ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΘΕΡΜΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Υπεύθυνος: Επικ. Καθηγητής Δρ. Α. ΦΑΤΣΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 11 ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Οπτικοποίηση ροϊκού πεδίου γύρω από πτερύγια Στροβιλοκινητήρων Σελίδα 1 από 5
ΑΣΚΗΣΗ 11: Οπτικοποίηση ροϊκού πεδίου γύρω από πτερύγια Στροβιλοκινητήρων Σκοπός της Άσκησης: Το να μάθει ο σπουδαστής (α) Τα βασικά χαρακτηριστικά του ροϊκού πεδίου γύρω από πτερυγώσεις στροβιλοκινητήρων και (β) Τη χρήση τεχνικών οπτικοποίησης της ροής στην υποηχητική αεροσύραγγα του εργαστηρίου για την οπτικοποίηση ροϊκών χαρακτηριστικών σε πτερύγιο στροβιλοκινητήρα. (γ) Το πώς από την οπτικοποίηση της ροής μπορεί κανείς να βγάζει συμπεράσματα για την αεροδυναμική απόδοση πτερυγώσεων. Α. Θεωρητικό Μέρος Από νωρίς οι επιστήμονες προσπάθησαν να αναπτύξουν τεχνικές οπτικοποίησης της ροής, δηλαδή τεχνικές με τις οποίες μπορεί κανείς να «ανιχνεύσει» τα χαρακτηριστικά του ροϊκού πεδίου γύρω από πτερυγώσεις στροβιλοκινητήρων. Με τον τρόπο αυτό, μπορούμε να κατανοήσουμε τη συμπεριφορά της ροής καθώς περνά μέσα από τα πτερύγια συμπιεστή και στροβίλου με σκοπό τη βελτιστοποίηση από αεροδυναμική συμπεριφορά και συμπεριφορά όσον αφορά τη μετάδοση θερμότητας πτερυγίων στροβιλοκινητήρων. Είναι γνωστό ότι ο αέρας είναι διάφανος, έτσι οι μηχανικοί επινόησαν τεχνικές για να «δουν» τη συμπεριφορά των ροϊκών γραμμών του αέρα δύρω από σώματα, βάζοντας στη ροή σωματίδια απειροελάχιστου βάρους (ώστε να μη διαταράσσουν τη ροή) τα οποία μπορεί κανείς να δει. Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά ροϊκών πεδίων που περνούν επάνω από στερεά σώματα είναι η ανάπτυξη οριακού στρώματος, δηλαδή ενός λεπτού στρώματος ρευστού που είναι σε επαφή με το στερεό σώμα (για τη περίπτωσή μας ένα πτερύγιο). Στο οριακό στρώμα λαμβάνει χώρα σημαντική μεταβολή της ταχύτητας και άρα και της ορμής του ρευστού ένεκα των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του πτερυγίου καθώς και λόγω των δυναμικών χαρακτηριστικών της ροής. Το οριακό στρώμα γύρω από πτέρυγα είναι δυνατόν να παρουσιάζεται υπό δύο διαφορετικές καταστάσεις: την στρωτή και την τυρβώδη. Σπανίως όμως το οριακό στρώμα είναι εξ ολοκλήρου στρωτό ή εξ ολοκλήρου τυρβώδες. Στο αρχικό (εμπρός) μέρος της επιφάνειας του σώματος το οριακό στρώμα είναι στρωτό. Πρόκειται για κατάσταση ροής που μακροσκοπικά τουλάχιστον μοιάζει με την ιδανική ροή αλλά είναι ευπαθής και ασταθής, οι δε δυνάμεις λόγω ιξώδους υπερτερούν των δυνάμεων αδράνειας. Καθώς όμως προχωράμε προς τα πίσω οι δεύτερες αυξάνουν εις βάρος των πρώτων. Έτσι αναπόφευκτα φθάνουμε σε κάποιο σημείο της επιφάνειας του σώματος όπου οι δυνάμεις αδράνειας υπερσκελίζουν τις δυνάμεις ιξώδους, με την παρεμβολή μίας μικρής μεταβατικής περιοχής, το στρωτό στρώμα μετατρέπεται σε τυρβώδες, σχήμα 1. Αν το οριακό στρώμα μεταπέσει σε τυρβώδες στο πίσω μέρος του σώματος κατά κανόνα δεν υπάρχει δυνατότητα να ανακτήσει την στρωτή ροή του. Με την μετάβαση του οριακού στρώματος από στρωτό σε τυρβώδες παρουσιάζεται σημαντική αύξηση του πάχους του. Εξ άλλου, κάτω από το τυρβώδες στρώμα και στην επαφή με την επιφάνεια του σώματος υπάρχει πάντοτε ένα λεπτό στρωτό υπόστρωμα μέσα στο οποίο η μεταβολή της ταχύτητας είναι πολύ απότομη. Το φυσικό πάχος του οριακού στρώματος καθορίζεται ως η απόσταση y από την Σελίδα 2 από 5
επιφάνεια όπου ο λόγος της ταχύτητας 0,995. U U αναλογεί μεταξύ των τιμών 0,99 και Σχήμα 1: Ανάπτυξη οριακού στρώματος σε επίπεδη πλάκα Η απόσταση του σημείου μετάβασης P από το χείλος προσβολής του σώματος, δηλαδή το μήκος που καταλαμβάνει το στρωτό στρώμα : α) εξαρτάται από την, κατά την έννοια της ροής, μορφή του σώματος. β) είναι τόσο μεγαλύτερο όσο : - η λειότητα της επιφάνειας του σώματος είναι τελειότερη - η αρχική τύρβη του ρεύματος είναι μικρότερη - οι κραδασμοί, στους οποίους τυχόν υπόκειται το σώμα είναι ηπιότεροι γ) αυξάνει μειούμενης της ταχύτητας V και της πυκνότητας ρ του ρεύματος και αυξανομένου του συντελεστή ιξώδους μ του αέρα και αντίστροφα. H άτριβη ροή εμφανίζει τυπικό προφίλ ταχύτητας γύρω από ένα σώμα όπως φαίνεται στο σχήμα 2α. Η τοπική ταχύτητα είναι μεγαλύτερη κοντά στο τοίχωμα λόγω της μετατόπισης της ροής από το σώμα. Στην περίπτωση της πραγματικής ροής, εφαπτομενικές δυνάμεις μπορούν να μεταφερθούν μεταξύ των εσωτερικών στρωμάτων του ρευστού όπως επίσης μεταξύ της ροής και του τοιχώματος της επιφάνειας του σώματος. Λόγω αυτού του χαρακτηριστικού που καλείται ιξώδες, η ροή σχηματίζει το οριακό στρώμα επάνω στο τοίχωμα όπως φαίνεται στο σχήμα 2β. Σχήμα 2: Ροή γύρω από αεροτομή Σελίδα 3 από 5
Ειδικότερα στις στροβιλομηχανές, οριακά στρώματα εμφανίζονται κατά μήκος της επιφάνειας των πτερυγίων όπως επίσης και ανάμεσα στα τοιχώματα της βάσης και του ακροπτερυγίου. Τέλος, ο τύπος και η έκταση του οριακού στρώματος σε στροβιλομηχανές έχουν μεγάλη σημασία για τους ακόλουθους λόγους : Καθορίζουν από τη μια πλευρά την απόδοση και επομένως τη κατανάλωση καύσιμου και από την άλλη πλευρά την αύξηση της πίεσης ανά βαθμίδα και επομένως τον αριθμό των βαθμίδων και το συνολικό βάρος της μηχανής. Στην περίπτωση των στροβιλοαντιδραστήρων (turbo jets) τα οριακά στρώματα επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό το άμεσο λειτουργικό κόστος. Θα πρέπει να είναι γνωστή η ακριβής αξιολόγηση των συνθηκών εξόδου της μίας σειράς πτερυγίων σαν η βάση για την είσοδο της επόμενης σειράς πτερυγίων. Θα πρέπει να είναι γνωστά (τα οριακά στρώματα) για τον ακριβή σχεδιασμό του συστήματος ψύξης για τους στροβίλους υψηλής πίεσης διότι το οριακό στρώμα καθορίζει έντονα το ρυθμό μεταφοράς θερμότητας από το ρευστό στο τοίχωμα. Η θέση μετάβασης του οριακού στρώματος στην επιφάνεια εξαρτάται από πολλές παραμέτρους όπως η βαθμίδα της πίεσης, η τραχύτητα της επιφάνεια, τους αριθμούς Mach και Reynolds, το είδος της τύρβης και τη μεταφορά θερμότητας από το ρευστό στο τοίχωμα. Υπάρχουν βαθμίδες πίεσης και στις τρεις διευθύνσεις στις ροές εντός στροβιλομηχανών. Πρόσθετα φαινόμενα εμφανίζονται ακόμα και σε δισδιάστατες ροές με βαθμίδα πίεσης στη κύρια διεύθυνση ροής. Ας εξετάσουμε την ροή γύρω από την επιφάνεια της πτέρυγας στο σχήμα 3. Σχήμα 3: Κατανομές ταχύτητας, ροϊκές γραμμές και κατανομή πίεσης Το προφίλ της ταχύτητας στο στρωτό οριακό στρώμα αλλάζει μέσα στο εύρος du της επιβραδυνόμενης ροής, μέχρι η βαθμίδα της ταχύτητας στο τοίχωμα να γίνει dy Σελίδα 4 από 5
μηδέν. Τότε ξενικά η στρωτή αποκόλληση. Το επόμενο προφίλ ταχύτητας παρουσιάζει αναστροφή της ροής κοντά στο τοίχωμα. Οι ροϊκές γραμμές παρουσιάζουν δίνες στη περιοχή αυτή όπου χαρακτηρίζονται από πολύ χαμηλή ταχύτητα. Η πίεση είναι σταθερή στη παρακάτω κατανομή. Η αποκόλληση αυτή μπορεί να επεκταθεί μέχρι το χείλος εκφυγής στη περίπτωση χαμηλού αριθμού Reynolds, Re<2000000 και χαμηλής έντασης τύρβης. Στην περίπτωση υψηλότερου Re και έντασης τύρβης τυρβώδεις δίνες εμφανίζονται σε περίπτωση που η βαθμίδα du της ταχύτητας ή η διατμητική τάση υπερβεί μία συγκεκριμένη τιμή. Το οριακό dy στρώμα γίνεται πλήρως τυρβώδες και τελικά επανακολλάται λόγω της ενέργειας η οποία εισέρχεται από την εξωτερική ροή. Αυτή η τοπική αποκόλληση ονομάζεται «φυσαλίδα». Το τυρβώδες οριακό στρώμα με το υψηλότερο ενεργειακό του dp περιεχόμενο είναι ικανό να ακολουθήσει καλύτερα τη βαθμίδα της πίεσης στη dx διεύθυνση της κύριας ροής απ ότι το στρωτό οριακό στρώμα. Γενικά ο στόχος του σχεδιασμό των πτερυγίων είναι να διατηρεί: Τη «φυσαλίδα» όσο το δυνατόν μικρότερη και το τυρβώδες οριακό στρώμα μη αποκολλημένο. Παρ ολα αυτά το τυρβώδες οριακό στρώματος αποκολλάται στο πίσω μέρος dp του πτερυγίου όταν η βαθμίδα πίεσης υπερβεί μία συγκεκριμένη τιμή. Οριακή dx αποκόλληση είναι αποδεκτή σε συνθήκες εκτός σημείου λειτουργίας. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, το τυρβώδες οριακό στρώμα μπορεί γίνει στρωτό και ένα αποκολλημένο τυρβώδες οριακό στρώμα μπορεί να ξανά κολλήσει. Παρόλ αυτά είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθούν τέτοιοι επιθυμητοί στόχοι στις συνθήκες λειτουργίας στροβιλομηχανών. Β. Πρακτικό Μέρος Στην αεροσήραγγα του Εργαστηρίου, υπάρχει πτέρυγα εφοδιασμένη με τρεις σειρές νημάτων κατά μήκος της έτσι ώστε να γίνει δυνατή η οπτικοποίηση της ροής γύρω από τη πτέρυγα με τη κίνηση των νημάτων. Μεταβάλλοντας τη γωνιά κλίσης της πτέρυγας, αναφέρατε ξεκινώντας από τη πλήρως αξονική διεύθυνση της πτέρυγας (όπου η γωνία προσβολής είναι 0 μοίρες) και αυξάνοντας σταδιακά τη γωνία προσβολής: α) Σε ποια γωνία (σε μοίρες) από τη πλήρως αξονική διεύθυνση παρατηρείτε τη μετάβαση του οριακού στρώματος σε τυρβώδες κατά μήκος της πτέρυγας; Πως καταλαβαίνετε ότι το οριακό στρώμα έχει γίνει τυρβώδες; β) Σε ποια γωνία (σε μοίρες) από τη πλήρως αξονική διεύθυνση παρατηρείτε το φαινόμενο της αποκόλλησης του οριακού στρώματος; Πως καταλαβαίνετε ότι η ροή έχει αποκολληθεί; Σε τι ποσοστό του μήκους της χορδής παρατηρείτε για πρώτη φορά την αποκόλληση; Σελίδα 5 από 5