Характеристика потока и особенности кавитационных явлений в контрвихерных гасителях энергии гидротехнических сооружений

В энергогасителе для гидравлических водосбросных систем формируется искусственно созданный пространственный неравномерный поток с взаимодействующими, противоположно вращающимися, соосно расположенными слоями воды. Такой поток состоит из двух независимых частей: циркуляционно-продольного и противовихревого потоков. Последний характеризуется сложной формой распределения составляющих скорости по поперечному сечению и специфическими структурными параметрами, которые формируются за счет особой организации начальных продольно-осевых потоков. Такие сложные гидродинамические задачи в настоящее время могут быть решены с помощью математического моделирования [1]. Однако в большинстве случаев, особенно при изучении кавитационных явлений, физическое моделирование используется на экспериментальном стенде с использованием модели определенного масштаба, где рабочей средой является вода.

Целью исследования является анализ гидромеханических характеристик потоков в проточной части устройства, обеспечивающего чрезвычайно высокий уровень гашения кинетической энергии, и на его основе обоснование кавитационных явлений, возникающих при работе системы. Работа такого демпфера характеризуется очень большими значениями градиентов скорости и, как следствие, образованием областей с давлением ниже атмосферного. Поскольку кавитация возникает в областях потока жидкости с пониженным давлением (до значения, меньшего, чем давление насыщенного водяного пара), важно знать распределение ряда параметров, включая давление по длине пути потока.

На рис. 1 показана принципиальная схема контрвихревого гасителя энергии потока, поясняющая работу устройства, а на рис. 2 модель, на которой проводились исследования.

Зона А – подвод воды к гасителю энергии и формирование циркуляционно-продольных потоков до их взаимодействия. Зона L – область взаимодействия закрученных потоков в камере гашения. 1 – завихритель внутреннего циркуляционно-продольного потока; 2 – промежуточная цилиндрическая камера; 3 – завихритель внешнего циркуляционно-продольного потока; 4 – камера взаимодействия противоположно вращающихся потоков (камера гашения); 5 – внешний взаимодействующий слой воды; 6 – внутренний взаимодействующий слой воды; 7 – центральная осевая струя воды. Q1, Q2, Q3 – расходы воды, подаваемые к устройству из напорной водосбросной системы гидротехнического водосброса; V – средняя скорость потока на выходе из гасителя

Рисунок 1. Схема гасителя энергии гидротехнического водосброса с тангенциальными цилиндрическими завихрителями потока

Модель выполнена в масштабе 1:12 натуры. Измерялись: кинематика потока, давление на стенке и в толще потока, воздухосодержание водных масс.

1 – напорный водовод с установленными решётками для выравнивания профиля скоростей на входе в устройство; 2 – подводящий канал внутреннего завихрителя; 3 – подводящий канал внешнего завихрителя; 4 – завихритель внутреннего циркуляционно-продольного потока; 5 – завихритель наружного циркуляционно-продольного потока; 6 – промежуточный цилиндрический патрубок; 7 – камера гашения; 8 – аэрационная проточная часть для подачи атмосферного воздуха в центр кавитационного жгута. J и K – мерные створы. Размеры даны в долях от диаметра камеры гашения

Рисунок 2. Схема проточная часть модельной установки

Траектория потока модели включала в себя: подающую секцию 1 с решетками, которые выравнивают профиль скорости на входе в заслонку. Этот участок имеет желобообразное поперечное сечение, соответствующее поперечному сечению полномасштабного питающего туннеля [2]. Состав проточной части включал собственно огнетушитель, включая позиции 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и нижестоящий лоток (лоток не показан на рис. 2), который был установлен в конце камеры 7 тушения. Модель была изготовлена из листовой стали толщиной 14 мм, с обвязкой и ребрами жесткости, расположенными с шагом 250 мм (для соответствия требованиям обеспечения величины собственных колебаний частоты футеровки не ниже 200 Гц).

Геометрические и гидравлические характеристики модели следующие: длина модели - 9,6 м, диаметр закалочной камеры 7 - 0,8 м, ее длина - 5,6 м, диаметр промежуточной трубы 6 - 0,66 м, ее длина - 1,8 м. Локальные завихрители 6 выполнены в виде спиральных камер с углом охвата 345 градусов. Максимальное эффективное давление на модели H составляет 80 м, максимальный расход Q - до 6,5 м3/с. Давление на стенках проточного тракта огнетушителя измерялось приборами, расположенными в двух вентилях J и K, показанных на рис. 2. В измерительных клапанах устройства располагались по окружности цилиндрической поверхности промежуточного сопла 6 огнетушителя, где формировался продольный циркуляционный поток. Значения давления, полученные в каждом из измерительных клапанов, были усреднены по показаниям нескольких приборов [3-4].

В результате проведенного анализа и данных, полученных с помощью физического моделирования, можно сделать следующие выводы.

1. Работа противовихревого энергогасителя гидротехнических сооружений основана на вязком взаимодействии слоев воды, организованных особым образом в цилиндрической камере пожаротушения.

2. Характер потока жидкости на всем пути прохождения огнетушителя связан с циркуляционно-продольным движением жидкости.

3. Противовихревой поток – это неравномерный поток, в котором взаимодействуют противоположно вращающиеся слои жидкости.

Таким образом, как в области независимых циркуляционно-продольных течений, так и в области противовихревого течения с взаимодействующими слоями кавитационные проявления, связанные с образованием сферических полостей с насыщенными парами жидкости, имеют тенденцию смещаться к оси потока (вращения). Это обстоятельство приводит к тому, что процесс кавитации начинает смещаться в массу текущей жидкости и отходить от стенок проточной части, что резко уменьшает кавитационную эрозию и разрушение конструктивных элементов водосбросных систем. Это проявление кавитации радикально отличается от кавитации, возникающей в продольно-осевых (обычных) потоках.