Vliv uplavu na proudove parametry media

VLIV ÚPLAVU NA PROUDOVÉ PARAMETRY MÉDIA
Autoři:
Ing. Bartoloměj Rudas, ŠKODA POWER s.r.o., [email protected]
Ing. Ladislav Tajč, CSc., ŠKODA POWER s.r.o., [email protected]
Ing. Michal Hoznedl, Ph.D., ŠKODA POWER s.r.o., [email protected]
Anotace:
Práce se zabývá prouděním v přímém kanále s výskytem úplavu. Proudění je simulováno
pomocí CFD FLUENT. Hlavním cílem práce je zjistit vliv úplavu na pneumatickou sondu
umístěnou za deskou, způsobující úplav. Úplav je simulován rovinnou deskou, sonda válcem
o různých průměrech. Sonda se posouvá přes úplav. Vliv úplavu se projevuje změnou tlaků na
sondě a z nich vypočítaných úhlů proudu. Měřené a reálné hodnoty úhlů proudu se mohou
značně lišit, to může přinášet problémy při experimentálním měření, kdy sonda nebude
ukazovat správné údaje.
Annotation:
This work deals with flow in a straight channel with wake. The flow is simulated by CFD
FLUENT. The main goal of this work was to find out the effect of the wake on pneumatical
probe placed behind a plate causing the wake. The wake is simulated by the straight plate and
the probe by a cylinder with different diameters. The influence of wake causes the difference
of measured pressures and flow angles computed from them. Measured and real values of
angles can vary pretty much. This can bring problems with experimental measurement. The
probe will not measure real values.
Úvod
Měření aerodynamických parametrů proudu je v mnoha případech spojeno s přítomností
pneumatických či jiných typů sond.
Obtékání vložených objektů však způsobuje změnu rychlostního a tlakového pole a tím i
odchylky měřených tlakových údajů. Při cejchování sond v aerodynamickém tunelu je ucpání
průtočné plochy zpravidla velmi malé a zkreslení údajů zanedbatelné.
Jinak je tomu při použití sond v praktických aplikacích. Sondy a nosiče sond nelze vyrobit
nekonečně malé. V řadě aplikací je třeba zabránit ucpání vstupních otvorů sond od nečistot
nebo jak je tomu v případě proudění vlhké vodní páry od kapek vody. Při měření v prostředí
přehřáté vodní páry se může objevit i kondenzace páry v impulsním potrubí s následným
výskytem vodních sloupců. Čím více údajů je potřeba sledovat, tím větší rozměry sond nebo
jejich nosičů se použijí při experimentech. Dochází tak k ucpávání průtočné plochy a ke
zkreslení měřených údajů. Předložená práce si klade za cíl stanovit k jak významnému
ANSYS konference 2010
Frymburk 6. - 8. října 2010
1
ovlivnění tlakových údajů dochází a jaké korekce je nutné v případě potřeby uplatnit. K řešení
úlohy se použila numerická simulace proudění pomocí komerčního programu FLUENT.
Popis řešené geometrie
Charakteristické provedení kanálu s modelováním úplavu je znázorněno na Obr. 1. Úplav
je tvořen obtékáním desky tloušťky t = 2mm.
Obr. 1 Charakteristické rozměry modelu
Je modelováno sondování v mezeře mezi statickou a pohyblivou mříží. Pro jednoduchost
je vliv nestacionárního působení pohyblivé mříže v daném případě vynechán. Uvažuje se jen
pevná samotná mříž. V prostoru mezi případnými mřížemi nelze použít rozměrnou sondu. Pro
základní výpočtovou studii je proto zvolena válcová sonda v pevně dané vzdálenosti za mříží.
Sonda zasahuje do 2/3 měřeného prostoru. V prvním přiblížení je posuzováno měření
aerodynamických parametrů proudu v ose kanálu. Průměr sondy se volí 5, 8 a 15 mm.
Poměrné ucpání kanálu ∆S/S je uvedeno v Tab. 1.
d [mm]
0
5
8
15
∆S/S
0
0,0417
0,0667
0,125
d/t
0
2,5
4
7,5
l/b
0,1875
Tab. 1 Charakteristické rozměry zvolených variant.
ANSYS konference 2010
Frymburk 6. - 8. října 2010
2
Vysunutí sondy se volilo pro všechny průměry stejné a to s = 0, 1, 2 a 5 mm, tj. s/t = 0;
0,05; 1 a 2,5. Poměr s/d je pak uveden v Tab. 2.
s\d
∅d
0
1
2
5
5
0
0,2
0,4
1
8
0
0,125
0,25
0,625
15
0
0,066
0,133
0,333
Tab. 2 Poměr s/d jednotlivých variant
Výpočetní síť a nastavení výpočtu
Jako pracovní medium je uvažován vzduch s barometrickým vstupním tlakem. Výstupní
tlak se volí takový, aby rychlostní parametry odpovídaly isoentropickému Machovu číslu
Mais = 0,5 a 0,8. Provedení výpočtové sítě je znázorněno na Obr. 2 a volba souřadného
systému je patrná z Obr. 3.
Obr. 2 Detail výpočtové sítě
Obr. 3 Volba souřadného systému
Geometrický model a numerická síť byly vytvořeny pomocí preprocesoru Gambit. K
tvorbě nestrukturované sítě byly použity šestistěnové elementy. Velikost elementů byla
zahuštěna směrem ke stěnám. Celkový počet buněk byl ~ 2 500 000. Výpočet byl realizován
pressure based implicitním řešičem. Proudění bylo vazké a turbulentní. K výpočtu se použil
k-ε RNG turbulentní model s nerovnovážnou stěnovou funkcí.
Vyhodnocení výpočtové studie
Záměrem výpočtů je stanovit vliv úplavu na měřené proudové parametry. Válcová sonda
se nastavuje do směru pomocí vyrovnaných směrových tlaků. Mohou to být otvory na sondě s
úhlem ±30 deg. Jsou-li jeden nebo i oba otvory ovlivněny úplavem, může dojít ke zkreslení
měřených dat, tj. celkového i statického tlaku, včetně směru proudění.
ANSYS konference 2010
Frymburk 6. - 8. října 2010
3
Rozložení Machova čísla pro kanál se sondou o průměru d = 15 mm a posuvem s = 0 mm
je uvedeno na Obr. 4. a pro kanál se stejným průměrem sondy ale s posuvem s = 5 mm na
Obr. 5. Obrazy Machových čísel velmi dobře ukazují interakci úplavu s válcovou sondou.
Přesouváním sondy přes úplav se na povrchu sondy uplatňuje vliv volného proudu i vliv
úplavu. Dochází k asymetrickému rozložení tlaku na povrchu válce. Uplatňují se jednak šířka
úplavu i průměr sondy.
Obr. 4 Rozložení Ma čísla pro d =15 mm a s = 0 mm
Obr. 5 Rozložení Ma čísla pro d =15 mm a s = 5 mm
ANSYS konference 2010
Frymburk 6. - 8. října 2010
4
Rozložení statického tlaku na povrchu sondy ve směru x při stejném průměru sondy d = 15
mm a různém vysunutí s je na Obr. 6. Obdobný trend existuje i u všech ostatních průměrů
sond. Je zřejmé, že hodnota statického tlaku v jedné úrovni délky kanálu dosahuje pro různé
vysunutí sondy různých úrovní, měřený tlak je tedy ovlivněný vysouváním sondy.
Na Obr. 7 je rozložení statického tlaku na povrchu sondy ve směru kolmém na úplav pro
různé vysunutí sondy a pro případ stejný jako na Obr. 6. I zde je vidět změna tlaků po šířce
kanálu.
Obr. 6 Rozložení statického tlaku na povrchu sondy ve směru osy x, d= 15 mm
Obr. 7 Rozložení statického tlaku ve směru osy z
ANSYS konference 2010
Frymburk 6. - 8. října 2010
5
Obr. 8 Závislost poměru ∆p0/pd na ucpání pro úhel αS = 0° a různá vysunutí s
Na Obr. 8 je poměr p0/pd pro αS = 0°. Je třeba rozlišit geometrický úhel α na sondě podle
souřadného systému od úhlu αS, což je úhel proudu stanovený sondou. Úhel αp je skutečný
úhel proudu vypočtený pro kanál bez válcové sondy, pd je dynamický tlak v daném místě a
∆p je rozdíl tlaků na sondě. Pro místo α = 0 je ∆p = pcp - ps0, což je rozdíl celkového tlaku v
daném místě podle etalonu a tlaku na sondě v místě úhlu α = 0.
Obr. 9 Závislost poměru ∆p/pd pro úhel αs = ± 60° a různá vysunutí s
Obr. 9 udává rozdíl tlaků ∆pd kde se uvažuje tlak na sondě v bodě α = 0 a v bodě
α = ±60°. Je-li sonda v ose kanálu, jsou rozdíly tlaků na pravé a levé straně sondy
zanedbatelné. Při vysouvání se rozdíly zvětšují, aby pro vysunutí sondy z úplavu do volného
proudu, kde se již neprojevuje změna tlaku a ani změna směru proudění, se znovu vyrovnaly.
ANSYS konference 2010
Frymburk 6. - 8. října 2010
6
Chceme-li mít vždy na pravé i levé straně stejný tlak, je třeba sondu natočit při vysouvání z
osy ve směru z o úhel αs. Úhel αs je vynesen na Obr. 10. Z obrázku vyplývá rozdíl úhlu
proudu a úhlu sondy αp - αs.
Obr. 10 Závislost úhlu αs měřeného sondou na ucpání pro různá vysunutí s
Obr. 11 Rozdíly celkových tlaků proudu pcp a celkových tlaků na sondě pcs
V důsledku nenulového rozdílu úhlů αp - αs dochází v bodě celkového tlaku na sondě k
zaznamenání jiného než celkového tlaku proudu v daném místě (pcp – pcs)/pdp. Tyto rozdíly
tlaků jsou zachyceny na Obr. 11.
Průběh celkového tlaku pcs měřeného sondou při nastavení do směru αs je uveden na Obr.
12.. Jaký je dynamický tlak měřený sondou pds = pcs - ps30 pro úhel αs je zřejmé z Obr. 13 .
ANSYS konference 2010
Frymburk 6. - 8. října 2010
7
Obr. 12 Průběh celkového a statického tlaku ve směru osy z v kanálu bez sondy
Obr. 13 Dynamický tlak sondy pro otvory ± 30° vztažený na dynamický tlak proudu pdp
Závěry
•
•
•
•
•
•
V úplavu se projevuje prudký pokles celkového tlaku a mírný nárůst statického tlaku.
Při přechodu přes úplav se skokově mění dynamický tlak.
Změna úhlu proudu je v úplavu menší než 1,5 stupně.
Traverzování sondy přes úplav může vést ke značným chybám měřených
aerodynamických parametrů proudu.
Průměr sondy by neměl být větší než d = 4⋅t, kde t je tloušťka odtokové hrany.
Odchylka měřeného úhlu proudu může být oproti skutečnosti větší až o 20 stupňů.
Největší odchylky nastávají při relativně malých výchylkách sondy od středu úplavu
(s/t~0,5).
LITERATURA:
[1] Rudas B., Tajč L.: Výpočty proudění v kanále stálého průřezu při uvažování ucpání
válcovou sondou, vliv ucpání na měřené aerodynamické parametry při transsonickém
proudění v lopatkové mříži, výzkumná zpráva ŠKODA VZTP 1040, Plzeň, 2008.
ANSYS konference 2010
Frymburk 6. - 8. října 2010
8