Моделирование дефекта внутренней поверхности струйного кавитатора

Введение. Статья посвящена исследованию работы гидродинамического кавитатора, используемого при эрозийном воздействии на поверхность твердого тела, а также оптимизации структуры устройства для увеличения разрушительной способности кавитационной струи. В работе рассмотрено влияние единичного дефекта внутренней поверхности комбинированного сопла на объемную долю содержания пара и геометрию области кавитации. Целью работы является выявление методом численного моделирования закономерностей влияния дефекта внутренней поверхности кавитатора различной величины на гидродинамические и кавитационные характеристики сопла.

Материалы и методы. Использованы возможности программного пакета конечно-элементного анализа ANSYS Workbench и интегрированного в него модуля оптимизации процесса разработки и технологической подготовки в области вычислительной динамики жидкостей и газов ANSYS CFX. В основу моделирования положены экспериментальные данные, полученные при истечении воды в кавитационном режиме из исследуемого сопла на специально разработанном лабораторном стенде.

Результаты исследования. Получены и представлены графические зависимости объемной доли содержания пара, полного давления и длины кавитационной области от расстояния вдоль оси струи при различной величине дефекта. Выявлены две фазы течения кавитационной струи в неидеальном кавитаторе, и показано влияние этого перехода на распределение скоростей в сечении устройства.

Обсуждение и заключения. Наличие внутреннего дефекта на поверхности расходящегося конусного участка комбинированного сопла размером менее четверти диаметра центрального цилиндрического участка может не вызывать визуальных изменений в геометрии области кавитации, однако значительно снижает эрозийную способность кавитационной струи. Дальнейшее увеличения дефекта приводит к полному подавлению кавитации потока, но сохраняет его динамические характеристики. Полученные результаты способствуют усовершенствованию конструкций гидродинамических кавитаторов, улучшению их эрозийного воздействия при использовании кавитации для очистки подводных конструкций и механизмов.

1. Rayleigh, L. On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity / L. Rayleigh // Journal of Philosophical Magazine. — 1917. — Vol. 34. — P. 94 – 98.

2. Plesset, M.S. A non-steady heat diffusion problem with spherical symmetry / M. S. Plesset, S.A. Zwick // Journal of Applied Physics. — 1952. — Vol. 23, iss. 1. — P. 95 – 98.

3. Mohammadein, S. A. Temperature distribution in a mixture surrounding a growing vapour bubble / S. A. Mohammadein, S.A. Gouda // Journal of Heat and Mass Transfer. — 2006. — Vol.42, iss. 5. — P. 359 – 363.

4. Hong Liu. A novel model for the bubble growth in the cavitation region of an injector nozzle / Hong Liu, Chang Cai, Xi Xi, Yan’an Yan, Ming Jia // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 2018. — Vol. 119. — P. 128–138.

5. Промтов, М. А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации химикотехнологических процессов / М. А. Промтов // Вестник ТГТУ. — 2008. — Т. 14, № 4. — С. 861–869.

6. Промтов, М. А. Характеристики потока жидкости в каналах проточных гидродинамических статических кавитаторов / М. А. Промтов, А. Ю. Степанов, А. В. Алешин // Вестник ТГТУ. — 2013. — Т. 19, № 3. — С. 562–569.

7. Yunhua, J. Formation and steady flow characteristics of ventilated supercavity with gas jet cavitator / J. Yunhua, B.Tao, G.Ye // Ocean Engineering. — 2017. — Vol. 142. — P. 87–93.

8. Byoung-Kwon, Ahn. Experimental investigation of supercavitating flows / Byoung-Kwon Ahn, Tae-Kwon Lee, Hyoung-Tae Kim, Chang-Sup Lee // International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. — 2012. — Vol. 4, iss. 2. — P. 123 – 131.

9. Pendar, M. Investigation of cavitation around 3D hemispherical head-form body and conical cavitators using different turbulence and cavitation models / M. R. Pendar, E. Roohi // Ocean Engineering. — 2016. — Vol. 112. — P. 287–306.

10. Ye-jun, G. Numerical investigation of the effect of rotation on cavitating flows over axisymmetric cavitators / G. Ye-jun, Zh. Jie-min, L. Tian-zeng // Journal of hydrodynamics. — 2016. — Vol. 28, iss. 3. — P.431 — 441.

11. Ebrahim, K. The investigation of natural super-cavitation flow behind threedimensional cavitators: Full Cavitation Model / K. Ebrahim, K. Erfan, J. Khodayar, J. Seyyed Morteza // Applied Mathematical Modelling. — 2017. — Vol. 45. — P. 165 — 178.

12. Young Kyun Kwack. Numerical analysis for supercavitating flows around axisymmetric cavitators / Young Kyun Kwack, Sung Ho Ko // International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. – 2013. – Vol. 5, iss. 3. – P. 325 – 332.

13. Авраменко, А. Н. Численное моделирование процесса обработки водотопливной эмульсии в бортовом гидродинамическом кавитаторе / А. Н. Авраменко // Двигатели внутреннего сгорания. — 2016. — № 1. — С. 63 – 71.

14. Zuo-Yu Sun. Numerical investigation on effects of nozzle’s geometric parameters on the flow and the cavitation characteristics within injector’s nozzle for a high-pressure common-rail DI diesel engine / Zuo-Yu Sun, Guo-Xiu Li, Chuan Chen, Yu-Song Yu, Guo-Xi Gao // Energy Conversion and Management. — 2015. — Vol. 89, iss. 1. — P. 843–861.

15. Deng, L. Effects of nozzle inner surface roughness on the cavitation erosion characteristics of high speed submerged jets / L. Deng, K. Yong, W. Xiaochuan, D. Xiaolong, F. Zhenlong // Experimental Thermal and Fluid Science. — 2016. — Vol. 74. — P. 444 – 452.

16. Dular, M. On the mechanisms of cavitation erosion-coupling high speed videos to damage patterns / M. Dular, M. Petkovsek // Experimental Thermal and Fluid Science. — 2015. — Vol. 69. — P. 359-370.

17. Hattori, S. Cavitation erosion mechanisms and quantitative evaluation based on erosion particles / S. Hattori, E. Nakao // Wear. — 2002. — Vol. 249. — P. 839 — 845.

18. Родионов, В. П. Струйная суперкавитационная эрозия / В. П. Родионов. — Краснодар: ГОУВПО КубГТУ, 2005. — 223 с.

19. Родионов, В. П. Закономерности кавитационной эрозии конструкционных материалов / В. П. Родионов, А. И. Уколов // Вестник Дагест. гос. техн. ун-та. Технические науки. — 2017. — Т.44, №3. — С. 39–47.

20. Ладенко, А. А. Суперкавитационная технология очистки систем водоотведения / А. А. Ладенко, В. П. Родионов, Н. В. Ладенко // Научно-технический журнал «Энергоснабжение и водоотведение». — 2016. — Т. 103, №5. — С. 77–79.

21. Родионов, В. П. Суперкавитационная струйная экотехнология водолазных работ / В. П. Родионов. — Краснодар: ГОУВПО КубГТУ, 2015. — 160 с.

22. Родионов, В. П. Энергосберегающие технологии очистки / В. П. Родионов, В. М. Лось. — Москва: Компания Крона-плюс, 2004. — 136с.

23. Гидрокавитационный генератор: патент №1614241 Российская Федерация: В 0F /00, В 08 В 03/12 / В. П. Родионов. — №4339321; заявл. 2.11.87; опубл. 24.05.93.

24. Гидродинамический стенд: патент №43069 Российская Федерация / В. М. Лось, В. П. Родионов, В. М. Курихин. — № 2004121579; заявл. 21.07.04; опубл. 27.12.04.

25. Лось, В. М. Гидродинамические установки высокого давления / В. М. Лось, В. П. Родионов. — Москва,2006. — 136 с.

26. ANSYS CFX. Computer simulation helps design more efficient water pumps // World Pumps. — 2004. — Vol. 453. — P. 32–34.

27. Tsutsumi, K. Cavitation simulation of automotive torque converter using a homogeneous cavitation model / K. Tsutsumi, S. Watanabe, S. Tsuda, T. Yamaguchi // European journal of mechanics B/Fluids. — 2017. — Vol. 61, iss 2. — P. 263—270.

28. Алексенский, В. А. Расчетное определение кавитационных характеристик центробежных насосов / В. А. Алексенский, А. А. Жарковский, П. В. Пугачев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2011. — Т. 13, №1 (2). — С. 411–414.

29. Уколов, А. И. Моделирование колеса центробежного насоса с максимальным эффектом кавитации / А. И. Уколов, В. П. Родионов, П. П. Старовойтов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2017. — №5. — С. 910–919.

30. Кулагин, В. А. Гидрогазодинамика: электрон. учеб. пособие / В. А. Кулагин, Е. П. Грищенко. — Красноярск: ИПК СФУ, 2009. — 278 с.

31. Petkovsek, M. A novel rotation generator of hydrodynamic cavitation for waste-activated sludge disintegration / M. Petkovsek, M. Mlakar, M. Levstek et al. // Ultrasonics Sonochemistry. — 2015. — Vol. 26. — P. 408— 414.

32. Оптимизационное проектирование проточной части магистрального нефтяного насоса с использованием TURBO инструментов ANSYS / С. Г. Валюхов [и др.] // Насосы. Турбины. Системы. — 2015. — T. 14, № 1. — С. 56–68.