Экспериментальная оценка структуры потока в вертикальном коническом диффузоре при разных способах подачи воздуха

АКТУАЛЬНОСТЬ исследования определяется тем, что вертикальные конические диффузоры используются в качестве вспомогательных аппаратов во многих технических приложениях в различных отраслях (химическая промышленность, энергетическое машиностроение, технологические устройства и т.д.).

ЦЕЛЬ. Оценить влияние способа (конструкции) подвода воздуха, формы поперечного сечения подводящих каналов и сопловых трубок на газодинамическую структуру потока в вертикальном диффузоре для разных расходных характеристик.

МЕТОДЫ. Структура (распределение) потока внутри вертикального диффузора при подаче воздуха с помощью разных конструкций подводящих каналов изучалось на экспериментальном стенде. На основе метода тепловизуализирующей съемки изучалась структура потока в вертикальном диффузоре. В данном исследовании изучалось два способа подвода воздуха в вертикальный диффузор: подвод воздуха через один прямолинейный канал снизу и сопловая подача воздуха через четыре трубки. Каналы и сопла имели поперечные сечения в форме круга, квадрата и треугольника. Соответственно, было изучено влияние шести конструкций подвода воздуха в вертикальный диффузор и их влияние на газодинамическую структуру течения.

РЕЗУЛЬТАТЫ. Опыты проводились при стационарном режиме течения воздуха в диффузоре для расходов воздуха от 0,015 до 0,06 м³/с. Число Рейнольдса для потока воздуха на выходе из подводящего канала находилось в диапазоне от 42500 до 150000. Получены термограммы структуры потока в вертикальном диффузоре при разных способах подачи воздуха для разных расходных характеристик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Особенности структуры потока в вертикальном диффузоре при традиционном подводе воздуха снизу через один канал заключаются в формировании ярко выраженного центрального течения воздуха вдоль вертикальной оси диффузора при использование всех конфигураций канала. При этом форма поперечного сечения подводящего канала оказывает существенное влияние на структуру потока в коническом диффузоре. Особенности структуры потока в вертикальном диффузоре при сопловой подаче воздуха через четыре трубки заключаются в отсутствии застойных зон и центральном течении воздуха вдоль оси. При этом использование квадратной и треугольной сопловых трубок приводит к более равномерному распределению потока воздуха по всему объему вертикального диффузора.

1. Azad R.S. Turbulent flow in a conical diffuser: A review // Experimental Thermal and Fluid Science. 1996. Vol. 13(4). P. 318-337.

2. Ferrari A. Exact solutions for quasi-one-dimensional compressible viscous flows in conical nozzles // Journal of Fluid Mechanics. 2021. Vol. 915, Article number 915A1-1.

3. Novković D.M., Burazer J.M., Ćoćić A.S. Comparison of different CFD software performances in the case of an incompressible air flow through a straight conical diffuser // Thermal Science. 2017. Vol. 21. Р. 863-874.

4. Teshnizi E.S., Momeni F. Analytical Solutions and Analyses of the Displacement Separating Point in Diffusers // Journal of Applied and Computational Mechanics. 2022. Vol. 8(3). Р. 891-903.

5. Véras P., Balarac G., Métais O., Georges D., Bombenger A., Ségoufin C. Reconstruction of numerical inlet boundary conditions using machine learning: Application to the swirling flow inside a conical diffuser // Physics of Fluids. 2021. Vol. 33(8). Article number 085132.

6. Tanasa C., Bosioc A., Muntean S., Susan-Resiga R. A novel passive method to control the Swirling Flow with Vortex Rope from the conical diffuser of hydraulic turbines with fixed blades // Applied Sciences (Switzerland). 2019. Vol. 9(22). Article number 4910.

7. Yang J., Zhang Y., Chen H., Fu S. Flow separation control in a conical diffuser with a Karmanvortex generator // Aerospace Science and Technology. 2020. Vol. 106. Article number 106076.

8. Shukri E.S. Analytical velocity study in a conical diffuser with screw tape inserts // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 153. Article number 06003.

9. Shukri E.S., Hussein A.A., Khudhier A. Evaluation of velocity distribution utilizing the helically coiled tape in a conical diffuser // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 518(3). Article number 032018.

10. Mfon S.A., Alabi S.B., Udoetok E.S., Offor U., Nsek E., Tomas Z., Miklík T. A semi-empirical model for estimation of pressure drop coefficient of a conical diffuser // Chemical Engineering Transactions. 2019. Vol. 74. Р. 1003-1008.

11. Gosteev Yu.A., Obukhovskiy A.D., Salenko S.D. On head losses in conical diffusers // AIP Conference Proceedings. 2018. Vol. 2027. Article number 030048.

12. Tsoy M., Skripkin S., Litvinov I. Two spiral vortex breakdowns in confined swirling flow // Physics of Fluids. 2023. Vol. 35(6). Article number 061704.

13. Zhou X., Shi C., Miyagawa K., Wu H. Effect of modified draft tube with inclined conical diffuser on flow instabilities in Francis turbine // Renewable Energy. 2021. Vol. 172. Р. 606-617.

14. Liu Z., Favrel A., Miyagawa K. Effect of the conical diffuser angle on the confined swirling flow induced Precessing Vortex Core // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2022. Vol. 95. Article number 108968.

15. Ilić D.B., Benišek M.H., Čantrak D.S. Experimental investigations of the turbulent swirl flow in straight conical diffusers with various angles // Thermal Science. 2017. Vol. 21. Р. 725-736.

16. Yue Y., Shen Y. CFD-DEM study of spout incoherence phenomena in a conical spouted bed // Powder Technology. 2022. Vol. 406. Article number 117529.

17. Sahu N.K., Kumar M., Dewan A. Sophisticated interplay of operating conditions governs flow field transition and optimal conversion inside tangentially fired gasifiers // Energy. 2022. Vol. 252. Article number 123975.

18. Nazzal I.T., Ertunç Ö. Influence of turbulent flow characteristics on flame behaviour in diffuser combustors // Energy. 2019. Vol. 170. Р. 652-667.

19. Mohanan J.N., Sundaramoorthy K., Sankaran A. Performance improvement of a low-power wind turbine using conical sections // Energies. 2021. Vol. 14(17). Article number 5233.

20. Zou A., Chassaing J.-C., Li W., Gu Y., Sauret E. Quantified dense gas conical diffuser performance under uncertainties by flow characteristic analysis // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 161. Article number 114158.

21. Tanasa C., Bosioc A., Stuparu A., Muntean S., Susan-Resiga R. A Perspective Review of Passive Techniques Applied to Control the Swirling Flow Instabilities from the Conical Diffuser of Hydraulic Turbines // Applied Mechanics Reviews. 2023. Vol. 75(6). Article number 060801.

22. Buron J.-D., Houde S., Deschênes C. Statistical and spectral analysis of the bulbt conical diffuser flow // International Journal of Fluid Machinery and Systems. 2020. Vol. 13(1). Р. 79-89.

23. Ning C., Cao P., Gong X., Zhu R. Optimization of Sweep and Blade Lean for Diffuser to Suppress Hub Corner Vortex in Multistage Pump // Machines. 2021. Vol. 9(12). Article number 316.

24. Vaz J.R.P., de Lima A.K.F., Lins E.F. Assessment of a Diffuser-Augmented Hydrokinetic Turbine Designed for Harnessing the Flow Energy Downstream of Dams // Sustainability (Switzerland). 2023. Vol. 15(9). Article number 7671.

25. Zhilkin B.P., Larionov I.D., Shuba A.N. Applications of an infrared imager for determining temperature fields in gas flows // Instruments and experimental techniques. 2004. Vol. 4. P. 545-546.

26. Plotnikov L.V. Unsteady gas dynamics and local heat transfer of pulsating flows in profiled channels mainly to the intake system of a reciprocating engine // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2022. Vol. 195. Article number 123144.

27. Plotnikov L.V., Zhilkin B.P., Brodov Y.M. The Influence of Piston Internal Combustion Engines Intake and Exhaust Systems Configuration on Local Heat Transfer // Procedia Engineering. 2017. Vol. 206. P. 80-85.

28. Плотников Л.В., Бродов Ю.М., Жилкин Б.П., Григорьев Н.И. Особенности тепломеханических характеристик пульсирующих потоков в газовоздушных трактах поршневых двигателей с турбонаддувом // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. Т. 21. № 4. С. 77-84.

29. Plotnikov L. Mathematical Description of the Aerodynamic Characteristics of Stationary Flows in a Vertical Conical Diffuser When Air Is Supplied through Various Tube Configurations // Axioms. 2023. Vol 12(3). Article number 244.

30. Зарянкин А.Е., Падашмоганло Т. Разработка и исследование гасителей неравномерности в трубопроводных системах и трактах турбомашин на основе математического моделирования // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. Т. 21. № 1-2. С. 93-110.