Вторичные течения в поворотных устройствах

Изложены результаты численного анализа турбулентного течения и гидравлических потерь в поворотном участке трубопровода при различных радиусах поворота. Исследована структура возникающего вторичного течения (парного продольного вихря), интенсивность продольной завихренности, закономерность трансформа...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2014
Hauptverfasser:	Воропаева, Е.А., Сирош, Е.Л.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут гідромеханіки НАН України 2014
Schriftenreihe:	Прикладна гідромеханіка
Schlagworte:	Науковi статтi
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116464
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Вторичные течения в поворотных устройствах / Е.А. Воропаева, Е.Л. Сирош // Прикладна гідромеханіка. — 2014. — Т. 16, № 1. — С. 35-41. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-116464
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1164642017-04-28T03:02:33Z Вторичные течения в поворотных устройствах Воропаева, Е.А. Сирош, Е.Л. Науковi статтi Изложены результаты численного анализа турбулентного течения и гидравлических потерь в поворотном участке трубопровода при различных радиусах поворота. Исследована структура возникающего вторичного течения (парного продольного вихря), интенсивность продольной завихренности, закономерность трансформации нормальной завихренности на поверхности трубы в сочетании с поперечным градиентом давления в продольную завихренность в зависимости от радиуса поворота при фиксированном числе Рейнольдса. Викладені результати чисельного аналізу турбулентної течії і гідравлічних втрат у поворотній ділянці трубопроводу при різних радіусах повороту. Досліджена структура виникаючої вторинної течії (парного поздовжнього вихору), інтенсивність поздовжньої завихореності, закономірність трансформації нормальної завихореності на поверхні труби у поєднанні з поперечним градієнтом тиску в поздовжню завихореність залежно від радіусу повороту при фіксованому числі Рейнольдса. The article presents the results of numerical analysis of turbulent flow and hydraulic losses in the rotary section of the pipeline with the different radius of rotation. There are several items under investigation the structure of arising secondary flow (longitudinal vortex pair), the longitudinal strength of the vorticity pattern transforming normal vorticity at the tube surface in combination with the transverse pressure gradient in the longitudinal vorticity, which depends on the turning radius using a fixed Reynolds number. 2014 Article Вторичные течения в поворотных устройствах / Е.А. Воропаева, Е.Л. Сирош // Прикладна гідромеханіка. — 2014. — Т. 16, № 1. — С. 35-41. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1561-9087 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116464 532.526, 518.5 ru Прикладна гідромеханіка Інститут гідромеханіки НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Науковi статтi Науковi статтi
spellingShingle	Науковi статтi Науковi статтi Воропаева, Е.А. Сирош, Е.Л. Вторичные течения в поворотных устройствах Прикладна гідромеханіка
description	Изложены результаты численного анализа турбулентного течения и гидравлических потерь в поворотном участке трубопровода при различных радиусах поворота. Исследована структура возникающего вторичного течения (парного продольного вихря), интенсивность продольной завихренности, закономерность трансформации нормальной завихренности на поверхности трубы в сочетании с поперечным градиентом давления в продольную завихренность в зависимости от радиуса поворота при фиксированном числе Рейнольдса.
format	Article
author	Воропаева, Е.А. Сирош, Е.Л.
author_facet	Воропаева, Е.А. Сирош, Е.Л.
author_sort	Воропаева, Е.А.
title	Вторичные течения в поворотных устройствах
title_short	Вторичные течения в поворотных устройствах
title_full	Вторичные течения в поворотных устройствах
title_fullStr	Вторичные течения в поворотных устройствах
title_full_unstemmed	Вторичные течения в поворотных устройствах
title_sort	вторичные течения в поворотных устройствах
publisher	Інститут гідромеханіки НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Науковi статтi
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116464
citation_txt	Вторичные течения в поворотных устройствах / Е.А. Воропаева, Е.Л. Сирош // Прикладна гідромеханіка. — 2014. — Т. 16, № 1. — С. 35-41. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Прикладна гідромеханіка
work_keys_str_mv	AT voropaevaea vtoričnyetečeniâvpovorotnyhustrojstvah AT sirošel vtoričnyetečeniâvpovorotnyhustrojstvah
first_indexed	2025-07-08T10:26:12Z
last_indexed	2025-07-08T10:26:12Z
_version_	1837074086840238080
fulltext	ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 1. С. 35 – 41 УДК 532.526, 518.5 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ ТЕЧЕНИЙ В ПОВОРОТНЫХ УСТРОЙСТВАХ Е. Г. ВОРО ПА Е ВА∗, Е. А. СИ РОШ∗∗ ∗Национальный технический университет "Киевский политехнический институт" ∗∗Институт гидромеханики НАН Украины, Киев Получено 12.10.2013 Изложены результаты численного анализа турбулентного течения и гидравлических потерь в поворотном участке трубопровода при различных радиусах поворота. Исследована структура возникающего вторичного течения (пар- ного продольного вихря), интенсивность продольной завихренности, закономерность трансформации нормальной завихренности на поверхности трубы в сочетании с поперечным градиентом давления в продольную завихренность в зависимости от радиуса поворота при фиксированном числе Рейнольдса. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: моделирование турбулентных течений, турбулентное течение в криволинейной трубе, пар- ный продольный вихрь, гидравлическое сопротивление. Викладенi результати чисельного аналiзу турбулентної течiї i гiдравлiчних втрат у поворотнiй дiлянцi трубопроводу при рiзних радiусах повороту. Дослiджена структура виникаючої вторинної течiї (парного поздовжнього вихору), iн- тенсивнiсть поздовжньої завихореностi, закономiрнiсть трансформацiї нормальної завихореностi на поверхнi труби у поєднаннi з поперечним градiєнтом тиску в поздовжню завихоренiсть залежно вiд радiусу повороту при фiксова- ному числi Рейнольдса. КЛЮЧОВI СЛОВА: моделювання турбулентних течiй, турбулентна течiя у криволiнiцнiй трубi, парний подовжний вихор, гiдравлiчний спротив The article presents the results of numerical analysis of turbulent flow and hydraulic losses in the rotary section of the pipeline with the different radius of rotation. There are several items under investigation the structure of arising secondary flow (longitudinal vortex pair), the longitudinal strength of the vorticity pattern transforming normal vorticity at the tube surface in combination with the transverse pressure gradient in the longitudinal vorticity, which depends on the turning radius using a fixed Reynolds number. KEY WORDS: modelling of turbulent flows, turbulent flow in a curved pipe, pair longitudinal vortex, wall friction. ВВЕДЕНИЕ В различных технических устройствах, где в качестве рабочей среды применяется жидкость или газ, проблема режима течения (ламинарное- турбулентное), а следовательно и гидравлических потерь при перемещении этой среды по устрой- ствам, остается актуальной. В первую очередь это связано с минимизацией энергетических по- терь при обеспечении необходимых потребитель- ских качеств технических устройств. Моделирова- ние по числу Рейнольдса течений в устройствах, где протяженные прямолинейные участки состав- ляют большую часть общей длины гидравличе- ских трактов, достаточно хорошо отражает за- висимость коэффициента гидравлических потерь этих устройств от числа Рейнольдса. Однако за- мкнутые циклы устройств невозможны без доста- точно сложной геометрии поворотных устройств. При сложной геометрии трактов, когда внутри трубопроводов возникают отрывные зоны и вто- ричные течения, гидравлические потери на таких участках практически не зависят от числа Рей- нольдса. Более того, влияние поворотных участ- ков сказывается на структуре течения на боль- ших расстояниях от поворотных участков, поэто- му гидравлические потери в таких устройствах, как правило, оцениваются на участке, включаю- щем, кроме поворотного участка, прямолинейный участок, равный 10÷50 калибрам [1–4]. В силу то- го, что теоретически получить структуру течения и оценить гидравлические потери таких устройств очень трудно, гидравлические потери устройств определяют экспериментально, что достаточно до- рого и не эффективно при проектировании новых устройств. С развитием вычислительной техники и про- граммного продукта появилась возможность ре- шать трехмерные задачи течения вязких сред в областях с достаточно сложной геометрией с опре- делением локальных и интегральных характери- стик при различных режимах течения. Вместе с тем при появлении возвратных зон или продоль- ных вихревых структур при изменении геометрии тракта говорить о достоверности численных зна- чений не только структуры потока, но и гидрав- лических потерь на этих участках приходиться с определенной осторожностью. Во-первых, это свя- зано с тем, что результаты значительно отличаю- c© Е. Г. Воропаева, Е. А. Сирош, 2014 35 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 1. С. 35 – 41 тся при применении и различных коммерческих пакетов, и моделей замыкания турбулентности в рамках одного пакета, а во-вторых, с тем, что по структуре течения в областях со сложной геоме- трией практически нет достоверных эксперимен- тальных данных. 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ В связи с этим была поставлена задача о про- ведении систематических численных расчетов те- чения вязкой среды в районе поворотных участ- ков трубы постоянного диаметра при различных радиусах поворота с применением пакета Fluent (ANSYS) для решения системы уравнений Рей- нольдса при вариации моделей замыкания тур- булентности с анализом как структуры течения, так и количественных значений локальных и ин- тегральных гидравлических потерь на поворотном участке. При этом первоначально были проведе- ны тестовые расчеты при тех же моделях замыка- ния турбулентности (Spalart-Allmares; k-ε; k-w; Reynolds-stress) для прямолинейных участков тру- бы того же диаметра и при том же фиксированном расходе, для которых есть надежные эксперимен- тальные данные. В результате тестовых расчетов для поворотного участка трубопровода применена модель замыкания турбулентности "модель пере- носа напряжений Рейнольдса". Эта модель также не лишена недостатков, основной из которых − не- нулевые значения напряжений Рейнольдса на об- текаемой поверхности, что приводит к существен- ным отклонениям расчетных характеристик тур- булентности в пристенной области от физически реализуемых. Однако влияние этого недостатка можно минимизировать выбором шага сетки по нормали к обтекаемой поверхности в зависимости от числа Рейнольдса. На рис. 1 представлена схе- ма поворотного (90◦) участка трубопровода, для которого определяются характеристики турбулен- тного потока, характеристики вторичного течения (интенсивность и размеры пары продольных ви- хрей) и гидравлические потери при изменении ра- диуса поворота трубопровода. На входе тестово- го участка задаются осесимметричные характери- стики турбулентного потока установившегося те- чения в прямой трубе при соответствующем числе Рейнольдса, полученные расчетом соответствую- щего пакета и моделью турбулентности, которая применяется и для расчета в поворотном участке трубы. Акцент на выборе граничных условий на входе в тестовый участок сделан в связи с тем, что расчетные результаты для прямолинейного участ- ка трубы при выбранном сеточном шаблоне доста- Рис. 1. Область расчета поворота трубопровода точно заметно количественно отличаются между собой в зависимости от применяемой модели тур- булентности и более чем на 10% меньше классиче- ских трубных экспериментальных данных при со- ответствующем числе Рейнольдса. Изменение дав- ления на выходе при выбранной скорости потока соответствует изменению массового расхода. Несмотря на то, что расчеты проводились при больших числах Рейнольдса (Re≥ 106), в пристен- ной области применялись различные стандартные пристенные функции пакета, учитывающие вяз- кие эффекты. 2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ На прямолинейном участке трубы опробова- ны следующие модели турбулентности: Spalart- Allmares, k-ε, Reynolds-stress. Качественно резуль- таты расчетов для всех моделей турбулентности отражают структуру осесимметричного турбулен- тного течения, однако если коэффициенты ги- дравлических потерь, вычисленные по градиенту давления, практически совпадают для всех мо- делей турбулентности, то вычисленное напряже- ние трения на поверхности очень разнится от ви- да модели. При этом коэффициенты гидравличе- ских потерь, вычисленные по градиенту давления, 36 Е. Г. Воропаева, Е. А. Сирош ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 1. С. 35 – 41 получаются заниженными на 10 − 15% по срав- нению с экспериментальными данными для со- ответствующего числа Рейнольдса. Так как ре- зультаты расчетов с применением модели перено- са напряжений Рейнольдса в рассмотренном диа- пазоне чисел Re демонстрировали характеристики турбулентности, более соответствующие экспери- ментальным данным, то при расчете поворотных участков применялась именно эта модель турбу- лентности. Для анализа вторичных течений, возникающих в поворотном участке трубы, выбрано три значе- ния безразмерного радиуса поворота η = Rп/d, (здесь d − диаметр трубы), равные 1.0, 1.5 и 2.0, которые наиболее часто встречаются в техниче- ских устройствах, при Red = 1.43 · 106. Расче- тная область включала в себя входной участок `1, равный диаметру, поворот и выходной участок `2, равный от 3 до 8 калибров (рис. 1). В начале входного участка задавался профиль продольной скорости и характеристики турбулентности уста- новившегося течения воздуха в прямой трубе при соответствующем числе Re и давлении на выходе. На рис. 2 представлены коэффициенты напря- жения трения вдоль образующих на поверхности трубы, проходящих по выпуклой и вогнутой по- верхности в плоскости поворота трубы. При η = 1.0 на выходе из поворота за выпуклым участком фиксируется непродолжительная зона возвратно- го течения; при увеличении радиуса поворота зо- на возвратного течения исчезает. Разность значе- ний напряжений трения на вогнутой и выпуклой образующих после выхода из поворотного участ- ка остается достаточно большой и на расстоянии 8 калибров от поворота. С увеличением радиуса поворота эта разность уменьшается. На участке поворота максимум напряжения трения на выпу- клой поверхности при η = 1.0 более чем в семь раз превышает минимум напряжения трения на вогнутой поверхности, но при увеличении радиу- са поворота разность напряжений уменьшается и при η = 2.0 это соотношение составляет ∼ 3, т.е. существенная неоднородность напряжения трения на поверхности трубы при конечной кривизне по- ворота получается аналогично значениям напря- жений при пульсирующем продольном градиенте давления [5]. Напряжение трения после выпукло- го участка достаточно быстро принимает значения трения на прямом участке трубы при рассмотрен- ных радиусах поворота, в то время как на поверх- ности после вогнутого участка напряжение трения и на расстоянии 8 калибров превышает асимпто- тические значения напряжения трения в прямой l /d-2 -1 0 1 2 3 0 1 2 3 4 τ 1 1’ 2 2’ 3’ 3 λ ×100 a l /d-3 -2 -1 0 1 2 3 0 1 2 3 4 1 1’ 2 2’ 3 3’ ×τλ 100 б l /d-3 -2 -1 0 1 2 3 0 1 2 3 4 1 1’ 2 2’ 3 3’ ×τλ 100 в Рис. 2. Изменение коэффициента сопротивления трения вдоль образующих: ϕ = 0 ◦ – номера кривых со штрихами; ϕ = 180 ◦ – номера кривых без штрихов (штриховая линия соответствует входному участку, сплошная – поворотному, штрих-пунктирная – выходному); а) – η = 1.0; б) – η = 1.5; в) – η = 2.0 трубе при данном числе Re. В поворотном колене реализуется достаточно сложное вихревое течение, но с нулевым интегра- лом завихренности по нормальному сечению тру- бы, т.е. в повороте генерируется симметричный относительно плоскости поворота парный про- дольный вихрь, занимающий практически все се- чение трубы. При этом максимум модуля продоль- ной завихренности достигается внутри поворотно- Е. Г. Воропаева, Е. А. Сирош 37 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 1. С. 35 – 41 s-2 -1 0 1 2 3 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 Cp 1 2 3 a s-3 -2 -1 0 1 2 3 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 Cp 1 2 3 б s-3 -2 -1 0 1 2 3 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 Cp 1 2 3 в Рис. 3. Изменение коэффициента давления вдоль различных образующих, приведенный к давлению на выходе: 1 – ϕ = 180 ◦ (вогнутая поверхность трубы); 2 – ϕ = 0 ◦ (выпуклая поверхность трубы); 3 – ϕ = 90 ◦ (боковая поверхность трубы); а) – η = 1.0; б) – η = 1.5; в) – η = 2.0 го участка и его значение обратно пропорциональ- но радиусу поворота, и угол поворота, при котором достигается максимум, уменьшается с увеличени- ем радиуса поворота. Также можно отметить, что продольная (нормальная к сечению трубы) компо- нента завихренности wn = wx sin α − wy cosα s-2 -1 0 1 2 30 5 10 15 20 R=1.0 R=1.5 R=2.0 15ο ο 60 \|\|\| \|\| ο70 ο30 ο 45 ω Рис. 4. Изменение максимума завихрености вдоль поворотного участка трубы при различных радиусах поворота начинает формироваться на поверхности трубы симметрично относительно плоскости поворота еще до поворота. Так, на расстоянии полкалибра от входа в поворот максимум модуля безразмер- ной продольной завихренности при η = 1.0 состав- ляет \|w̃\| = 0.25 и находится практически на по- верхности трубы близко к образующей ϕ = 90◦, а в сечении входа в поворот ее значение уже со- ставляет \|w̃\| = 1.32. При этом максимум практи- чески остается на поверхности трубы, но смеща- ется к образующей трубы (ϕ = 60◦). При увели- чении радиуса поворота трубы значение максиму- ма модуля продольной завихренности уменьшае- тся, так, при входе в поворот при η = 1.5 макси- мум модуля \|w̃\| = 0.82, а при η = 2.0 − \|w̃\| = 0.58. То есть значение максимума модуля завихренно- сти при увеличении радиуса поворота в два ра- за уменьшается более чем в два раза, и смеще- ние точки максимума в сторону выпуклой обра- зующей (ϕ = 0◦)при η = 2.0 значительно меньше, чем при η = 1.0. Таким образом, результаты расче- тов отражают качественную картину зарождения пары продольных вихрей именно на поверхности трубы, за счет трансформации компонент wx и wz вектора завихренности в компоненту wz, равную − wn на входном участке трубы, за счет возни- кающего поперечного градиента давления на по- вороте трубы. При этом значение максимума мо- дуля продольной завихренности пропорционально разности значений давления на вогнутой и выпу- клой образующих поверхности поворотного коле- на. Так, при η = 1.0 в сечении трубы на входе в поворот разность коэффициентов давления ∆Cp (рис. 3) равна 1.0, при η = 2.0 в этом же сече- нии ∆Cp = 0.47. Следует обратить внимание, что максимум ∆Cp на вогнутой поверхности поворо- тного участка относительно слабо зависит от ра- 38 Е. Г. Воропаева, Е. А. Сирош ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 1. С. 35 – 41 y-0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.6 0.8 1 1.2 U/Up 1 2 3 a z-0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.6 0.8 1 1.2 U/Up 1 2 3 б Рис. 5. Профили безразмерной продольной скорости: кривая 1 – прямая труба; кривая 2 – Rп = 1.5; кривая 3 – Rп = 2.0 в сечении `/d = 3 диуса поворота, так при η = 1.0 он составляет 0.8 и уменьшается до значения 0.53 при η = 2.0, в то время как на выпуклой образующей минимум ∆Cp равен -1.85 при η = 1.0, а при η = 2.0 ∆Cp равен всего -0.55. При этом распределение коэффициен- та давления достаточно равномерно по всей вогну- той образующей, тогда как на выпуклой образую- щей имеет место ярко выраженный минимум ∆Cp на углах поворота α, равных 15 ÷ 18◦, слабо за- висящих от радиуса поворота. Учитывая, что мы имеем практически линейную зависимость давле- ния в плоскости поворота, значение ∆Cp может служить оценкой величины трансформации попе- речной завихренности в продольную. Анализ продольной завихренности wn в пово- ротных сечениях показывает, что относительно плоскости поворота симметричность завихренно- сти сохраняется на протяжении всего поворотно- го участка, максимумы модуля wn перемещаются к образующим ϕ = ±(25◦ ÷ 30◦), но остаются на поверхности трубы до угла поворота α, равного 60 ÷ 70◦ в зависимости от радиуса поворота. При этом максимум модуля продольной завихренности a б Рис. 6. Изолинии безразмерной продольной завихренности w̄x = w̄xd/Up при Rп/d = 1.0: а – в сечении на выходе из поворотного участка; б – в сечении удаленном от входного участка `/ = 8 резко растет при входе в поворот и достигает сво- его наибольшего значения при \|w̃n\|max = 19.69 на углах поворота близких 60◦, что значительно больше угла поворота, при котором ∆Cp достига- ет своего максимума (α ≈ 15◦÷18◦). При увеличе- нии радиуса поворота значения максимума моду- ля продольной завихренности уменьшаются и до- стигаются при меньших углах поворота. Так при η = 1.5 α ≈ 50◦ и \|w̃n\|max = 10.05, а при η = 2.0 значение \|w̃n\|max = 6.85 достигается при угле по- ворота α ≈ 43◦. На выходе из поворотного участ- ка максимум продольной завихренности сохраня- ет достаточно большое значение (до 65% от наи- большего значения соответствующего радиуса по- ворота), а затем уменьшается под действием вяз- кости (рис. 4) и уже на расстоянии трех калибров от поворота значения максимума продольной за- вихренности практически не зависят от радиуса поворота, сохраняя достаточно большое значение \|w̃n\|max = 2. Профиль продольной скорости на Е. Г. Воропаева, Е. А. Сирош 39 ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 1. С. 35 – 41 y-0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.6 0.8 1 1.2 U/Up 1 2 3 a z-0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.4 0.6 0.8 1 1.2 U/Up 1 2 3 б Рис. 7. Профили безразмерной продольной скорости: кривая 1 – прямая труба; кривая 2 – в сечении `/d = 3; кривая 3 – в сечении `/d = 8 этом расстоянии от поворота также уже практи- чески не зависит от радиуса поворота, но остае- тся существенно отличающимся от осесимметри- чного трубного профиля за счет образовавшихся двух симметричных продольных вихрей (рис. 5) с минимумом скорости на оси трубы. С удалением от поворота интенсивность зави- хренности продолжает уменьшаться, но скорость вырождения ее тоже уменьшается, и на рассто- янии 8 калибров значение максимума продоль- ной завихренности составляет \|w̃n\|max ≈ 0.77, но при этом вихри приобретают классическую фор- му (рис. 6). Профиль продольной скорости на этом расстоянии от поворота остается еще не осесимме- тричным с максимумом скорости у вогнутой обра- зующей, но этот максимум только на 3,5% пре- вышает значение скорости на оси трубы (рис. 7), в то время как на выходе из поворота эта разность превышала 25%. На рис. 8 представлены проекции векторов скорости на нормальную плоскость се- чения трубы на различных расстояниях от пово- ротного участка. На этих рисунках четко просле- a б Рис. 8. Проекция вектора скорости на плоскость сечения трубы на различных расстояниях после поворота: а –`/d = 3; б – `/d = 8 живается изменение положения центров вихрей с удалением от поворотного участка. При рассмотрении траекторий "меченых" ча- стиц, запущенных в поток перед поворотным участком симметрично относительно плоскости поворота (рис. 9), обращает на себя внимание не- равномерность закрутки частиц при их прохожде- нии поворота и дальнейшем продвижении. До по- ворота частица перемещается вдоль образующей, на которой она запущена, но уже непосредственно перед поворотом заметно смещение частиц со сво- ей начальной образующей. В поворотном участ- ке частицы подхватываются образующимися там вихрями и по спиралевидным траекториям от по- верхности трубы перемещаются к плоскости сим- метрии поворота. "Меченые"частицы, попавшие в эту плоскость, резко замедляют скорость вра- щения по поверхности вихрей, и за время прохо- 40 Е. Г. Воропаева, Е. А. Сирош ISSN 1561 -9087 Прикладна гiдромеханiка. 2014. Том 16, N 1. С. 35 – 41 Рис. 9. Траектории частиц на участке трубы длиной `/d = 5, начальное сечение которого удалено от поворота на расстояние `/d = 3 ждения до выходного сечения, отстоящего от по- ворота на расстоянии трех калибров, совершают четверть оборота по поверхности вихрей. Значе- ние этого угла спиралевидности зависит от радиу- са поворота трубы: с уменьшением угла поворота угол спиралевидности увеличивается, но незначи- тельно, а при удалении от поворота на расстояние более трех калибров зависимость от радиуса пово- рота практически не прослеживается. ВЫВОДЫ Структура потока и гидравлические потери по- воротных участков при турбулентном режиме те- чения существенно зависят от радиуса поворота. Гидравлические потери резко возрастают при η ≤ 1, когда за поворотом образуются возвратные зо- ны течения. При η > 1 увеличение гидравлических потерь поворотного участка по сравнению с пря- молинейным участком трубы в основном связано с образованием пары продольных вихрей. Структу- ра вихревого течения на повороте при η > 1 прак- тически не зависит от радиуса поворота, но интен- сивность завихренности образовавшихся вихрей существенно зависит от радиуса поворота: чем меньше радиус поворота, тем она больше. Одна- ко на расстоянии от поворота, большем трех ка- либров, и интенсивность завихренности перестает зависеть от радиуса поворота, что связано со ско- ростью вырождения завихренности, которая зави- сит не только от вязкости среды, но и от величи- ны завихренности. При этом продольные вихри со- храняются на расстоянии, превышающем 10 кали- бров от поворота, а следовательно, и профиль ско- рости остается не осесимметричным. Однако ме- стные коэффициенты гидравлических потерь на таких расстояниях от поворота уже не превыша- ют коэффициенты гидравлических потерь прямо- линейных труб. 1. Ellis L. B., Joubert P. N. Turbulent shear flow in a curved duct // J. Fluid Mech.– 1974.– 62, N 1.– P. 65–84. 2. Berger S. A., Talbot L., Yao L. S. Flow in curved pipes // Ann. Rev. Fluid Mech.– 1983.– 15.– P. 461– 512. 3. Bovendeerd P. H. W., Steenhoven A. A., Vosse F. N. Steady entry flow in curved pipe // J. Fluid Mech.– 1987.– 177.– P. 233–246. 4. Chauve M. P., Sciestel R. Influence of weak wall undulations on the structure of turbulent pipe flow: an experimental and numerical study // J. Fluid Mech.– 1985.– 160.– P. 47–85. 5. Siggers J. H., Waters S. L. Unsteady flows in pipes wi- th curvature // J. Fluid Mech.– 2008.– 600.– P. 133– 165. Е. Г. Воропаева, Е. А. Сирош 41

Вторичные течения в поворотных устройствах

Institution

Ähnliche Einträge