Исследование влияния модификации поверхности и шероховатости мили-, микро- и наномасштаба на кавитационные характеристики в условиях высоконапорного гидродинамического потока
Нестационарные кавитационные явления в гидроэнергетических системах являются одним из основных источников неустойчивостей и механических повреждений. В особенности кавитации подвержены лопатки направляющего аппарата, лопасти рабочего колеса и отсасывающие трубы гидротурбин. Несмотря на достаточно глубокое понимание физики и механизмов протекающих процессов, развитие средств и методов для подавления и управления кавитацией, а также наличие утвержденных рекомендаций и протоколов для безаварийной эксплуатации и технического обслуживания, до сих пор существует целый ряд проблем, отличающихся для разных ГЭС и зависящих от типа используемого машинного оборудования, их размеров, режимов и графиков эксплуатации. Развитие пассивных методов таких как изменение морфологии и шероховатости поверхности для управления кавитационными течениями является весьма актуальной задачей, как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения совершенствования конструкций современного гидротехнического и гидроэнергетического оборудования.
Методы
Система высокоскоростной визуализации
1. Три камеры Photron FASTCAM SA5 (разрядность АЦП – 12 бит, частота – 7 kHz, разрешение матрицы – 1024×1024 пикс.)
2. Регулируемая светодиодная линейка (шесть независимых светодиодов мощностью по 100 Вт, цветовая температура диодов 6000K )
3. Система внешней синхронизации
Система гидроакустических измерении
1. *Гидрофон Brüel&Kjær Type 8103 (чувствительность – 24,6 мкВ/Па, частотный диапазон – от 0,1 Гц до 180 кГц, точность измерений – от 1,5 дБ)
2. *Усилитель сигнала NEXUS (Type 2692)
3. *АЦП L-Card E502
Система PIV для измерения полей скорости
1. Двойной импульсный Nd:АИГ лазер Quantel Big Sky EVG00200 (длина волны излучения – 532 нм, длительность импульса – 10 нс, энергия в импульсе – 200 мДж, частота повторения импульсов – 15 Гц)
2. Кросскорреляционная ПЗС-камеры ImperX GEV B2020 (разрядность 14 бит, разрешение 2056×2048 пикс., частота регистрации 6 Гц)
3. Набор объективов Nikon AF Micro-Nikkor 60mm f/2.8D, AF Nikkor 50mm f/1.4D и AF Nikkor 28mm f/2.8D с оптическими фильтрами низких частот (край полосы пропускания на длине волны 570 нм)
4. Синхронизатор подключенный к ПК с программным обеспечением “ActualFlow”
5. Флуоресцентные трассеры (средний размер – 10 мкм, диапазон длин волн излучения – 550-700 нм)
Влияние шероховатости поверхности на кавитацию
Кавитация на гидрокрыле с различной шероховатостью
После предварительной обработки полученных экспериментальных данных было выявлено, что при малых углах атаки изменение шероховатости приводит к значительному изменению характеристик кавитационной пленки.
С увеличением уровня шероховатости размеры кавитационной зоны увеличивается. При увеличении средней шероховатости Ra до 5,94 мкм наблюдается изменение типа кавитации с пузырькового на пленочный, при этом каверна имеет ярко выраженную стриковую структуру и занимает все пространство от одной до другой стенки канала.
Кавитационная каверна в целом стабильна, но в области ее замыкания развивается возвратная струя. Это в конечном счете приводит к пульсациям области замыкания каверны с дальнейшим ростом шероховатости
Кавитация на гидрокрыле с полимерной пленкой
Проведена серия экспериментов на гидрокрыле с гидрофобной полимерной пленкой, на поверхности которой были созданы структуры различной формы и масштаба.
Показано что пленка провоцирует возникновение дополнительной зоны кавитации на поверхности гидрокрыла на всех углах атаки (отмечена красным пунктиром). На небольших углах атаки эта зона располагается в центральной части гидрокрыла, а на больших углах атаки – ближе к передней кромке, приблизительно на расстоянии 25% длины хорды от передней кромки гидрокрыла. Кавитационная зона в передней части крыла (показана сплошной зеленой линией), которая наблюдается как на оригинальном крыле, так и на крыле с пленкой, не претерпевает никаких изменений при изменении свойств поверхности.
