Крупномасштабные нестационарные вихревые структуры в энергетическом оборудовании

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-19-00769

НазваниеКрупномасштабные нестационарные вихревые структуры в энергетическом оборудовании

Руководитель Шторк Сергей Иванович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-105 - Газо- и гидродинамика технических и природных систем

Ключевые слова Когерентные вихревые структуры, вихревые камеры сгорания, гидротурбины, концентрированные вихри, самоорганизация вихревых структур, нестационарные явления, прецессирующие вихревые структуры, эксперимент, численное моделирование

Код ГРНТИ30.17.00 44.31.00 44.35.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальных проблем, связанных со сложной динамикой концентрированных вихревых структур, образующихся в различных энерготехнологических устройствах. Нестационарные вихревые структуры, возникающие в закрученных потоках, могут играть ключевую роль в интенсификации тепломассопереноса в камерах сгорания различных энергетических установок, сепараторах, скрубберах, циклонах, вихревых трубках Ранка-Хилша, хим- и био-реакторах и т. д. В случае рассмотрения вихревых структур, возникающих в проточных частях гидротурбины, они могут оказывать критическое влияние на эксплуатационные характеристики всей гидроэлектростанции. Среди большого разнообразия различных реализующихся режимов вихревого течения в энергетическом оборудовании наименее изученными являются режимы с формированием двойной прецессирующей вихревой спирали. В большинстве случаев вместо стабильной двойной спиральной структуры можно наблюдать периодическое скачкообразное изменение топологии, в частности, цикличный переход от одинарного спирального прецессирующего вихря к двойному спиральному и обратно. Явление формирования двойного спирального прецессирующего вихря наблюдается в потоках с сильной закруткой, включая горелочные устройства, вихревые реакторы и проточные элементы гидротурбинного оборудования. Применительно к горелочным системам будет исследоваться влияние расщепления вихря на генерацию и динамику вторичных вихревых структур, образующихся при формировании одинарного прецессирующего вихревого ядра на внешнем (внешняя граница струи) и внутреннем (граница зоны возвратного течения) слоях смешения. Вторичные вихри вносят заметный вклад в структуру слоев смешения и должны таким образом оказывать критическое влияние на процессы стабилизации горения. Интересная особенность течения связана с тем, что на самом деле внутренняя область распада сильно закрученного течения, даже в случае реализации доминирующей односпиральной моды, всегда содержит пару спиральных вихрей – основной более интенсивный прецессирующий вихрь (который обычно диагностируется в эксперименте и расчетах) и более слабый вторичный вихрь. На основании этого факта предложен механизм образования двойной спиральной моды, состоящий в том, что в процессе эволюции течения происходит перераспределение завихренности между вихрями - от более интенсивного основного вихря к более слабому вторичному, пока интенсивности вихрей не выравниваются и не образуется пара прецессирующих вихрей. Обратный переход осуществляется при нарушении симметрии, когда один из вихрей начинает доминировать, в результате чего мы получаем режим, обычно рассматриваемый как односпиральный (хотя второй более слабый вихрь по-прежнему все еще сохраняется). Данная гипотеза будет проверяться в проекте. Среди широкого класса вихревых реакторов одним из перспективных направлений является развитие солнечных вихревых реакторов. Преимуществом солнечного вихревого реактора является прямой теплообмен путем поглощения солнечного излучения частицами без эксергетических потерь и ограничений, связанных с нагревом рабочей жидкости внутри труб. Газификация углеродистых материалов (частицы топлива, биомасса и т. д.) происходит с большим выходом синтез-газа с высоким соотношением H2 к CO и значительно сниженным выбросом загрязнителей (CO2) из-за отсутствия процесса горения. Основной проблемой является повышение эффективности реактора, связанное со временем нахождения частиц разного размера в вихревой камере. Для маленьких частиц процесс теплопереноса зависит от их размера, в то время как для больших частиц он зависит от относительной скорости между частицами и газом. Таким образом, соотношение между размером частиц и временем, которое требуется частицам для полного реагирования не линейно. Фиксированная закрутка потока в существующих вихревых реакторах в основном позволяет реализовать режим течения по типу “торнадо” с формированием центрального колоннообразного вихря. В свою очередь варьирование закрутки потока в вихревых реакторах позволит значительным образом расширить реализуемые режимы вихревого течения, в том числе добиться режима с формированием устойчивой прецессирующей двойной вихревой спирали, являющимся наиболее перспективным с точки зрения эффективного перемешивания реагирующих частиц и времени их нахождения в реакторе. С фундаментальной точки зрения необходимо установить взаимосвязь между интенсивностью закрутки потока и реализуемых распределений скорости с топологией нестационарных вихревых структур, возникающих в потоке, отдельное внимание уделив двойным спиральным вихрям. Явление перехода от одной моды к другой связано со скачкообразными изменениями пульсационных характеристик потока, определяющими в свою очередь надежность и эффективность гидроагрегатов, при этом оно плохо прогнозируется, что создает дополнительные трудности при эксплуатации оборудования. Эффект расщепления вихря на две спиральные вихревые нити будет исследоваться с точки зрения изменения частоты и амплитуды пульсаций давления в проточном тракте. Также для данного режима течения не изученным является влияние неосесимметричных границ, в частности, изогнутого участка (колена) в отсасывающих трубах гидротурбин на возникновение синхронной моды мощных пульсаций в подводящей линии. Данное явление представляет серьезную опасность для ГЭС вследствие возникновения продольных колебаний всего столба жидкости, напрямую воздействуя на рабочее колесо. В данном проекте предполагается выяснить, как изменяется синхронная мода пульсаций при расщеплении односпирального вихря на два спиральных вихря. Таким образом исследование данного малоизученного явления значительным образом дополнит понимание нестационарных явлений в проточных трактах гидравлических турбин. В целом можно констатировать, что эффект перехода режима течения с односпиральным вихрем к двойной спирали мало изучен, в особенности в плане имеющихся в литературе детальных экспериментальных данных, без которых невозможно построение адекватных теорий таких переходов. Соответственно, запланированные в рамках данного проекта экспериментальные и численные исследования смены режима течения и перехода от односпирального вихря к двуспиральному позволят получить принципиально новые результаты. В ходе выполнения проекта будет проведено детальное исследование процессов формирования нестационарных вихревых структур в различных вихревых системах, включая модель горелочного устройства, вихревого реактора, а также проточной части гидротурбины. Использование методов численного моделирования (CFD), в том числе собственного оригинального программного комплекса, позволит ответить на все еще открытый и представляющий большой научный интерес вопрос, насколько существующие модели турбулентности способны описывать гидродинамические эффекты второго порядка (расщепление вихревой нити с образованием прецессирующей пары переплетенных вихревых нитей). Преимущества выбранного в данном проекте подхода заключаются в комбинировании различных экспериментальных установок и современных систем диагностики, продвинутых методов математического моделирования, использования имеющегося у исполнителей проекта серьезного задела и большого опыта исследований в области вихревых реакторов, камер сгорания и гидроэнергетики. Проведение всестороннего анализа рассматриваемых сложных явлений, является залогом успешного решения запланированных в проекте задач и получения новых результатов мирового уровня.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сентябов А.В., Платонов Д.В., Минаков А.В., Лобасов А.С. Numerical study of the vortex breakdown and vortex reconnection in the flow path of high-pressure water turbine Journal of Physics: Conference Series (JPCS), Vol. 2088, paper 012040, 6 pages (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2088/1/012040

2. Скрипкин С.Г. Parametric study of cone angle influence on bubble vortex breakdown onset in laminar conical flow at various swirl numbers Journal of Physics: Conference Series (JPCS), Vol. 2119. Paper 012019 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2119/1/012019

3. Литвинов И.В., Гореликов Е.Ю., Шторк С.И. Flow frequency response in the radial swirler Journal of Physics: Conference Series (JPCS), Vol. 2119. Paper 012106 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2119/1/012106

4. Скрипкин С.Г., Гешева Е.С., Шторк С.И. The observation of twin vortex merging at air injection in swirling water flow Interfacial Phenomena and Heat Transfer, Vol. 9(4). P. 17–26 (год публикации - 2021)
10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2021040829

5. Платонов Д.В., Минаков А.В., Сентябов А.В., Шторк С.И., Скрипкин С.Г., Лобасов А.С. Investigation of the precessing vortex core reconnection phenomenon International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 96. 2022. Paper 109006. (год публикации - 2022)
10.1016/j.ijheatfluidflow.2022.109006

6. Литвинов И.В., Гореликов Е.Ю., Шторк С.И. Frequency response of the flow in a radial swirler Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 36 (5). P.2397-2402 (год публикации - 2022)
10.1007/s12206-022-0422-1

7. Гореликов Е.Ю., Литвинов И.В., Шторк С.И. Regimes of lean premixed combustion of gas fuel in a radial burner Combustion, Explosion, and Shock Waves, Vol. 58, No. 5, pp. 521–530. (год публикации - 2022)
10.1134/S0010508222050033

8. Минаков А.В., Платонов Д.В., Сентябов А.В. Численное моделирование режимов закрученного течения в модели гидравлической турбины и отсасывающей трубы Теплофизика и аэромеханика, 2023, том 30(1), с. 41-46 (год публикации - 2022)
10.1134/S0869864323010055

9. Д. В. Платонов, А. В. Сентябов, А. В. Минаков, С.И. Шторк, С.Г. Скрипкин Численное исследование вихревой структуры в цилиндрической тангенциальной камере XXXVIII Сибирский теплофизический семинар. Труды конференции, Новосибирск, 29–31 августа 2022 года. – Новосибирск: Сибирское отделение РАН, 2022, С. 253-256 (год публикации - 2022)
10.53954/9785604859551_253

10. Платонов Д.В., Минаков А.В., Сентябов А.В., Дектерев А.А. Численное моделирование закрученных потоков в энергетическом оборудовании ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ В XXI ВЕКЕ, Сборник материалов IX Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, специалистов, аспирантов, студентов и школьников «ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ В XXI ВЕКЕ», Саяногорск; Черемушки, 11–14 мая 2022 г., с. 137-141. (год публикации - 2022)

11. Гореликов Е.Ю, Литвинов И.В., Шторк С.И. Stereo-PIV investigation of the isothermal flow characterization in a radial swirler Тезисы докладов XXI International Conference on the Methods of Aerophysical Research, Novosibirsk, 08–14 августа 2022 года. Том II. Novosibirsk, 2022. Издательство Сибирского отделения РАН., С. 61 (год публикации - 2022)
10.53954/9785604788974_61

12. Гореликов Е.Ю., Литвинов И.В., Шторк С.И. Влияние акустического возмущения на сильно закрученное пламя Тезисы VII Всероссийской научной конференции "Теплофизика и физическая гидродинамика" г. Сочи, Научно-технологический университет «Сириус», 5-14 сентября 2022 г. Институт теплофизики СО РАН, 2022, С. 160 (год публикации - 2022)

13. Скрипкин С.Г., Шторк С.И. Об особенностях двухспирального распада вихря в тангенциальной вихревой камере Тезисы VII Всероссийской научной конференции "Теплофизика и физическая гидродинамика" г. Сочи, Научно-технологический университет «Сириус», 5-14 сентября 2022 г. Институт теплофизики СО РАН, 2022, С. 37 (год публикации - 2022)

14. Минаков А.В., Платонов Д.В., Сентябов А.В. Численное моделирование режимов закрученного течения в модели гидравлической турбины и отсасывающей трубы Тезисы VII Всероссийской научной конференции "Теплофизика и физическая гидродинамика" г. Сочи, Научно-технологический университет «Сириус», 5-14 сентября 2022 г. Институт теплофизики СО РАН, 2022, С. 282 (год публикации - 2022)

15. Платонов Д.В., Сентябов А.В., Минаков А.В., Шторк С.И. Численное исследование вихревой структуры в цилиндрической тангенциальной камере Тезисы XXXVIII Сибирского теплофизического семинара, посвященного 65-летию Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. Новосибирск, 29–31 августа 2022 года, С. 198 (год публикации - 2022)

16. Гореликов Е.Ю., Литвинов И.В., Суслов Д.А., Цой М.А., Шторк С.И. Характеристики прецессирующего вихревого ядра в изотермической модели горелочного устройства радиального типа Теплофизика и аэромеханика, Т. 29, № 5. - С. 793-798 (год публикации - 2022)
10.1134/S08698643220500134

17. Шторк С.И., Суслов Д.А., Скрипкин С.Г., Литвинов И.В., Гореликов Е.Ю. An Overview of Active Control Techniques for Vortex Rope Mitigation in Hydraulic Turbines Energies, Volume 16, Issue 13, Article Number 5131 (год публикации - 2023)
10.3390/en16135131

18. Платонов Д.В., Сентябов А.В., Минаков А.В., Шторк С.И. Investigation of the Effect of Air Admission on the Vortex Structure of the Flow in a Tangential Chamber Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics, Vol.16(5), pp. 651–660 (год публикации - 2023)

19. Куйбин П.А., Скрипкин С.Г., Шторк С.И. Development of analytical model for description of swirling flows Eurasian Journal of Mathematical and Computer Applications, Volume 11, Issue 4, pp. 78 – 89 (год публикации - 2023)
10.32523/2306-6172-2023-11-4-78-89

20. Сентябов А.В., Платонов Д.В., Шторк С.И., Скрипкин С.Г., Минаков А.В. Numerical simulation of a double helix vortex structure in a tangential chamber International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 107. Paper 109398 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijheatfluidflow.2024.109398

21. Подорванюк Н., Сентябов А.В. Физики в численном эксперименте воспроизвели и изучили двойной вихревой жгут Indicator, Indicator - Физика. Опубликовано 23 мая 2024, 13:28 (год публикации - 2024)

Публикации