ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ

Введение

Современная техника позволяет осуществить измерения параметров течения в колесах разных типов, однако эти исследования являются очень трудоемкими, и как правило, не поддаются обобщению. Поэтому задача освоения эффективных методов исследования приобретает большое значение.

Актуальность представленной темы определяется необходимостью снижения шума вентиляторов на подводной лодке, для улучшения скрытных показателей в подводном положении.

Основная задача моделирования динамических процессов в колесе вентилятора состоит в том, чтобы изучить особенности физического процесса, происходящего в межлопаточных каналах колеса, на рисунке 1 представлено колесо центробежного вентилятора

Рисунок 1. Колесо центробежного вентилятора

Методы

Течение в рабочем колесе центробежного вентилятора является пространственным, неустановившимся и в общем случае отрывным. Расчет такого течения даже без учета вязкости и сжимаемости среды представляет большие трудности, и в настоящее время точное решение такой задачи в общем случае не может быть осуществлено. Распространенным методом является приближенное решение задачи, которое сводится к решению нескольких предельных двумерных задач для установившихся течений: осесимметричного течения через решетки с бесконечным числом лопаток; двумерного течения на осесимметричных поверхностях тока в слое переменной толщины; вторичных течений в поперечных сечениях потока.

Расчет пространственного течения в рабочем колесе даже в этой упрощенной постановке представляет значительные трудности из-за нелинейности исходных уравнений и пока широко не используется при проектировании и исследовании центробежной ступени. Поэтому в настоящее время для исследования пространственного течения в колесе наибольшее применение находят экспериментальные методы.

Простейшим способом экспериментального исследования течения в рабочем колесе является визуализация, которая позволяет получить наглядную картинку течения в межлопаточных каналах без проведения сложного эксперимента с различными приборами и без сложной обработки экспериментальных данных. Недостатком визуализации является получение лишь качественной картины течения. Однако в последние годы разработаны такие способы визуализации, которые позволяют, правда после довольно громоздкой обработки первичных данных, получать количественные значения основных параметров потока: скорости и давления.

Предполагаю, что шум происходит за счет резонанса в корпусе вентилятора, что наглядно может показать визуализация процесса.

Результаты

Работу вентилятора всегда сопровождает шум. Источниками шума вентилятора служат любые колебательные явления, сопровождающие их работу.

Колебательные процессы аэродинамического происхождения вызывают аэродинамический шум. Составляющие аэродинамического шума можно классифицировать следующим образом:

1. Возникновение вихрей, отрывных течений в межлопаточных каналах в виде аэродинамических следов за лопатками.

2. Периодические пульсации давлений и скоростей, вызванные неоднородностью потока из-за наличия конечного числа лопаток колеса, вызывают шум от неоднородности потока.

3. Пульсации скорости и давления, возникающие в турбулентном пограничном слое на твердых поверхностях, ограничивающих проточную часть, вызывают шум пограничного слоя.

4. Пульсации турбулентных касательных напряжений, вызываемые поперечным переносом вихрей при наличии неравномерного поля скоростей, служат причиной турбулентного шума.

5. Автоколебательный шум, вызванный собственными колебаниями проточной части вентилятора и сети.

Рассмотрим отдельные составляющие шума вентилятора. Главную роль у правильно сконструированного вентилятора обычно играют шумы аэродинамического происхождения, вызванные возникновением вихрей и пульсациями давления и скорости.

При просмотре результатов исследования программы решения на номинальном режиме работы вентилятора были выявлены зоны вихреобразования с помощью инструмента Flow trajectories (Траектории) показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Вихреобразование в межлопаточных каналах колеса центробежного вентилятора

Вихреобразование происходит на спинке лопатки вблизи переднего диска колеса. Возникновение вихрей приводит к местным пульсациям давления среды и пульсациям давления на поверхности лопаточного аппарата. Наличие положительного градиента давления приводит к отрыву пограничного слоя и возникновению развитых вторичных течений на спинке лопатке. Для наглядности с помощью инструмента Cut Plot (Картина в сечении) см.рис. 3. можно посмотреть распределение значений относительной скорости течения потока в межлопаточном канале по выбранному сечению.

Рисунок 3. Распределение относительной скорости

Картины в сечении показывают распределение относительной скорости в виде заливок (Contours), также показаны векторы скорости (Vectors). Рассмотрим сечения вблизи переднего диска и близи заднего диска.

Вихреобразование происходит вблизи переднего диска, где наблюдается неравномерность в распределении относительной скорости. Далее к заднему диску поле относительной скорости выравнивается, и вихреобразование не происходит.

Для определения частоты вихреобразования и частоты собственных колебаний проточной части необходимо произвести расчет.

Частота вихреобразования в газодинамических процессах связана величиной, называемой число Струхаля.

Скорость движения вихрей пропорциональна скорости потока, а расстояние между ними – характерному размеру вентилятора. Поэтому частота   срыва вихрей пропорциональна характерной скорости u и обратно пропорциональна характерному размеру Н. Отсюда для частот вихревого шума получим выражение:

Таким образом, значение критерия Струхаля в данном случае зависит от геометрической формы обтекаемого элемента, режима работы вентилятора, местной относительной скорости потока и критерия Re.

Зависимость числа Струхаля от числа Re выражается графиком показанном на рисунке 4.

Рисунок 4. Зависимость числа Струхаля от числа Рейнольдса

Обсуждение

Гипотеза об образовании шума за счет резонанса подтвердилась теоретически, так же требуется подтверждение экспериментальными данными.

Для будущих исследований положено хорошее начало, необходимо будет принимать решения данной проблемы. Таким образом необходимо проводить ряд мероприятий для недопущения резонанса в конкретной части вентилятора.

Заключение

В заключении можно отметить основные результаты работы:

- подтверждение предложенной гипотезы об образовании шума

- проведение теоретического эксперимента

Для продолжения исследований необходимо провести эксперимент на практике, а также разработать комплекс технологических и технических мероприятий по модернизации судовых вентиляторов.