ВЕРИФИКАЦИЯ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭФФЕКТА КОАНДА ПРИ ИСТЕЧЕНИИ ВОЗДУШНОЙ СТРУИ ИЗ СОПЛА МЕТОДОМ PIV

VERIFICATION OF NUMERICAL SIMULATION OF THE COANDA EFFECT IN AN AIR JET OUTFLOW FROM A NOZZLE BY THE PIV METHOD

Makаr Dotsenko

student, Department of Gas turbine engines and combined units, Bauman Moscow State Technical University,

Russia, Moscow

Gleb Khomutov

student, Department of Gas turbine engines and combined units, Bauman Moscow State Technical University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Целью данной работы является верификация расчета истечения из сопла при наблюдении эффекта Коанда с помощью системы РIV (Partical Image Velocimetry). По результатам численного моделирования в ПО ANSYS было получено распределение скоростей в продольном сечении исследуемого сопла. Далее, для верификации расчета был собран опытный стенд. Результатом эксперимента являются полученные картины течения вблизи сопла, а также векторное поле скоростей. Актуальность данного исследования заключается в необходимости проверки результатов численного моделирования опытным путем для настройки расчетной модели и дальнейшего ее применения в схожих научных и промышленных задачах.

ABSTRACT

The purpose of this work is to verify the calculation of the discharge from the nozzle when observing the Coanda effect using the EYE system (Partial Image Velocimetry). Based on the results of numerical modeling in the ANSYS software, the velocity distribution in the longitudinal section of the nozzle under study was obtained. Next, a test bench was assembled to verify the calculation. The result of the experiment is the flow patterns obtained near the nozzle, as well as the velocity vector field. The relevance of this study lies in the need to verify the results of numerical modeling experimentally in order to adjust the computational model and further apply it in similar scientific and industrial tasks.

Ключевые слова: эффект Коанда; численное моделирование; PIV.

Keywords: Coand effect; numerical simulation; PIV.

Эффект Коанда — это физическое явление, при котором струя жидкости или газа, вытекающая из сопла, "прилипает" к близлежащей искривлённой поверхности и движется вдоль её контура, отклоняясь от первоначального прямолинейного направления. Это происходит из-за разницы давлений, возникающей между струёй и поверхностью. Эффект широко используется в авиации, вентиляции и других областях.

В данной статье представлено численное моделирование данного эффекта, а также опыт для его верификации. Экспериментальная часть работы заключалась в создании стенда и проведении серии испытаний. На рисунках 1 и 2 представлены схема и фото проточной части экспериментальной установки соответственно.

Рисунок 1. Фото стенда                                                  Рисунок 2. Схема стенда

Численное моделирование осуществлялось в ПО ANSYS Fluent. Расчетная модель представленна на рисунке 3. Далее модель была разбита на конечные объемы. Тип сетки – tetrahedrons, количество элементов – 1532963, узлов – 501483. Расчетная сетка в области сопла представлена на рисунке.

Рисунок 3. Сетка элементов конечного обьема

Использовались следующие модели: модель турбулентности – k-w SST, для описания связи параметров рабочего тела применялось уравнение идеального газа. Граничные условия, примененные в модели, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Граничные условия

Значение опорных давления и температуры равнялось 101325 Па и 293 К соответственно. Расход в подводящих каналах являлся постоянным и выбирался из визуального определения режима прилипания.

Сравнение результатов

Метод PIV измеряет скорости в потоке, фиксируя положение рассеивающих частиц-трассеров в лазерной плоскости в два последовательных момента времени, анализируя смещения частиц на парных изображениях с помощью кросс-корреляции, метод восстанавливает двумерное поле векторов скорости. Одно из используемых фото представлено на рисунке 4.

Рисунок 3. Снимок истечения

Для верификации расчетов необходимо сравнить поля распределения скоростей, полученные в результате эксперимента и моделирования. На рисунках 4 и 5 представлены поля скоростей, полученных в ANSYS и методом PIV соответственно.

Рисунок 4. Расчетное поле скоростей                               Рисунок 5. Результат опыта

Согласно полученным результатам можно заметить, что скорости в ядре на обоих рисунках совпадают и составляют 0,3 м/с, что в первом приближении можно считать подтверждением расчетных данных, однако полной верификацией данный анализ назвать нельзя, поскольку сравнение интегральных характеристик является неотъемлемой частью верификации и станет дальнейшим этапом в исследовании предложенной задачи.

Список литературы:

1. Мочалов А.А. Ушаков Р.Е Исследованиеи воздушных нестационарных вихрейметодом «PIV», конференция Радиоэлектроника Электротехника и Энергетика, Москва, 17–19 марта 2022 года.