Исследование влияния структуры проточной части на производительность бионических насосов
Бионический насос на подводных крыльях приводит в движение судно на подводных крыльях, совершая простые гармонические движения, и завершает одностороннюю перекачку воды в проточном канале. В качестве нового насосного устройства, которое может обеспечить подачу воды со сверхнизким напором, устройство с лопастями на подводных крыльях может эффективно обогатить методы дренажа равнинных рек и повысить эффективность подачи воды, а конструкция прохода является ключевым фактором устройств со сверхнизким напором. В этой статье устанавливаются двумерные модели прохождения потока, а взмахи аэродинамического профиля реализуются с использованием технологии динамической сетки. На основе уравнения неразрывности, модели турбулентности k-ε и усредненного по времени уравнения Рейнольдса машущее судно на подводных крыльях моделируется расчетом переходных процессов. Рассчитаны и смоделированы гидравлические характеристики различных проходов различной ширины, таких как квадратные проходы, микродуговые проходы и сходящиеся-расходящиеся проходы. Результаты показывают, что при фиксированных параметрах движения чем уже ширина прохода, чем выше скорость на выходе, подъемная сила и эффективность устройства, тем ниже скорость потока. Труба сжатия-расширения может эффективно повысить эффективность и скорость потока устройства, и до того, как след станет стабильным, чем длиннее секция сжатия, тем лучше подъемный эффект. Однако микродуговой трубопровод повлияет на формирование двухрядной антикармановской вихревой дорожки, что приведет к большим потерям энергии и ухудшению его гидравлических характеристик по сравнению с квадратным проходом.
1. Введение
На равнинных участках речной сети низкий рельеф местности и плохая подвижность вод, что обуславливает низкую дренажную и паводковую пропускную способность, серьезное загрязнение вод и другие трудноразрешимые проблемы [1]. Важной идеей является улучшение качества водной среды за счет [2,3] диспетчеризации насосно-шлюзового узла для повышения гидродинамической силы. Существующие исследования [4] показывают, что увеличение расхода реки способствует деградации загрязняющих веществ, тем самым улучшая способность водоема к самоочищению. Однако насосная станция имеет такие проблемы, как низкая эффективность работы и плохая устойчивость [5,6,7] при сверхнизком напоре, что не может адаптироваться к ситуации, когда напор равнинной речки почти равен нулю и разрушает оригинальная экология русла [8]. В качестве устройства для выталкивания воды бионический насос с лопастями на подводных крыльях [9,10] имеет характеристики простой конструкции, низкой стоимости строительства, простоты монтажа и близкого к нулю напора. Это может эффективно обогатить методы дренажа равнинных рек и повысить эффективность транспортировки воды, что имеет большое исследовательское значение.
Взмах подводных крыльев упрощен по сравнению с движением хвостового плавника тунца. Еще в 1909 году, Кноллер Р., путем экспериментов было обнаружено, что аэродинамический профиль, совершающий волнообразное синусоидальное движение в стационарном набегающем потоке, будет создавать эффективный угол атаки с набегающим потоком, так что его нормальная сила может создавать составляющую силы в набегающем потоке. положительное направление [11]. После этого фон К. и Бюргерс [12] впервые теоретически объяснили принцип создания аэродинамического сопротивления и подъемной силы машущего подводного крыла, наблюдая структуру следа за двумерным потоком. Лю [13] запустил трехмерное численное моделирование бионического машущего крыла и обсудил взаимосвязь между гидродинамическими характеристиками машущего крыла и направлением, взаимосвязью и скоростью диссипации вихревого кольца. Триантафиллоу и Андерсон и соавт. [14,15] провели серию экспериментов с движителем на подводных крыльях в Лаборатории буксирного бассейна Массачусетского технологического института, измерили коэффициент подъемной силы и тяговую эффективность подводного крыла в сочетании волнистых и тангажных движений и обнаружили, что оптимальная тяговая эффективность движителя на подводных крыльях находится в пределах числа Струхаля St = 0.25~0.35, а при больших значениях St неплавное изменение эффективного угла атаки приведет к снижению характеристик подводного крыла. Поэтому предлагается способ улучшения изменения эффективного угла атаки за счет добавления высокочастотных слагаемых в волнообразное движение подводного крыла для улучшения тяговых характеристик машущего подводного крыла на больших St. Используя структуру и волновую картину, аналогичную тунцу, X Чанг и соавт. [16] провели численное исследование двух моделей турбулентности и сравнили их с ламинарным течением. Результаты показывают, что двигательные характеристики модели лучше при более высоком числе Рейнольдса; кроме того, численный анализ показывает, что хотя «тяга» лунного хвоста относительно невелика, его тяговая эффективность самая высокая. Основная причина в том, что боковые потери энергии малы. Будин, А. и соавт. В [17] проведено численное исследование двумерного жесткого крыла путем изменения параметров траектории движения. Исследование показывает, что несинусоидальная траектория может изменить завихренность потока и структуру следа. В оптимальном режиме тяга увеличивается на 110%. Гарг Н. [18] использовал экспериментальные измерения для проверки результатов оптимизации подводного крыла NACA0009, обеспечив метод оптимизации конструкции его гидротехнического сооружения.
Исследования машущих подводных крыльев в основном сосредоточены на параметрах движения и структуре аэродинамического профиля. Поскольку большинство из них применяются для получения энергии и подводных двигателей, в процессе численного моделирования принимается открытое поле потока без учета эффекта стенки. В этой статье предлагается инновационный бионический насос, сочетающий машущее крыло с закрытым проходом для решения гидродинамической проблемы равнинной речной сети. Для дальнейшего повышения производительности насоса тщательно изучается его проходная структура. Тан [19] указал, что для низконапорных насосных станций доля потерь в трубопроводе велика, а высокоэффективный участок смещен, что приводит к низкой эффективности выбранных для проекта насосных станций. Се и др. [20] эффективно снизили гидравлические потери и улучшили внешние характеристики насосного устройства за счет корректировки профиля вала и прямого проходного сечения трубы. Точно так же Dahmani, F et al. В работе [21] моделировалось нестационарное турбулентное течение коллектора энергии на основе двумерного подводного крыла серии naca0015 с различными коэффициентами АР. Результаты показывают, что по сравнению с традиционным открытым проходом сужающая труба увеличивает скорость входящего потока и положительно влияет на время взаимодействия между подводным крылом и вихревым потоком, что приводит к большей вертикальной гидродинамической силе, тем самым улучшая отбор мощности. В этой статье, основанной на предыдущих исследованиях, направленных на изучение влияния ширины прохода и различных конструкций прохода на водопроталкивающие характеристики машущего подводного крыла, результаты двумерного численного моделирования проверяются с помощью теста модели машущего устройства на подводных крыльях. Анализируются внутреннее поле течения и гидродинамические характеристики лопающихся устройств на подводных крыльях в нескольких проточных конструкциях. Эта статья имеет определенное справочное значение для фактического проектирования бионических насосов с поворотными лопастями на подводных крыльях и исследования гидродинамических характеристик прямолинейных проточных каналов и проточных каналов сужения и расширения в условиях эксплуатации.
2. Материалы и методы
2.1. Численная имитационная модель
2.1.1. Численная модель расчета
Основным рабочим элементом исследуемого в данной работе бионического насоса с машущим крылом является аэродинамический профиль NACA0012, профиль которого показан на рис. 1. В качестве профиля его основных рабочих частей была выбрана длина хорды c = 300 мм. Движение машущего подводного крыла можно рассматривать как сочетание килевой качки вокруг оси качки и качки перпендикулярно направлению потока воды, как показано на рисунке 2.
где A max представляет собой амплитуду качки машущего подводного крыла; θ max представляет собой амплитуду тангажа машущего подводного крыла; T представляет собой период движения. Основное уравнение движения машущего подводного крыла определяется следующим образом:
где y(t) — вертикальное смещение машущего подводного крыла, θ(t) — тангажное смещение машущего подводного крыла, ω — угловая частота машущего движения, ϕ — фазовый угол между вертикальной качки и тангажа. Возьмите производную уравнения (1), чтобы получить скорость машущего крыла в любой момент времени:
где y ˙ ( t ) — скорость вертикальной качки машущего крыла, θ ˙ ( t ) — скорость тангажа машущего крыла.
В данной работе зафиксированы амплитуда качки A max = 0.5 c , амплитуда тангажа θ max = π / 6 , фазовый угол ϕ = − π / 2 , расстояние от центра вращения машущего подводного крыла до передней кромки l = 0.2 c и частоте взмахов f = 1 Гц определяют число Струхаля S t = 2 f A max / U ¯ , где U ¯ представляет собой среднее значение скорости на выходе после стабилизации потока.
Ширина проходного сечения в машущем устройстве на подводных крыльях лишь немного шире размаха лопасти, а аэродинамический профиль и его движение не меняются в зависимости от направления размаха, поэтому его можно упростить как 2D-модель для имитационного исследования. Для изучения влияния проточной части на гидравлические характеристики устройства проточная часть была оптимизирована по размерам и профилю, а также путем сравнения выбрана оптимальная конструктивная схема проточной части. Устройство махового крыла на подводных крыльях при различных схемах протока показано на рис. 3.
На рисунке 3 разница между проходом С-типа и проходом Z-типа заключается в том, что все части прохода С-типа соединены угловым переходом, в то время как проход Z-типа использует переход под прямым углом. Ширина прямоугольного проточной части О-типа 0.8 м, ширина одностороннего вдавливания остальных проточных частей 0.1 м, расстояние от входного отверстия сужения до центра вращения крыла 0.645 м, длина проточной части суженного на на входе – 0.5 м, длина прохода расширительного потока на выходе – 0.95 м, радиус галтели R1 – 1 м, радиус галтели R2 – 2 м. Длина L уменьшенного проходного канала в центре каждого проходного канала различна, как показано в таблице 1.
2.1.2. Параметры движения и механические модели
При исследовании машущих подводных крыльев мгновенный коэффициент тяги и мгновенный коэффициент подъемной силы являются ключевыми параметрами для измерения гидродинамических характеристик машущего подводного крыла. Формулы расчета:
где Fx(t) — горизонтальная мгновенная тяга, Fy(t) — вертикальная мгновенная подъемная сила, ρ — плотность жидкости, s — размах аэродинамического профиля.
Чтобы охарактеризовать водопроталкивающую способность машущего подводного крыла, необходимо было рассчитать расход, напор и КПД гидродинамического устройства машущего подводного крыла.
Расход был получен путем умножения средней скорости выходного сечения на площадь, а средний напор получается путем преобразования разницы давлений между входом и выходом. Формулы определяются следующим образом:
Исследование влияния структуры проточной части на производительность бионических насосов
Бионический насос на подводных крыльях приводит в движение судно на подводных крыльях, совершая простые гармонические движения, и завершает одностороннюю перекачку воды в проточном канале. В качестве нового насосного устройства, которое может обеспечить подачу воды со сверхнизким напором, устройство с лопастями на подводных крыльях может эффективно обогатить методы дренажа равнинных рек и повысить эффективность подачи воды, а конструкция прохода является ключевым фактором устройств со сверхнизким напором. В этой статье устанавливаются двумерные модели прохождения потока, а взмахи аэродинамического профиля реализуются с использованием технологии динамической сетки. На основе уравнения неразрывности, модели турбулентности k-ε и усредненного по времени уравнения Рейнольдса машущее судно на подводных крыльях моделируется расчетом переходных процессов. Рассчитаны и смоделированы гидравлические характеристики различных проходов различной ширины, таких как квадратные проходы, микродуговые проходы и сходящиеся-расходящиеся проходы. Результаты показывают, что при фиксированных параметрах движения чем уже ширина прохода, чем выше скорость на выходе, подъемная сила и эффективность устройства, тем ниже скорость потока. Труба сжатия-расширения может эффективно повысить эффективность и скорость потока устройства, и до того, как след станет стабильным, чем длиннее секция сжатия, тем лучше подъемный эффект. Однако микродуговой трубопровод повлияет на формирование двухрядной антикармановской вихревой дорожки, что приведет к большим потерям энергии и ухудшению его гидравлических характеристик по сравнению с квадратным проходом.
1. Введение
На равнинных участках речной сети низкий рельеф местности и плохая подвижность вод, что обуславливает низкую дренажную и паводковую пропускную способность, серьезное загрязнение вод и другие трудноразрешимые проблемы [1]. Важной идеей является улучшение качества водной среды за счет [2,3] диспетчеризации насосно-шлюзового узла для повышения гидродинамической силы. Существующие исследования [4] показывают, что увеличение расхода реки способствует деградации загрязняющих веществ, тем самым улучшая способность водоема к самоочищению. Однако насосная станция имеет такие проблемы, как низкая эффективность работы и плохая устойчивость [5,6,7] при сверхнизком напоре, что не может адаптироваться к ситуации, когда напор равнинной речки почти равен нулю и разрушает оригинальная экология русла [8]. В качестве устройства для выталкивания воды бионический насос с лопастями на подводных крыльях [9,10] имеет характеристики простой конструкции, низкой стоимости строительства, простоты монтажа и близкого к нулю напора. Это может эффективно обогатить методы дренажа равнинных рек и повысить эффективность транспортировки воды, что имеет большое исследовательское значение.
Взмах подводных крыльев упрощен по сравнению с движением хвостового плавника тунца. Еще в 1909 году, Кноллер Р., путем экспериментов было обнаружено, что аэродинамический профиль, совершающий волнообразное синусоидальное движение в стационарном набегающем потоке, будет создавать эффективный угол атаки с набегающим потоком, так что его нормальная сила может создавать составляющую силы в набегающем потоке. положительное направление [11]. После этого фон К. и Бюргерс [12] впервые теоретически объяснили принцип создания аэродинамического сопротивления и подъемной силы машущего подводного крыла, наблюдая структуру следа за двумерным потоком. Лю [13] запустил трехмерное численное моделирование бионического машущего крыла и обсудил взаимосвязь между гидродинамическими характеристиками машущего крыла и направлением, взаимосвязью и скоростью диссипации вихревого кольца. Триантафиллоу и Андерсон и соавт. [14,15] провели серию экспериментов с движителем на подводных крыльях в Лаборатории буксирного бассейна Массачусетского технологического института, измерили коэффициент подъемной силы и тяговую эффективность подводного крыла в сочетании волнистых и тангажных движений и обнаружили, что оптимальная тяговая эффективность движителя на подводных крыльях находится в пределах числа Струхаля St = 0.25~0.35, а при больших значениях St неплавное изменение эффективного угла атаки приведет к снижению характеристик подводного крыла. Поэтому предлагается способ улучшения изменения эффективного угла атаки за счет добавления высокочастотных слагаемых в волнообразное движение подводного крыла для улучшения тяговых характеристик машущего подводного крыла на больших St. Используя структуру и волновую картину, аналогичную тунцу, X Чанг и соавт. [16] провели численное исследование двух моделей турбулентности и сравнили их с ламинарным течением. Результаты показывают, что двигательные характеристики модели лучше при более высоком числе Рейнольдса; кроме того, численный анализ показывает, что хотя «тяга» лунного хвоста относительно невелика, его тяговая эффективность самая высокая. Основная причина в том, что боковые потери энергии малы. Будин, А. и соавт. В [17] проведено численное исследование двумерного жесткого крыла путем изменения параметров траектории движения. Исследование показывает, что несинусоидальная траектория может изменить завихренность потока и структуру следа. В оптимальном режиме тяга увеличивается на 110%. Гарг Н. [18] использовал экспериментальные измерения для проверки результатов оптимизации подводного крыла NACA0009, обеспечив метод оптимизации конструкции его гидротехнического сооружения.
Исследования машущих подводных крыльев в основном сосредоточены на параметрах движения и структуре аэродинамического профиля. Поскольку большинство из них применяются для получения энергии и подводных двигателей, в процессе численного моделирования принимается открытое поле потока без учета эффекта стенки. В этой статье предлагается инновационный бионический насос, сочетающий машущее крыло с закрытым проходом для решения гидродинамической проблемы равнинной речной сети. Для дальнейшего повышения производительности насоса тщательно изучается его проходная структура. Тан [19] указал, что для низконапорных насосных станций доля потерь в трубопроводе велика, а высокоэффективный участок смещен, что приводит к низкой эффективности выбранных для проекта насосных станций. Се и др. [20] эффективно снизили гидравлические потери и улучшили внешние характеристики насосного устройства за счет корректировки профиля вала и прямого проходного сечения трубы. Точно так же Dahmani, F et al. В работе [21] моделировалось нестационарное турбулентное течение коллектора энергии на основе двумерного подводного крыла серии naca0015 с различными коэффициентами АР. Результаты показывают, что по сравнению с традиционным открытым проходом сужающая труба увеличивает скорость входящего потока и положительно влияет на время взаимодействия между подводным крылом и вихревым потоком, что приводит к большей вертикальной гидродинамической силе, тем самым улучшая отбор мощности. В этой статье, основанной на предыдущих исследованиях, направленных на изучение влияния ширины прохода и различных конструкций прохода на водопроталкивающие характеристики машущего подводного крыла, результаты двумерного численного моделирования проверяются с помощью теста модели машущего устройства на подводных крыльях. Анализируются внутреннее поле течения и гидродинамические характеристики лопающихся устройств на подводных крыльях в нескольких проточных конструкциях. Эта статья имеет определенное справочное значение для фактического проектирования бионических насосов с поворотными лопастями на подводных крыльях и исследования гидродинамических характеристик прямолинейных проточных каналов и проточных каналов сужения и расширения в условиях эксплуатации.
2. Материалы и методы
2.1. Численная имитационная модель
2.1.1. Численная модель расчета
Основным рабочим элементом исследуемого в данной работе бионического насоса с машущим крылом является аэродинамический профиль NACA0012, профиль которого показан на рис. 1. В качестве профиля его основных рабочих частей была выбрана длина хорды c = 300 мм. Движение машущего подводного крыла можно рассматривать как сочетание килевой качки вокруг оси качки и качки перпендикулярно направлению потока воды, как показано на рисунке 2.
где A max представляет собой амплитуду качки машущего подводного крыла; θ max представляет собой амплитуду тангажа машущего подводного крыла; T представляет собой период движения. Основное уравнение движения машущего подводного крыла определяется следующим образом:
где y(t) — вертикальное смещение машущего подводного крыла, θ(t) — тангажное смещение машущего подводного крыла, ω — угловая частота машущего движения, ϕ — фазовый угол между вертикальной качки и тангажа. Возьмите производную уравнения (1), чтобы получить скорость машущего крыла в любой момент времени:
где y ˙ ( t ) — скорость вертикальной качки машущего крыла, θ ˙ ( t ) — скорость тангажа машущего крыла.
В данной работе зафиксированы амплитуда качки A max = 0.5 c , амплитуда тангажа θ max = π / 6 , фазовый угол ϕ = − π / 2 , расстояние от центра вращения машущего подводного крыла до передней кромки l = 0.2 c и частоте взмахов f = 1 Гц определяют число Струхаля S t = 2 f A max / U ¯ , где U ¯ представляет собой среднее значение скорости на выходе после стабилизации потока.
Ширина проходного сечения в машущем устройстве на подводных крыльях лишь немного шире размаха лопасти, а аэродинамический профиль и его движение не меняются в зависимости от направления размаха, поэтому его можно упростить как 2D-модель для имитационного исследования. Для изучения влияния проточной части на гидравлические характеристики устройства проточная часть была оптимизирована по размерам и профилю, а также путем сравнения выбрана оптимальная конструктивная схема проточной части. Устройство махового крыла на подводных крыльях при различных схемах протока показано на рис. 3.
На рисунке 3 разница между проходом С-типа и проходом Z-типа заключается в том, что все части прохода С-типа соединены угловым переходом, в то время как проход Z-типа использует переход под прямым углом. Ширина прямоугольного проточной части О-типа 0.8 м, ширина одностороннего вдавливания остальных проточных частей 0.1 м, расстояние от входного отверстия сужения до центра вращения крыла 0.645 м, длина проточной части суженного на на входе – 0.5 м, длина прохода расширительного потока на выходе – 0.95 м, радиус галтели R1 – 1 м, радиус галтели R2 – 2 м. Длина L уменьшенного проходного канала в центре каждого проходного канала различна, как показано в таблице 1.
2.1.2. Параметры движения и механические модели
При исследовании машущих подводных крыльев мгновенный коэффициент тяги и мгновенный коэффициент подъемной силы являются ключевыми параметрами для измерения гидродинамических характеристик машущего подводного крыла. Формулы расчета:
где Fx(t) — горизонтальная мгновенная тяга, Fy(t) — вертикальная мгновенная подъемная сила, ρ — плотность жидкости, s — размах аэродинамического профиля.
Чтобы охарактеризовать водопроталкивающую способность машущего подводного крыла, необходимо было рассчитать расход, напор и КПД гидродинамического устройства машущего подводного крыла.
Расход был получен путем умножения средней скорости выходного сечения на площадь, а средний напор получается путем преобразования разницы давлений между входом и выходом. Формулы определяются следующим образом:
