Plūsmas turbulences izpratne
Definīcija: Kas ir plūsmas turbulence?
Plūsmas turbulence ir haotiska, neregulāra šķidruma kustība, kam raksturīgas nejaušas ātruma svārstības, virpuļojoši virpuļi un virpuļi sūkņos, ventilatoros, kompresoros un cauruļvadu sistēmās. Atšķirībā no vienmērīgas lamināras plūsmas, kur šķidruma daļiņas pārvietojas sakārtotās paralēlās trajektorijās, turbulentā plūsma demonstrē nejaušu trīsdimensiju kustību ar nepārtraukti mainīgu ātrumu un spiedienu. Rotējošās mašīnās turbulence rada nestacionārus spēkus uz lāpstiņriteņiem un lāpstiņām, radot platjoslas vibrācija, troksni, enerģijas zudumus un komponentu noguruma veicināšanu.
Lai gan zināma turbulence daudzos pielietojumos ir neizbēgama un pat vēlama (turbulentā plūsma nodrošina labāku sajaukšanos un siltuma pārnesi), pārmērīga turbulence sliktu ieplūdes apstākļu, nepareizas darbības vai plūsmas atdalīšanās dēļ rada vibrācijas problēmas, samazina efektivitāti un paātrina sūkņu un ventilatoru mehānisko nodilumu.
Turbulentās plūsmas raksturojums
Plūsmas režīma pāreja
Plūsmas pāreja no lamināras uz turbulentu atkarībā no Reinoldsa skaitļa:
- Reinoldsa skaitlis (Re): Re = (ρ × V × D) / µ
- Kur ρ = blīvums, V = ātrums, D = raksturīgais izmērs, µ = viskozitāte
- Laminārā plūsma: Atkārtoti < 2300 (gluds, sakārtots)
- Pārejas periods: Re 2300-4000
- Turbulentā plūsma: Re > 4000 (haotisks, neregulārs)
- Rūpnieciskās iekārtas: Gandrīz vienmēr darbojas turbulentā režīmā
Turbulences raksturojums
- Nejaušas ātruma svārstības: Momentānais ātrums mainās haotiski ap vidējo vērtību
- Ediji un virpuļi: Dažādu izmēru virpuļojošas struktūras
- Enerģijas kaskāde: Lieli virpuļi sadalās pakāpeniski mazākos virpuļos
- Sajaukšana: Ātra impulsa, siltuma un masas sajaukšanās
- Enerģijas izkliede: Turbulentā berze kinētisko enerģiju pārvērš siltumā
Turbulences avoti mašīnās
Ieplūdes traucējumi
- Slikts ieplūdes dizains: Asi līkumi, šķēršļi, nepietiekams taisnas līnijas garums
- Virpulis: Šķidruma, kas ieplūst lāpstiņritenī/ventilatorā, iepriekšēja rotācija
- Nevienmērīgs ātrums: Ātruma profils ir izkropļots no ideālā
- Efekts: Paaugstināta turbulences intensitāte, paaugstināta vibrācija, samazināta veiktspēja
Plūsmas atdalīšana
- Nevēlamie spiediena gradienti: Plūsma atdalās no virsmām
- Darbība ārpus projekta: Nepareizi plūsmas leņķi, kas izraisa lāpstiņu atdalīšanos
- Stends: Plaša atdalīšana lāpstiņu iesūkšanas pusē
- Rezultāts: Ļoti augsta turbulences intensitāte, haotiski spēki
Veikas reģioni
- Turbulentas viļņu kustības lejpus lāpstiņām, statņiem vai šķēršļiem
- Augsta turbulences intensitāte pēctecē
- Lejupvērstās sastāvdaļas saskaras ar nestabiliem spēkiem
- Asmens un pēdas mijiedarbība ir svarīga daudzpakāpju mašīnās
Augsta ātruma reģioni
- Turbulences intensitāte parasti palielinās līdz ar ātrumu
- Lāpstiņriteņa galu apgabali, izplūdes sprauslu augstas turbulences zonas
- Rada lokalizētus lielus spēkus un nodilumu
Ietekme uz mašīnām
Vibrāciju ģenerēšana
- Platjoslas vibrācija: Turbulence rada nejaušus spēkus plašā frekvenču diapazonā
- Spektrs: Paaugstināts trokšņa līmenis, nevis atsevišķi maksimumi
- Amplitūda: Palielinās līdz ar turbulences intensitāti
- Frekvenču diapazons: Parasti 10–500 Hz turbulences izraisītai vibrācijai
Trokšņa ģenerēšana
- Turbulence ir galvenais aerodinamiskā trokšņa avots
- Platjoslas "svilpojoša" vai "steidzīga" skaņa
- Trokšņa līmenis proporcionāls ātrumam^6 (ļoti jutīgs pret ātrumu)
- Var būt dominējošais trokšņa avots ātrgaitas ventilatoros
Efektivitātes zudumi
- Turbulentā berze izkliedē enerģiju
- Samazina spiediena pieaugumu un plūsmas piegādi
- Tipiski turbulences zudumi: 2–10% ieejas jaudas
- Palielinās, ja darbība nav paredzēta projektam
Sastāvdaļu nogurums
- Nejauši svārstīgi spēki rada ciklisku spriegumu
- Augstas frekvences stresa cikls
- Veicina asmens un struktūras veidošanos nogurums
- Īpaši satraucoši lielā ātrumā
Erozija un nodilums
- Turbulence veicina eroziju abrazīvajos darbos
- Daļiņas, kas suspendētas uz turbulences trieciena virsmām
- Paātrināta nodilšana augstas turbulences apgabalos
Atklāšana un diagnostika
Vibrācijas spektra indikatori
- Paaugstināts platjoslas internets: Augsts trokšņu līmenis visā spektrā
- Diskrēto virsotņu trūkums: Atšķirībā no mehāniskiem defektiem ar noteiktām frekvencēm
- Atkarīgs no plūsmas: Platjoslas līmenis mainās atkarībā no plūsmas ātruma
- Minimālais BEP līmenis: Zemākā turbulence projektēšanas punktā
Akustiskā analīze
- Skaņas spiediena līmeņa mērījumi
- Platjoslas trokšņa pieaugums norāda uz turbulenci
- Akustiskais spektrs ir līdzīgs vibrācijas spektram
- Virziena mikrofoni var noteikt turbulences avotus
Plūsmas vizualizācija
- Skaitļošanas šķidrumu dinamika (CFD) projektēšanas laikā
- Plūsmas straumētāji vai dūmu vizualizācija testā
- Spiediena mērījumi, kas uzrāda svārstības
- Daļiņu attēla velocimetrija (PIV) pētniecībā
Mazināšanas stratēģijas
Ieplūdes dizaina uzlabojumi
- Nodrošiniet pietiekamu taisnas caurules garumu augšup pa straumi (vismaz 5–10 diametri)
- Novērsiet asus līkumus tieši pirms ieplūdes atveres
- Izmantojiet plūsmas taisnotājus vai pagriežamās lāpstiņas
- Zvanveida vai modernizētas ieplūdes atveres samazina turbulences veidošanos
Darbības punkta optimizācija
- Darbināt tuvāko efektivitātes punktu (BEP)
- Plūsmas leņķi atbilst lāpstiņu leņķiem, samazinot atdalīšanos
- Minimāla turbulences ģenerēšana
- Mainīga ātruma kontrole optimāla punkta uzturēšanai
Dizaina modifikācijas
- Vienmērīgas pārejas plūsmas ejās (bez asiem stūriem)
- Difuzori, lai pakāpeniski samazinātu plūsmu
- Virpuļplūsmas slāpētāji vai pretvirpuļveida ierīces
- Akustiskā oderējums turbulences radītā trokšņa absorbēšanai
Turbulence salīdzinājumā ar citām plūsmas parādībām
Turbulence pret kavitāciju
- Turbulence: Platjoslas, nepārtraukts, atkarīgs no plūsmas
- Kavitācija: Impulsīvs, augstākas frekvences, atkarīgs no NPSH
- Abi: Var pastāvēt līdzās, abi rada platjoslas vibrāciju
Turbulence pret recirkulāciju
- Turbulence: Nejaušs, platjoslas, klātesošs visās plūsmās
- Recirkulācija: Organizēta nestabilitāte, zemas frekvences pulsācijas, tikai pie zemas plūsmas
- Attiecības: Recirkulācijas zonas ir ļoti turbulentas
Plūsmas turbulence ir raksturīga ātrgaitas šķidruma plūsmai rotējošās mašīnās. Lai gan tā ir neizbēgama, tās intensitāti un ietekmi var samazināt, izmantojot atbilstošu ieplūdes atveres konstrukciju, darbību tuvu projektēšanas punktam un plūsmas optimizāciju. Izpratne par turbulenci kā platjoslas vibrācijas un trokšņa avotu ļauj atšķirt to no diskrētas frekvences mehāniskiem defektiem un virza atbilstošas korektīvās darbības, kas koncentrējas uz plūsmas apstākļiem, nevis mehāniskiem remontiem.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 