ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТОКОВ С ЦИРКУЛЯЦИОННЫМИ ЗОНАМИ

Земляная Н.В.¹, Шаланин В.А.²

¹Доктор технических наук, профессор; ²магистрант, Дальневосточный государственный университет

 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТОКОВ С ЦИРКУЛЯЦИОННЫМИ ЗОНАМИ

Аннотация

Определение параметров циркуляционных зон было целью работы. Геометрические характеристики и скоростная структура циркуляционного потока определялись в лабораторных условиях и с помощью программного комплекса COSMOSFIoWork. Результаты физического и численного моделирования, выполненные авторами, сопоставлялись с данными других исследователей.

Ключевые слова: циркуляционная зона, водоворот, скоростная структура, моделирование

Zemlyanaya N.V., Shalanin V.A.

¹Doctor of technical Sciences, professor; ²student of master program, Far Eastern Federal University

EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF FLOWS CIRCULATING ZONES

Abstract

Definition of circulating zones parametres was the work purpose. Geometrical characteristics and velocity structure of a circulating stream were defined in laboratory conditions and by means of program complex COSMOSFIoWork. The results of physical and numerical modeling executed by authors were compared with data of other researchers.

Keywords: circulation zone, whirlpool, velocity structure, modeling

В системах водоснабжения и водоотведения циркуляционные зоны встречаются практически везде, где наблюдается резкое сужение или расширение потока движущейся жидкости. В качестве примера можно привести вход жидкости в седиментационные сооружения, выпуски сточных вод в мелкие акватории, трубопроводы с запорной арматурой и др.

Проблема определения параметров циркуляционных (водоворотных) зон в прошлом веке стояла достаточно остро и была связана, прежде всего, с необходимостью корректного расчета нижних бьефов гидротехнических сооружений.

Мотивацией исследований предлагаемой работы, были результаты натурного обследования седиментационных сооружений с тонкослойными модулями в системах водоснабжения и водоотведения, которые показали, что эффективность их использования достаточна низка. Основной причиной низкого коэффициента использования являлось образование циркуляционных зон, ответственных за образование обратных токов воды.

В качестве примера решения поставленной задачи рассматривался затопленный гидравлический прыжок (Рис. 1).

Рис.1- Схема затопленного  гидравлического прыжка (истечение из-под щита)

Экспериментальные исследования проводились на компьютеризированном гидравлическом стенде Н91.8D/5/C DIDACTA ITALIA (Рис. 2). Гидравлический стенд представляет собой наклоняемый лоток для исследования открытых безнапорных потоков длиной 5 метров, шириной 0,3 метра и высотой 0,35 метра, При проведении эксперимента уклон лотка был равен 0.

При проведении эксперимента определялись следующие параметры циркуляционных зон (водоворотов):

1. Структура строения потока и циркуляционной  зоны.
2. Распределение скоростей в каждой точке водоворота и транзитного потока.
3. Наличие и положение центра водоворота.
4. Наличие и положение  места вторичного отрыва струи от дна лотка.

В эксперименте был использован, шит с регулировкой высоты подъёма. Ширина шита равна внутренней ширине лотка, в котором проводился эксперимент (30 см).

Рис.2 - Схема расположения щита в гидравлическом лотке Н91.8D/5/C DIDACTA ITALIA.

Для увеличения уровня воды в нижнем бьефе использовался водослив с тонной стенкой высотой 0,13м, толщиной 5мм, и шириной равной ширине лотка.

Измерение отметок верхнего и нижнего бьефов, а также места положения оси измерителя скорости проводилось с помощью координатной сетки,  нанесённой на одну из боковых стенок лотка.

Измерение скоростей в различных участках потока проводилось микро вертушкой для измерения скоростей марки NIXON FLOW METERS LIMITED 404.

В процессе анализа результатов эксперимента были построены профили скорости в поперечных сечениях плоской струи, отображающие изменение значений главной составляющей скорости, а также ширину расширяющейся струи в различных сечениях потока (Рис.3, рис.4, рис. 5.).

Рисунок.3- Профили скорости в различных сечениях плоского потока жидкости для высоты поднятия щита а/b=0,6 метра; b – ширина лотка, h – глубина потока  ниже щита

Рис.4 - Профили скорости в различных сечениях транзитной струи для высоты поднятия щита, а/b=0,5;

Рис.5 - Профили скорости в различных сечениях транзитной струи для высоты поднятия щита, а/b=0,4; v_под-  скорость подхода воды к затвору

Рис.6- Профили скорости в различных сечениях транзитной струи для высоты поднятия щита, а/b=0,3.

Результаты экспериментальных исследований позволили сделать ряд выводов, в частности,

- влияние пограничного слоя транзитной струи оказывает заметное влияние на расширении потока при отношении L/b≥5,

- в начальном сечении струи скоростная структура не имеет автомодельный характер, профили скорости зависят от абсолютного значения высоты  отверстия а;

- транзитная струя расширяется по линейному закону на относительном расстоянии x/a ≤ 15;

- угол расширения транзитной струи при степенях расширения Δh/a = 2÷5, принятых  в эксперименте, составлял порядка 4 град.

В ряде работ параметры транзитной струи рассчитываются из условия, что в области до центра водоворота, в которой струя расширяется линейно в соответствии с законами распространения турбулентных струй, угол линии нулевых скоростей составляет 10-12 град. В наших экспериментах этот тезис не подтвердился. Очевидно, при малых степенях расширения на транзитную струю оказывает влияние поджатие потоками циркуляционной зоны.

 Параллельно для определения параметров циркуляционных зон использовалось моделирование при помощи программного продукта COSMOS FIoWorks [3]. Одной из задач работы было оценка возможностей моделирования безнапорных потоков с циркуляционными зонами на напорных моделях продукта COSMOS FIoWorks.

COSMOS FIoWorks базируется на последних достижениях вычислительной газо- и гидродинамики и позволяет рассчитывать широкий круг различных течений: двумерные и трехмерные, ламинарные, турбулентные и переходные, несжимаемые, сжимаемые, стационарные и нестационарные течения многокомпонентных текучих сред в каналах и вокруг тел, с учетом гравитации, пограничного слоя, в том числе с учетом шероховатости стенок.

В COSMOS FIoWorks движение и теплообмен текучей среды моделируется с помощью уравнений Навье — Стокса, описывающих в нестационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии этой среды. Кроме того, используются уравнения состояния компонентов текучей среды, а также эмпирические зависимости вязкости и теплопроводности этих компонентов среды от температуры. Для моделирования турбулентных течений уравнения Навье — Стокса осредняются по Рейнольдсу, а для замыкания этой системы уравнений в COSMOS FIoWorks используются уравнения переноса кинетической энергии турбулентности и ее диссипации в рамках k-е модели турбулентности.

Рис. 7 - Картина истечения потока из под щита в программе SolidWorks при высоте подъёма щита а = 0,06 метра.

В ходе исследования и компьютерного моделирования были выполнены измерения длин водоворотных зон возникающих при несвободном истечении из-под затвора.

Компьютерное моделирование в целом адекватно экспериментальным данным отражает процесс распространения струи, однако наблюдается различие в размерах циркуляционных зон.

Для сравнения полученных результатов были использованы формулы из исследований Г.Н. Абрамовича [1] и Н.В. Земляной [3].

По данным Г.Н. Абрамовича длина водоворотной зоны напрямую зависит от △ h=H-a [1]:                                  

                                               (1)

По опытам Н.В.Земляной полная длина водоворота зависит от △h и а:

.                          (2)

Процентное расхождение между экспериментом и компьютерным моделированием составляет 22,26%, экспериментом и расчётом по методу Г.Н. Абрамовича 21,64%, экспериментом и расчётом по методу Н.В. Земляной 11,43%.

Проведенные исследования позволяют утверждать, что процесс распространения струйных течений с циркуляционными зонами не изучен полностью. При малых степенях расширении, характерных для распределительных систем сооружений водоснабжения и водоотведения необходимы дополнительные исследования характера понижения давления, которое провоцирует образование водоворота, размера транзитной струи в линейной и нелинейной части ее расширения, возникновения вторичного отрыва и т.д.