Панов Л.В. Чирков Д.
Численное моделирование кавитационных течений в гидротурбине в режимах частичной и полной загрузки
Докладчик: Панов Л.В.
В проточном тракте гидротурбины на режимах далёких от оптимального наблюдаются сильные колебания давления и расхода жидкости. Такие колебания вызваны кавитацией и приводят к шумам, вибрации, эрозии поверхностей проточного тракта. К таким режимам работы относятся режимы частичной загрузки – малое открытие лопаток направляющего аппарата; и полной загрузки – большое или максимальное открытие лопаток. Режим частичной загрузки характеризуется образованием вихревого жгута в конусе отсасывающей трубы и хорошо моделируется в рамках URANS уравнений несжимаемой жидкости [1], однако по природе ядро жгута состоит из пара, поэтому необходимо учитывать в уравнениях динамику пара. Режим полной загрузки характеризуется образованием почти симметричной кавитационной полости, объём которой существенно пульсирует во времени. Полную загрузку не удаётся описать в рамках модели несжимаемой жидкости.
В данной работе изложен численный метод моделирования нестационарных кавитационных течений в проточном тракте гидротурбины, который является логическим следствием работ [3,2,1]. В этом методе проточный тракте гидротурбины состоит из водовода, в котором решаются одномерное уравнение гидроакустики, и турбины, в которой решаются трёхмерные уравнения движения смеси «жидкость-пар» методом искусственной сжимаемости. Кавитация в турбине описывается уравнение переноса объёмной доли жидкости с источниковым членом, отвечающим за парообразование и конденсацию [4]. На входе в водовод и на выходе из отсасывающей трубы задаются полные энергии потока [2], что является принципиальным в течениях с кавитацией.
В работе проведено моделирование режима частичной загрузки, при котором образовался вихревой жгут, заполненный паром. При сопоставлении с экспериментом оказалось, что частоты колебаний локального давления совпадают с экспериментом, однако амплитуды колебаний давления в 1.5 раза ниже чем в эксперименте.
В работе впервые проведено трёхмерное моделирование режима полной загрузки, при котором образовалась почти симметричная пульсирующая кавитационная полость в отсасывающей трубе. Объем этой полости сильно меняется при пульсациях – от больших размеров до нуля. Кроме того наблюдаются сильные колебания локального давления во всём проточном тракте, которые в трубе достигают 6% от напора. Аналогичные пульсации объёма полости и колебания давления наблюдаются в экспериментах на режимах полной загрузки. Количественное сопоставление с экспериментом проводится в настоящее время.
[1] Cherny S, Chirkov D, Bannikov D, Lapin V, Skorospelov V, Eshkunova I and Avdushenko A 2010 3D numerical simulation of transient processes in hydraulic turbines IAHR Symp. on Hydraulic Machinery and Systems (Timisoara, Romania)
[2] Панов Л.В., Чирков Д.В., Чёрный С.Г., Пылёв И.М., Сотников А.А. 2012 Численное моделирование стационарных кавитационных течений вязкой жидкости
в гидротурбине Френсиса, Теплофизика и аэромеханика, том 19, № 4, c. 461-473
[3] Черный С.Г., Чирков Д.В., Лапин В.Н., Скороспелов В.А., Шаров С.В. Численное моделиро¬вание течений в турбомашинах. Новосибирск: Наука, 2006. 206 с.
[4] Singhal A K, Vaidya N and Leonard A D 1997 Multi-dimensional simulation of cavitating flows using a PDF model for phase change ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting, ASME Paper FEDSM97-3272
| Тезисы доклада: | abstracts_137888_ru.pdf |
| Файл с полным текстом: | YM_2012_Panov_proc.pdf |
К списку докладов
