Кавитация на рифленом двумерном гидрокрыле при малом угле атаки

Abstract

Кавитация представляет собой один из основных источников неустойчивостей течения, возникающих при эксплуатации гидравлического оборудования, а также является причиной эрозионного износа его рабочих элементов. В этой связи разработка и развитие различных методов управления кавитационными течениями является актуальной задачей для задержки развития кавитации и снижения ее негативного влияния. Одним из таких методов является модификация поверхности гидрокрыла. Цель работы: экспериментальное исследование кавитационного обтекания рифленого гидрокрыла с продольными бороздками полукруглого профиля на поверхности (НЛ2), представляющего собой уменьшенную модель направляющей лопатки высоконапорной гидротурбины, в сравнении с моделью оригинальной направляющей лопатки (НЛ1). Методы. Для анализа пространственной структуры и временной эволюции паровых каверн и оценки их интегральных характеристик была применена высокоскоростная визуализация. Скорость течения над гидрокрыльями и в их следе измерялась с помощью метода PIV, на основе измеренных ансамблей полей мгновенной скорости были получены распределения средних и турбулентных характеристик течения. Результаты. На лопатке с модифицированной поверхностью (НЛ2) кавитация зарождается в виде одиночных изолированных пузырей в канавках, которые при уменьшении числа кавитации переходят в кавитирующие стрики. Пока стрики локализованы в канавках и не взаимодействуют друг с другом, режим обтекания остается стационарным. Однако когда их размер становится больше диаметра желобков, они выходят за пределы этих углублений, взаимодействуют и образуют единую каверну, которая теряет устойчивость и начинает пульсировать. В целом бороздки на поверхности гидрокрыла позволяют в некоторой степени задержать развитие кавитации и воспрепятствовать переходу к нестационарным режимам обтекания. На нестационарном режиме динамика каверн на оригинальном гидрокрыле (НЛ1) и НЛ2 сильно отличается. Так, на НЛ1 в отличие от НЛ2 каверна никогда не исчезает полностью, каверна на НЛ1 в среднем оказывается длиннее и пульсирует с большей частотой (St=0,09) по сравнению с НЛ2 (St=0,06). Кроме того, поведение каверны в течение одного периода пульсаций оказалось довольно необычным для обеих моделей: сначала она увеличивается до максимального размера, затем несколько уменьшается и снова вырастает до максимума, после чего возвращается в исходное состояние. Причина такой динамики пока остается невыясненной. На переходном режиме обтекания, когда внутри бороздок формируются кавитирующие стрики, интенсивность турбулентных флуктуаций скорости над поверхностью НЛ2 снижается по сравнению с режимом пузырьковой кавитации. Это происходит потому, что изолированные каверны в желобках как бы восстанавливают форму модифицированного гидрокрыла, делая геометрию его поверхности более приближенной к оригинальной (НЛ1). Таким образом, профиль НЛ2 становится более заполненным благодаря локальной кавитации в бороздках. Вместе с тем наличие канавок на поверхности НЛ2 приводит к дополнительной турбулизации течения вблизи поверхности лопатки для всех рассматриваемых режимов течения, что, вероятно, и является причиной задержки развития кавитации на гидрокрыле с бороздками.

Abstract. Cavitation is one of the main sources of flow instabilities arising during the operation of hydraulic equipment and it is also a cause of erosion wear of its working parts. In this regard, the elaboration and development of various methods of cavitating flow control is an urgent problem for hampering cavitation evolution and reducing its negative impact. One of these methods is a hydrofoil surface modification. The main aim of the study is to investigate experimentally cavitating flow around a ribbed hydrofoil with a streamwise semicircular grooves on the surface (GV2) representing a scaled down model of a guide vane of a Francis turbine in comparison with a model of the original vane (GV1). The methods. In order to analyze the spatial structure and time dynamics of vapor cavities and evaluate their integral parameters, a high-speed imaging was applied. The flow velocity over the hydrofoils and in their wakes was measured by a PIV method, distributions of the mean and turbulent flow characteristics were obtained on the basis of the measured ensembles of instantaneous velocity fields. Results. On the vane with the modified surface (GV2), cavitation originates as single isolated bubbles travelling in the grooves that transform into cavitating streaks, when the cavitation number is decreased. While the streaks are located inside the grooves and do not interact with each other, the flow regime remains stable. However, when their size becomes larger than the groove diameter, they extend beyond these hollows, interact and form an entire cavity which immediately becomes unstable and starts to oscillate. In general, the grooves on the hydrofoil surface are capable to hinder the cavitation development to some extent and delay the transition to unsteady flow regimes. When the flow is unsteady, the cavity dynamics on the original hydrofoil (GV1) and GV2 is very different. For example, unlike GV2, the cavity on GV1 never disappears completely, the cavity on GV1 is longer on the average and pulsates at a higher frequency (St=0,09) compared to GV2 (St=0,06). In addition, the cavity behavior during one period of the oscillations turned out to be quite unusual for both models: first it elongates to its maximum size, then somewhat decreases and again grows to the maximum, after which it returns to its initial state. The reason for such dynamics is still unclear. At the transitional flow regime, when cavitating streaks are formed inside the grooves, the intensity of turbulent fluctuations over the GV2 surface is decreased in comparison with the regime of transient bubble cavitation. This occurs because the isolated cavities inside the grooves are likely to restore the shape of the modified foil, making the geometry of its surface closer to the original one (GV1). Thus, the GV2 profile becomes more streamlined due to local cavitation in the grooves. Besides, the grooves on the GV2 surface cause a local flow turbulization close to the wall for all flow regimes under consideration, which is probably the reason of the delay in cavitation evolution on the grooved hydrofoil.