ANALIZA PRZEPŁYWU W TUNELU AERODYNAMICZNYM PO MODERNIZACJI

Transkrypt

1 Dr inż. Waldemar DUDDA Dr inż. Jerzy DOMAŃSKI Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie ANALIZA PRZEPŁYWU W TUNELU AERODYNAMICZNYM PO MODERNIZACJI Streszczenie: W opracowaniu przedstawiono wyniki symulacji przepływu powietrza w tunelu aerodynamicznym. Wykonano obliczenia dla tunelu po modernizacji jego konstrukcji. Badano wpływ kierownicy stabilizującej na ujednolicenie rozkładu prędkości powietrza w przekroju wylotowym z tunelu. Przepływ powietrza przez tunel analizowano przy stałej wydajności wentylatorów oraz z wykorzystaniem charakterystyki wydajności wentylatorów. W efekcie wykazano zasadność zastosowania kierownicy stabilizującej w aspekcie poprawy ujednolicenia prędkości powietrza w przekroju wylotowym tunelu. ANALYSIS OF FLOW IN THE WIND TUNNEL AFTER MODERNIZATION Abstract: The simulations of air flow in a wind tunnel are presented in the paper. The calculations for the modernized tunnel were performed. The effect of the guide vanes application on standardizing the distribution of air velocities in the outlet section of the tunnel was studied. The air flow was analyzed et the constant fan flow rate and using the fan flow rate characteristics. As a result, the validity of the application of the guide vanes for the air flow stabilization in the outlet section of the tunnel was demonstrated. 1. OBIEKT BADAŃ Badanie silników wiatrowych związane jest ściśle ze strumieniem powietrza niezbędnym do ich napędzania. W ramach prac związanych z testowaniem prototypów takich silników zdecydowano się wykorzystać istniejący tunel aerodynamiczny. Przeprowadzono analizę wytrzymałościową i symulację przepływu powietrza mającą na celu określenie sposobu modernizacji tegoż tunelu, pod kątem uzyskania równomiernego rozkład prędkości powietrza w przekroju wylotowym. Po analizie uzyskanych wyników [1] zaproponowano modernizację polegającą na wprowadzeniu końcowego segmentu tunelu, którego kształt oparty jest na profilu Witoszyńskiego [2, 3] oraz zastosowaniu kierownicy stabilizującej ruch powietrza, którą można demontować. Obecnie po dokonaniu modernizacji tunel aerodynamiczny składa się z trzech części (rys. 1), dwóch segmentów prostopadłościennych o wewnętrznym poprzecznym przekroju kwadratowym 190 x 190 cm i długości 100 cm oraz segmentu końcowego w kształcie zwężki o przekroju poprzecznym kwadratowym, lecz krzywoliniowym profilu bocznym. Między segmentami prostopadłościennymi umieszczona jest kierownica stabilizująca z możliwością jej demontażu. Ruch powietrza wymuszany jest czterema wentylatorami osiowymi rozmieszczonymi symetrycznie na czołowej ścianie skrajnego segmentu prostopadłościennego. 201

2 Rys. 1. Tunel po modernizacji z zaadaptowaną kierownicą i zwężką o nieliniowym profilu Współrzędne x i y krzywoliniowego zarysu wewnętrznej powierzchni zwężki (rys..2) wyznaczono wg formuły Wituszyńskiego [2, 3]: y 2, (1) x a 1 R R gdzie: R 1 i R 2 wymiar na wlocie i wylocie zwężki, L długość profilowanej części zwężki, a 3 L wymiar charakterystyczny zwężki. 2 R x a 3 Wartości parametrów występujących w powyższej zależności oraz pozostałe wymiary i konstrukcję zwężki przedstawiono na rysunku 2. Kierownicę stabilizującą stanowi rama wykonana z ceownika z przyspawanym obustronnie sitem z blachy stalowej o grubości 2 mm z otworami kwadratowymi mm o równomiernym zagęszczeniu i prześwicie wynoszącym 70% pola przekroju tunelu. Pozostałe wymiary i konstrukcję kierownicy przedstawiono na rysunku 3. Celem pracy jest analiza rozkładu prędkości na wylocie zmodernizowanego tunelu za pomocą obliczeń numerycznych. 202

3 Rys. 2. Zwężka stabilizująca przepływ: R 1 = 950 mm, R 2 = 500 mm, L = 1000 mm Rys. 3. Kierownica dławiąco-stabilizująca 203

4 2. ANALIZA PRZEPŁYWU DLA MODELU TUNELU PO MODERNIZACJI Przeprowadzono dwa warianty symulacji numerycznych przepływu: 1. Wlot do tunelu aerodynamicznego został zamodelowany jako cztery wloty z założonymi wartościami wydajności objętościowego natężenia przepływu 3 m 3 /s każdy oraz prędkością kątową 10 rad/s. Powierzchnie wlotów określone były pierścieniami o średnicach wewnętrznych d w = 500 mm i zewnętrznych d z = 800 mm, uzyskanych z pomiarów wentylatorów. 2. Wlot do tunelu został zadany jako 4 wentylatory, których wydajność określona była charakterystyką przedstawioną na rysunku 4, która została wykonana na podstawie danych producenta oraz wartości wykonanych pomiarów w trakcie pracy tunelu. Przyrost ciśnienia [Pa] Wydajność m 3 /s Rys. 4. Charakterystyka wydajności wentylatora Dla każdego wariantu symulacji wykonano obliczenia z uwzględnieniem i bez uwzględnienia kierownicy stabilizującej. We wszystkich rozważanych przypadkach założono przepływ turbulentny model intensywności turbulencji. Wylot z tunelu został zamodelowany jako obszar ciśnienia atmosferycznego, dla którego założono ciśnienie o wartości Pa. Miejsca określenia warunków brzegowych i położenie przekroju środkowego, dla którego prezentowane będą wyniki przedstawiono na rysunku

5 Rys. 5. Warunki brzegowe modelu obliczeniowego Na rysunkach 6 i 7 przedstawiono rozkład ciśnień w płaszczyźnie środkowej dla warunku brzegowego na wlocie tunelu określonego na podstawie charakterystyki wentylatorów. Rysunek 6 ukazuje rozkład ciśnienia dla modelu z wykorzystaniem kierownicy dławiąco-stabilizującej, natomiast rysunek 7 z pominięciem tej kierownicy. Rys. 6. Rozkład ciśnienia w płaszczyźnie środkowej w kanale z kierownicą Rys. 7. Rozkład ciśnienia w płaszczyźnie środkowej w kanale bez kierownicy Przy zastosowaniu kierownicy uwidacznia się stabilniejszy rozkład ciśnienia (rys. 6 i 7) w płaszczyźnie środkowej, zwłaszcza w części wylotowej z tunelu. Na kolejnych rysunkach przedstawiono porównanie rozkładu prędkości przepływu w przekroju środkowym wylotu tunelu w zależności od zastosowania kierownicy stabilizującej lub jej pominięcia. Na rysunku 8 przedstawiono wyniki wariantu symulacji przy założonej stałej wydajności objętościowego natężenia przepływu 3 m 3 /s dla każdego z czterech wentylatorów. Natomiast na rysunku 9 zamieszczono wyniki dla wariantu, 205

6 w którym wydajność każdego z wentylatorów określona była na podstawie charakterystyki (rys. 4) ,5 Prędkość Vx [m/s] 13 12, ,5 z kierownicą bez kierownicy ,2 0,4 0,6 0,8 1 Położenie w przekroju [m] Rys. 8. Rozkład składowej X prędkości przy założonej stałej wydajności objętościowego natężenia przepływu 3 m 3 /s 15 14,5 Prędkość Vx [m/s] 14 13, ,5 bez kierownicy z kierownicą ,2 0,4 0,6 0,8 1 Położenie w przekroju [m] Rys. 9. Rozkład składowej X prędkości dla wydajności wentylatorów określonej charakterystyką W celu zbadania stopnia nierównomierności rozkładu prędkości w przekroju wylotowym tunelu, wprowadzono bezwymiarowy współczynnik określony następującą zależnością: 206

7 Vmax Vmin 100%, (2) Vmax gdzie V max i V min oznaczają odpowiednio maksymalną i minimalną prędkość w rozważanym przekroju wylotowym. W tabeli 1 zestawiono maksymalne i minimalne prędkości z wykresów przedstawionych na rysunkach 8 i 9 oraz obliczono odpowiadające tym prędkościom współczynniki nierównomierności rozkładu prędkości wg zależności (2). Tab. 1. Współczynnik nierównomierności rozkładu prędkości Z założoną stałą wydajnością 3m 3 /s Z uwzględnieniem charakterystyki wentylatora Bez kierownicy Z kierownicą Bez kierownicy Z kierownicą V max [m/s] 13,14 12,37 14,63 13,91 V min [m/s] 12,17 11,89 13,33 13,18 7,4% 3,9% 8,9% 5,2% Z rozkładów prędkości (rys. 8 i 9) w rozważanym środkowym przekroju (rys. 5) wynika, że po wprowadzeniu kierownicy w obu wariantach warunków brzegowych wartości prędkości zmniejszyły się o 0,5 do 1m/s. W obu przypadkach zastosowanie kierownicy poprawiło równomierność rozkładu prędkości. W pierwszym wariancie nierównomierność zmniejszyła się z 7,8% do 3,9%, a w drugi z 8,9% do 5,2% (tab. 2). W przypadku wariantu uwzględniającego charakterystykę wentylatorów powstaje obszar o wyraźnym spadku prędkości (rys. 9). 3. PODSUMOWANIE Z przeprowadzonych obliczeń wynikają następujące wnioski odnośnie do przeprowadzonej modernizacji: 1. Zastosowanie kierownicy stabilizuje rozkład ciśnienia w płaszczyźnie środkowej końcowego segmentu tunelu (porównanie rys. 6 i 7). 2. Modernizacja polegająca wyłącznie na zastosowaniu zwężki opartej na profilu Witoszyńskiego skutkuje stopniem nierównomierności prędkości 8,9% i 7,4% w zależności od tego, czy uwzględniono charakterystykę wentylatorów, czy też nie. 3. Wprowadzenie dodatkowo kierownicy powoduje dalsze zmniejszenie nierównomierności rozkładu prędkości odpowiednio od 5,2% i 3,9% (tab. 1). 4. Z symulacji uwzględniającej charakterystykę wentylatorów uwidacznia się obszar w centralnej części przekroju środkowego na wylocie z tunelu, charakteryzujący się wyraźnym spadkiem prędkości (rys. 9). Przy braku kierownicy spadek prędkości był rzędu 1,3 m/s, zastosowanie kierownicy zmniejszało ten efekt o połowę. Na podstawie analizy uzyskanych wyników uznano, że modernizacja istniejącego tunelu doprowadziła do osiągnięcia zamierzonego celu, uzyskano stopień nierównomierności rozkładu prędkości na poziomie 5%. Ewentualną dalszą poprawę ujednolicenia prędkości w przekroju wylotowym z tunelu można by uzyskać, odpowiednio zmniejszając lub zwiększając stopień prześwitu kierownicy w różnych jej obszarach (wniosek nr 4). *** 207

8 Przedstawioną pracę wykonano w ramach realizacji projektu kluczowego pt. Modelowe kompleksy agroenergetyczne jako przykład kogeneracji rozproszonej opartej na lokalnych i odnawialnych źródłach energii nr POIG /08, realizowanego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka Projekt ten jest współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. LITERATURA [1] Domański J., Dudda W., Komar W.: Modernizacja, analiza wytrzymałościowa i badania symulacyjne tunelu aerodynamicznego pod kątem badania silników wiatrowych, opracowanie wewnętrzne IMPPAN, nr arch. 362/09, Gdańsk 2009, s [2] Goliński J.A., Troskolański A.T., Jeżowiecka-Kabsch K., Halupczok J.: Strumienice. Teoria i konstrukcja, WNT, Warszawa [3] Wysoki J.: Mechanika płynów, PWN, Warszawa