Исследование неоднородностей потока в каналах переходного сечения

Автор: Тимофей Егорович Уваров

Соавторы: Кирилл Сергеевич Пьянков

Организация: ФАУ ЦИАМ им. П.И. Баранова

Исследуются неоднородности потока, формирующиеся в пространственных участках перехода от ресивера прямоугольного сечения к трубопроводу круглого сечения. Подобные переходы встречаются в ресиверах газоперекачивающих аппаратов (ГПА) или, например, при наземных испытания газотурбинных двигателей (ГТД) с присоединенным трубопроводом. Для подобных пространственных переходных участков характерно возникновение вторичных течений, которые, в свою очередь, являются причиной неоднородности потока, приводящей к дополнительным нагрузкам на первые ступени компрессора и повышению уровня шума. В некоторых случаях, при асимметричном течении вблизи участка перехода, происходит образование вихрей, часть из которых засасывается в трубопровод. При этом возникает опасность попадания в канал посторонних предметов, что может привести к выходу установки из строя.

Для исследования неоднородностей потока в каналах переходного сечения были рассчитаны модели ресиверов с трубопроводом, различающимися по следующим параметрам: отношение сторон прямоугольного поперечного сечения ресивера (a/b), относительная площадь поперечного сечения ресивера α = A0/A1 (A0 – площадь сечения ресивера, A1 – площадь сечения трубопровода), взаимное расположение осей ресивера и трубопровода (перпендикулярно или соосно), расположение лемнискатного участка («вровень» или «выпирает»). Численный расчет различных схем ресивера с присоединенным трубопроводом проводился путем интегрирования уравнений RANS, замкнутых моделью турбулентности k – ω SST.

Исследование пространственного течения на участке перехода от прямоугольного сечения ресивера к круглому сечению трубопровода показало наличие вихреобразований, скорость в которых может достигать трети от средней осевой скорости в трубопроводе. Выявлены случаи, в которых помимо вихрей, образующихся в отрывной зоне в углу ресивера, в трубопровод засасываются вихри, опирающиеся на стенку ресивера, которые возникают перед входом в лемнискатный участок (см. Рис.). Наличие подобных структур способно оказывать существенное влияние на потери полного давления и однородность потока.

Подобные исследования представляют практический интерес при проектировании ГПА и отработке техники проведения стендовых испытаний.