями и влияния демпфирующих полостей на спектр пульсаций. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2 (демпфирующие полости на рисунке не показаны).
л
и
^ Ч Ч ч X ч N ч. Ч -х Ч V УУЧ Ч У у У V -у ч ч "у Ч ', м
X
А
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - входное устройство; 2 - экспериментальный участок; 3 - датчик давления; 4 - аналогоцифровой преобразователь; 5 - подключение к компьютеру;
6 - вентилятор; 7 - настроечный вентиль
Л А «
4 Л * г\ Ж /Л Л /\ М
и,и/ и,/ //,4 4 1 06,4 5/ УЗ,/
Л
Си
20
10
О
-10
-20
Ччлфри.. IIМ
0,02 13,6 2/,2 40,8 54,4 68 81,6 95,3
ГПБ
I, ШБ
Рис. 3. Временной ряд турбулентных пульсаций на стабилизированном участке
гладкой трубы
Рис. 5. Временной ряд турбулентных пульсаций давления для перфорированной трубы с демпфирующими полостями
1,5
03 Он
О
с
Экспериментальный участок установки пред- щийся в трубе поток взаимодействует с демпфи-
ставляет собой прямую тонкостенную (толщина рующими полостями. Демпфирующие полости
стенки 1,1 мм) цилиндрическую трубу внутрен- образуются с помощью накладок, устанавливае-
ним диаметром 32 мм и длиной 1 м. В стенке мых на наружной поверхности трубы. Каждая
трубы выполнены перфорационные отверстия демпфирующая полость взаимодействует с пото-
диаметром 0,8 мм, с помощью которых движу- ком через 2 перфорационных отверстия. Общее
0 6811362 2043 2724 3405 4086 4767
Рис. 4. Частотный спектр турбулентных пульсаций для гладкой трубы, полученный с помощью спектрального анализа Фурье
о шввштшт ^
0 679 1358 2037 2716 3395 4074 4753
Рис. 6. Частотный спектр турбулентных пульсаций давления для перфорированной трубы с демпфирующими полостями
количество демпфирующих полостей на рабочем участке равно 360. Диаметр полости О = 12,8 мм, её высота Ь = 10 мм.
Система «датчик давлепия-преобразователь» позволяет измерять пульсации давления с частотой дискретизации до 40 кГц. В качестве датчика пульсаций давления использовался микрофон. Через аналогоцифровой преобразователь, в качестве которого использовалась звуковая плата компьютера, датчик подключается к компьютеру, что позволяет не только записывать результаты измерения пульсаций давления на стенке канала, но и обрабатывать полученные результаты по определённому алгоритму.
Алгоритм включает в себя обработку временных рядов турбулентных пульсаций. Спектральный анализ производится методом Фурье. Оценка спектральной плотности энергии производится по методу Берга.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Эксперименты проводились в изотермичных условиях. Температура потока Т = 299,5 К, давление Р = 101488 Па, Яе = 53251,4.
Сначала проводились эксперименты на гладкой трубе (рис. 3, 4, 7). Затем - на перфорированной трубе с демпфирующими полостями (рис. 5, 6, 7).
X
ьО
CL
H ^
С
U
s s
u Q. 0) X
о
A H
о
о
X H
с с
0,2
0,15
0,1 0,05 0
.....т. ч
:iiiii;i.HMi;iiiri'llliilimiH'i'
i
i(s•;■111. ■. ;, t
0 469 938 1406 1875 2344
№
Рис. 7. Спектральная плотность энергии турбулентных пульсаций (по Бергу): сплошная линия -на стенке гладкой трубы; пунктирная -на стенке перфорированной трубы с демпфирующими полостями
Из графиков на рис. 3 и 4 видно, что энергонесущие частоты лежат в диапазоне от 160 до 2000 Гц. Графики на рис. 5 и 6 свидетельствуют, что амплитуда пульсаций в диапазоне энергонесущих частот при наличии полостей существенно снижается. Из графика на рис. 7 следует, что демпфирующие полости эффективно подавляют турбулентные пульсации в диапазоне частот от 350 Гц вплоть до 1700 Гц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, экспериментально установлена возможность подавления пульсаций давления турбулентного потока на перфорированной поверхности с демпфирующими полостями. Проанализированы частотные характеристики пульсаций давления в пристенной области турбулентного газового потока в перфорированной трубе с демпфирующими полостями. Исследования подтверждают, что необходимо предварительное тщательное согласование структуры потока со структурой воздействия.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пат. 2204743 Российская Федерация, МПК F 15 D 1/06. Поверхность, обтекаемая турбулентным газовым потоком / Ковальногов H. Н., Хахалева JI. В., Ермолаева Е. К.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. -№2002100951; заявл. 08.01.2002; опубл. 20.05.2003.-3 с.
2. Пат. 2285805 Российская Федерация, МПК F 01 D 5/18. Охлаждаемая лопатка турбины с комбинированным охлаждением / Ковальногов H. Н., Хахалева Л. В., Буинов Д. А.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. -
№2005112126; заявл. 22.04.2005; "опубл. 20.10.2006, Бюл. № 29.-3 с.
3. А. с. 597866, СССР. МКИ F 15 D 1/12. Регулируемое демпфирующее покрытие / В. В. Ба-бенко, Л. Ф. Козлов, В. И. Коробов (СССР). -№2115446/25-06; заявл. 12.03.75; опубл. 15.02.78. Бюл. № 10.
4. А. с. 1086246, СССР. МКИ F 15 D 1/00. Поверхность, обтекаемая жидкостью или газом / Е. С. Виноградов (СССР). № 2847405/25-06. Заявл. 05.12.79; Опубл. 15.04.84. Бюл. № 14.
5. Control of turbulence through a row of Helm-goltz resonators / R. L. Panton, K. P. Fiinn, D. G. Bogart // AI A A Pap. - 1987. - № 436. - P. 1-7.
v 6. Течение и сопротивление трения турбулентного потока в перфорированной трубе с демпфирующими полостями / H. Н. Ковальногов, Л. В. Хахалева // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2002.-№3.-С. 19-22.
7. Ковальногов, H. Н. Пограничный слой в потоках с интенсивными воздействиями / H. Н. Ковальногов. - Ульяновск : УлГТУ, 1996. - 246 с.
® 0 ® ® •
о © 0 О О Q
• О ® •
Хахалева Лариса Валерьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика». Область научных интересов - моделирование турбулентного пограничного слоя в элементах энергетических установок.
