RU2149373C1

RU2149373C1 - Hydrodynamic unit

Info

Publication number: RU2149373C1
Application number: RU98122751A
Authority: RU
Inventors: С.А. Денисов; В.И. Носков; Д.Д. Соколов; П.Г. Фрик; С.Ю. Хрипченко
Original assignee: Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАН
Priority date: 1998-12-15
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 2000-05-20

Abstract

FIELD: hydrodynamics. SUBSTANCE: invention is related to field of hydrodynamic and magnetohydrodynamic tests and can be used to study dynamics of nonstationary flow of liquid while it passes over various objects and to create flow of specified configuration, for instance, helical one, for magnetodynamic study with large Reynolds numbers. Hydrodynamic stand includes leak-tight closed conduit with rotation axis fitted with electric motor drive and braking system. Test is conducted by way of sudden braking of conduit driven up to speed in advance. In this case liquid moves in conduit under its own momentum and passes over tested object. Characteristic time of braking of liquid amounts to the order of 0.5 s which is sufficient to take necessary measurements, for example, in experiments in modeling of excitation of magnetic field by traveling conducting medium (MHD dynamo). Speed of travel of flow of liquid can achieve 200 m/s and more at initial moment of braking. Maximum speed is determined by strength characteristic of materials of conduit. Conduit can be sped up with the aid of low-power drive which leads to compactness, low cost and low energy consumption by testing stand. EFFECT: compactness of unit, low energy consumption and cost. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области гидродинамических и магнитогидродинамических испытаний и может быть использовано для исследования динамики нестационарных потоков жидкости при обтекании различных объектов и для создания потока заданной конфигурации, например винтовой, в магнитогидродинамических исследованиях при больших числах Рейнольдса. The invention relates to the field of hydrodynamic and magnetohydrodynamic tests and can be used to study the dynamics of unsteady fluid flows when flowing around various objects and to create a stream of a given configuration, for example a screw, in magnetohydrodynamic studies with large Reynolds numbers.

Известен гидродинамический стенд по А. с. СССР N 1210079, МКИ G 01 M 10/00, предназначенный для гидродинамических испытаний, состоящий из напорного и сливного баков, насоса и системы вентилей для управления потоком жидкости. Недостатком конструкции является малая скорость жидкости при обтекании исследуемой модели, так как скорость определяется разностью давлений между напорным и сливным баками, которое в этом стенде не может превышать одну атмосферу. A well-known hydrodynamic stand according to A. s. USSR N 1210079, MKI G 01 M 10/00, designed for hydrodynamic testing, consisting of pressure and drain tanks, a pump and a valve system for controlling fluid flow. The design drawback is the low fluid velocity when flowing around the studied model, since the speed is determined by the pressure difference between the pressure and drain tanks, which in this stand cannot exceed one atmosphere.

Известно устройство для исследования обтекания тел в потоке жидкости по А.с. СССР N 473077, МКИ G 01 M 10/00, состоящее из U-образного трубопровода, соединенного в верхней части воздуховодом с клапаном. Недостатком конструкции является наличие двух изгибов трубопровода. Жидкость, проходя эти изгибы, турбулизируется, и уже турбулизированный поток жидкости обтекает исследуемый объект. При этом сужаются возможности эксперимента (например, невозможно смоделировать обтекание модели ламинарным потоком). Кроме того, как показывают расчеты, для получения больших скоростей движения жидкости (более 100 м/с) конструкция будет иметь большие габариты (высота порядка десятков метров) при давлении в трубопроводе более 100 атмосфер, что делает установку дорогостоящей, а наличие прямого контакта жидкости с газовой средой приводит к ее аэрации, что в ряде случаев является нежелательным. A device for studying the flow around bodies in a fluid stream according to A.S. USSR N 473077, MKI G 01 M 10/00, consisting of a U-shaped pipe connected in the upper part of the duct with a valve. The disadvantage of the design is the presence of two bends of the pipeline. The fluid, passing through these bends, is turbulized, and an already turbulized fluid flow flows around the object under study. At the same time, the possibilities of the experiment are narrowed (for example, it is impossible to simulate the flow around a model with a laminar flow). In addition, calculations show that in order to obtain high fluid velocities (more than 100 m / s), the structure will have large dimensions (height of the order of tens of meters) at a pressure in the pipeline of more than 100 atmospheres, which makes the installation expensive, and the presence of direct contact of the liquid with the gaseous medium leads to its aeration, which in some cases is undesirable.

Наиболее близким по конструкции и достигаемому техническому результату и выбранным за прототип является устройство для гидродинамического испытания моделей по А.с. СССР N 340926, МКИ G 01 M 10/00, состоящее из кольцевого гидродинамического канала, державки для крепления исследуемой модели, реверсивного привода державки и измерительной аппаратуры. The closest in design and achievable technical result and selected for the prototype is a device for hydrodynamic testing of models according to A.S. USSR N 340926, MKI G 01 M 10/00, consisting of an annular hydrodynamic channel, holder for mounting the model under study, reversible drive holder and measuring equipment.

Недостатком конструкции является наличие свободной поверхности жидкости, что приводит к возникновению волнообразования, турбулизации потока жидкости и насыщению ее пузырьками воздуха и, следствие, искажению картины течения и затруднению видеосъемки потока. Причем эти искажения зависят от частоты вращения гидродинамического канала, что делает практически невозможным исследования в нестационарных режимах. Кроме того, затруднено, а в ряде случаев невозможно, испытание моделей в потоке агрессивных, легкоиспаряемых жидкостей, а также в потоке жидких металлов. The design drawback is the presence of a free surface of the liquid, which leads to the occurrence of wave formation, turbulization of the liquid flow and its saturation with air bubbles and, as a result, distortion of the flow pattern and the difficulty of filming the video. Moreover, these distortions depend on the frequency of rotation of the hydrodynamic channel, which makes it practically impossible to study in non-stationary modes. In addition, it is difficult, and in some cases impossible, to test models in a stream of aggressive, easily volatile liquids, as well as in a stream of liquid metals.

Целью изобретения является устранение вышеназванных недостатков. The aim of the invention is to eliminate the above disadvantages.

Указанная цель достигается выполнением гидродинамического стенда в виде герметичного замкнутого канала, например, в виде тора, который можно привести во вращательное движение относительно своей оси, а затем затормозить. Для этого стенд имеет электропривод и тормозную систему. Исследуемая модель (одна или несколько) установлена внутри канала и закреплена неподвижно относительно него. Для создания потока жидкости заданной конфигурации внутри канала установлены потокообразующие профили, например дивертор для создания винтового потока. This goal is achieved by performing a hydrodynamic stand in the form of a sealed closed channel, for example, in the form of a torus, which can be brought into rotational motion about its axis, and then braked. For this, the stand has an electric drive and a brake system. The studied model (one or several) is installed inside the channel and fixed motionless relative to it. To create a fluid flow of a given configuration, flow-forming profiles are installed inside the channel, for example, a diverter for creating a helical flow.

На чертеже показан вариант выполнения гидродинамического стенда. The drawing shows an embodiment of a hydrodynamic stand.

Гидродинамический стенд состоит из разборного кольцевого гидродинамического канала 1, выполненного, например, из прозрачного материала, внутри которого размещена исследуемая модель 2. Канал 1 имеет упрочняющее кольцо 3 и установлен на валу 4. На этом же валу 4 размещены подшипниковый узел 5 и тормозная система 6. Для привода канала 1 установлен электродвигатель 7. Канал имеет дренажное отверстие 8 с заглушкой 9. The hydrodynamic stand consists of a collapsible annular hydrodynamic channel 1, made, for example, of transparent material, inside which the studied model 2 is placed. The channel 1 has a reinforcing ring 3 and is mounted on the shaft 4. On the same shaft 4 there is a bearing assembly 5 and a brake system 6 To drive channel 1, an electric motor 7 is installed. The channel has a drainage hole 8 with a plug 9.

Гидродинамический стенд работает следующим образом. The hydrodynamic stand works as follows.

Включается электродвигатель 7, и кольцевой гидродинамический канал 1 вместе с исследуемой моделью разгоняется до требуемой частоты вращения. Жидкость за счет трения о стенки канала также приходит во вращательное движение и с запаздыванием в несколько секунд достигает частоты вращения канала, становясь неподвижной относительно стенок канала и исследуемой модели 2. Затем электродвигатель 7 отключается, и включается тормозная система 6. Канал 1 тормозится, а жидкость по инерции продолжает движение и обтекает модель 2. Характер течения фиксируется видеокамерой (на чертеже видеокамера не показана). В первый момент, пока возмущения от потокообразующего профиля и стенок канала не распространится по всему объему, течение имеет ламинарный характер с турбулентным пограничным слоем, затем течение становится турбулентным. Таким образом в ходе одного эксперимента фиксируется поведение модели при разном характере потока жидкости и при различных скоростях движения жидкости, то есть наблюдается весь цикл от начала, когда скорость максимальна, до полного затухания потока жидкости. Интенсивность торможения канала 1 или его угловые ускорения регулируется тормозной системой 6. The electric motor 7 is turned on, and the annular hydrodynamic channel 1, together with the model under study, accelerates to the required speed. The fluid due to friction against the channel walls also comes into rotational motion and with a delay of several seconds reaches the channel rotation frequency, becoming stationary relative to the channel walls and the model under study 2. Then, the electric motor 7 is turned off and the brake system 6 is turned on. Channel 1 is braked and the fluid by inertia it continues to move and flows around model 2. The nature of the flow is recorded by a video camera (the video camera is not shown in the drawing). At the first moment, until the perturbations from the flow-forming profile and the channel walls propagate throughout the volume, the flow has a laminar character with a turbulent boundary layer, then the flow becomes turbulent. Thus, in the course of one experiment, the behavior of the model is fixed for a different nature of the fluid flow and for different fluid velocities, that is, the whole cycle is observed from the beginning, when the speed is maximum, to the complete decay of the fluid flow. The braking intensity of the channel 1 or its angular accelerations is regulated by the brake system 6.

Разгон может осуществляться от маломощного электродвигателя, что удешевляет установку, снижает ее габариты. При этом время разгона может многократно превышать время торможения. Acceleration can be carried out from a low-power electric motor, which reduces the cost of installation and reduces its dimensions. In this case, the acceleration time can be many times longer than the braking time.

Для исследования обтекания модели потоком жидкости заданной конфигурации, например винтовой (жидкость одновременно движется поступательно как вдоль канала, так и вращательно относительно центра канала "O"), в канал устанавливается дивертор (на чертеже дивертор не показан). Канал с дивертором позволяет исследовать свойства винтовых потоков жидкостей, а также дивертор необходим и для других физических экспериментов, в частности, для исследования условия генерации магнитного поля в спиральных потоках жидких металлов. To study the flow of a model with a fluid flow of a given configuration, for example screw (the fluid simultaneously moves both along the channel and rotationally relative to the center of the channel “O”), a divertor is installed in the channel (the divertor is not shown in the drawing). A channel with a divertor allows one to study the properties of helical fluxes of liquids, and a divertor is also necessary for other physical experiments, in particular, to study the conditions for the generation of a magnetic field in spiral flows of liquid metals.

С целью исследования возможности практической реализации подобного гидродинамического стенда была выполнена опытная установка с наружным диаметром канала 0,3 м. Канал, заполненный водой, разгонялся до 3000 об/мин. Время торможения канала регулировалось в пределах 0,02 - 0,2 с. Характерное время затухания потока жидкости (время снижения скорости в е раз) составляло порядка 0,5 с, что достаточно для проведения необходимых измерений, например, в экспериментах по моделированию возбуждения магнитного поля движущейся проводящей средой (МГД-динамо). In order to study the feasibility of practical implementation of such a hydrodynamic bench, a pilot installation was performed with an external channel diameter of 0.3 m. The channel filled with water was accelerated to 3000 rpm. The channel braking time was regulated within the range of 0.02 - 0.2 s. The characteristic decay time of the fluid flow (time of decreasing the velocity by a factor of e) was of the order of 0.5 s, which is sufficient for the necessary measurements, for example, in experiments to simulate the excitation of a magnetic field by a moving conducting medium (MHD dynamo).

Claims

A hydrodynamic bench containing an annular rotating channel, a drive motor and measuring equipment, characterized in that it contains a brake system, and the investigated model is fixed motionless relative to the channel walls.