VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF ENERGY INSTITUTE HYDRAULICKÉ CHARAKTERISTIKY PROUDĚNÍ V KAVITAČNÍCH TRYSKÁCH HYDRAULIC CHARACTERISTICS OF THE CAVITATION NOZZLES DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. MILAN GRÍGER doc. Ing. PAVEL RUDOLF, Ph.D. BRNO 2013
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Energetický ústav Akademický rok: 2012/2013 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Student(ka): Bc. Milan Gríger který/která studuje v magisterském studijním programu obor: Fluidní inženýrství (2301T036) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce: v anglickém jazyce: Hydraulické charakteristiky prodění v kavitačních tryskách Hydraulic characteristics of the cavitation nozzles Stručná charakteristika problematiky úkolu: Cílem je experimentální zjišťování hydraulických charakteristik trysek používaných pro výzkum interdisciplinárního charakteru (eliminace sinic, studium erozivní odolnosti materiálu). Práce budou probíhat na kavitačním okruhu Odboru fluidního inženýrství V. Kaplana. Cíle diplomové práce: 1. Zjištění základních hydraulických charakteristik (závislost Kv - sigma) pro několik druhů kavitačních trysek. 2. Zjištění vlivu rotace kapaliny na hydraulické charakteristiky. 3. Souvislost mezi integrálními parametry a charakterem proudění (vizualizace).
Seznam odborné literatury: 1. Noskievič a kol.: Kavitace v hydraulických strojích a zařízeních, SNTL Praha, 1989. 2. Rudolf, P., Hudec, M., Zubík, P., Štefan, D.: Experimental measurement and numerical modeling of cavitating flow in converging-diverging nozzle, EPJ Web of Conferences, Vol. 25, Article Number: 01081, 2012. 3. Osterman, A., Hočevar, M., Širok, B., Dular, M., Characterization of incipient cavitation in axial valve by hydrophone and visualization, Exp. therm. fluid sci.,vol. 33, issue 4, pp. 620-629, 2009. Vedoucí diplomové práce:doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D. Termín odevzdání diplomové práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2012/2013. V Brně, dne 20. 11. 2012 L. S. doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc, Ředitel ústavu prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc., dr. h. c. Děkan
ABSTRAKT Hlavním cílem diplomové práce bylo zjištění hydraulických charakteristik pro několik druhů kavitačních trysek, vliv rotace kapaliny na tyto hydraulické charakteristiky a vizualizace kavitujícího proudění. Diplomová práce je rozdělena do dvou částí, teoretické a praktické. V teoretické části se práce zabývá objasněním problematiky kavitace- jejím vznikem, vývojem a zánikem. Do této části spadá také vysvětlení vířivého proudění, kde jsou uvedeny základní modely vírů. Praktická část diplomové práce byla provedena formou experimentu. Cílem experimentu bylo zjištění hydraulických charakteristik trysek s následným porovnáním. Experimentální část byla zpracována pomocí vizualizace s následným vyhodnocením v programech Microsoft Excel 2007 a Parametr. Klíčová slova: kavitace, superkavitace, kavitační trysky, vír, generátor víru, hydraulické charakteristiky, vizualizace ABSTRAKT The main goal of this thesis is the examination of hydraulic characteristics for different cavity nozzles, influence of liquid rotation and visualization of cavitating flow. Thesis is divided into two parts, theoretical and practical. Theoretical part deals with the description of cavity - creation, development and its extinction. This part also contains description of vortex flow and basic vertex models. Practical part compares nozzles performance experimentally. The aim of experiment was to measure hydraulic characteristics and their comparison. Jet performance was judged using visualizations and measured data was processed in Microsoft Excel and Parametr. Keywords: cavitation, supercavitation, cavitation nozzles, vortex, generator swirl, hydraulic characteristics, visualization,
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE GRÍGER, M. Hydraulické charakteristiky proudění v kavitačních tryskách. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2013. 98 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D..
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ AUTORA Prohlašuji tímto, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně na základě uvedené literatury a pod vedením vedoucího diplomové práce pana doc. Ing. Pavla Rudolfa, Ph.D. V Brně dne 21. 5. 2013. podpis
PODĚKOVÁNÍ Na tomto místě bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce panu doc. Ing. Pavlu Rudolfovi, Ph.D. za pomoc s vypracováním a vedením práce. Dále bych chtěl poděkovat Ing. Martinu Hudcovi, panu Bronislavovi Kusému, doc. Ing. Vladimíru Habánovi, Ph.D. a Bc. Lence Szeinerové za odborné rady a pomoc, kterou mi poskytli, a v neposlední řadě i rodičům za morální a finanční podporu.
OBSAH 1 Úvod... 2 2 Seznam použitých zdrojů... 3
Diplomová práce, 2013 VUT-EU-ODDI-13303-03-13 1 ÚVOD Kavitační jev byl poprvé pozorován v 18. století, kdy začaly prvotní pokusy a snahy o jeho vysvětlení. Dokonce i v současné době není zcela objasněn, proto dochází k dalším a dalším studiím. Kavitace je totiž chápána v rámci hydraulických strojů, zejména u čerpadel a turbín, jako nežádoucí jev. Jedním z cílů této diplomové práce proto bylo zjištění základních hydraulických charakteristik v rámci několika druhů kavitačních trysek. V teoretické části práce se nacházejí důležitá fakta a pojmy, pomocí nichž mohou být snadněji pochopeny hlavní cíle práce. Těmito důležitými fakty se myslí kavitace jako taková i s jejími negativními účinky. Hlavním cílem diplomové práce bylo proměření kavitačních trysek používaných pro interdisciplinární výzkum. Určení hydraulických charakteristik pro závislost ztrátového součinitele na σ a na k v. V rámci zjišťování hydraulických charakteristik a jejich porovnání se práce také zabývá i vířivým prouděním a vznikem víru. Z tohoto důvodu práce zahrnuje i základní odvození jednotlivých modelů vírů. Experimentální část diplomové práce spočívala v proměření různých druhů trysek v laboratorních podmínkách na hydraulickém okruhu. Ze získaných dat byly vytvořeny statické hydraulické charakteristiky. Práce mimo jiné zjišťovala vliv rotace kapaliny na zmíněné hydraulické charakteristiky. Z toho důvodu byl vsazen do měřicí tratě generátor vírů před kavitační trysku, přičemž se měřila tryska s a bez generátoru. Vzniklé výsledky se pak mezi sebou porovnávaly. Při měření na hydraulickém okruhu vznikaly jednotlivé proměřované body, které se zaznamenávaly pomocí fotoaparátu a vysokorychlostní kamery. Pomocí vzniklých záznamů (fotografie, videozáznamy) pak bylo možné definovat stupeň kavitace. 2
Diplomová práce, 2013 VUT-EU-ODDI-13303-03-13 2 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1] NOSKIEVIČ A KOLEKTIV. Kavitace v hydraulických strojích a zařízeních. 1. vyd. SNTL Praha, 1989. 336 s. ISBN 80-03-00206-0. [2] RUDOLF, P., HUDEC, M., ZUBÍK, P., ŠTEFAN, D. Experimental measurement and numerical modeling of cavitating flow in converging-diverging nozzle, EPJ Web of Conferences, Vol. 25, Article Number: 01081, 2012. [3] OSTERMAN, A., HOČEVAR, M., ŠIROK, B., DULAR, M., Characterization of incipient cavitation in axial valve by hydrophone and visualization, Exp. therm. fluid sci.,vol. 33, issue 4, pp. 620-629, 2009. [4] NOSKIEVIČ, J. Kavitace. 1. vyd. Academia Praha, 1969. 280 s. [5] BRDIČKA, M., SAMEK, L., TARABA, O. Kavitace: Diagnostika a technické využití. 1. vyd. SNTL Praha, 1981. 336 s. [6] KIANIČKA, M. Využití kavitace v technické praxi. Brno: Vysoké učení technické, 2010. Diplomová práce. [7] ŠTIGLER, J. Models of the vortex in real fluid. Sborník konference ENGINEERING MECHANICS 2000, 1. vyd. Praha: Institute of theoretical and applied mechanics academy of sciences of the Czech Republic, 2000. pp.156-160, ISBN 80-86246-07-8. [8] HLAVÁČEK, D. Kavitující proudění v konvergentně-divergentní trysce. Brno: Vysoké učení technické, 2010. Diplomová práce. [9] ŠTIGLER, J. Přednášky k předmětu: Teorie hydraulických strojů. Brno: Vysoké učení technické, 2012 [10] SUCHÁNEK, J. Kavitační opotřebení. [online]. [cit. 2012-04-11]. Dostupný z WWW: http://www.tribotechnika.sk/tribotechnika-12011/kavitacni-opotrebeni.html [11] BRDIČKA, M.; SAMEK, L.; SOPKO, B.: Mechanika kontinua. 3. vyd. Praha: Nakladatelství ACADEMIA, 2005. 789s. ISBN 80-200-1344-X. [12] ŠVAŇHAL, R. Vírové struktury s kavitujícím jádrem. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2010. Diplomové práce. [13] The Engineering toolbox. [online]. [cit. 2013-01-10]. Dostupný z WWW: <http://www.engineeringtoolbox.com/water-vapor-saturation-pressure-aird_689.html> [14] ALEKSEENKO, S.V., KUIBIN, P.A., OKULOV, V.L. Theory of Concentrated Vortices. First Edition. Berlin: Springer, 2007. 487s. ISBN 978-3-540-73375-1. [15] KUNDU, Pijush K., COHEN, Ira M. Fluid Mechanics. Fourth Edition. San Diego: Academic Press, 2008. 872s. ISBN 978-0-12-373735-9. Zdroje obrázků [1] Jinnwe: The Revolution Begins. [online]. [cit. 2013-01-5]. Dostupný z WWW: <http://jinnwe.com/media/pictures/423.jpg> [2] Wikipedia.org. [online]. [cit. 2013-03-12]. Dostupný z WWW: <http://cs.wikipedia.org/wiki/kavitace> [3] ervivektripathi.blogspot.cz. [online]. [cit. 2013-01-22]. Dostupný z WWW: <http://ervivektripathi.blogspot.cz/2010/04/supercavitation.html> [4] American Physical Society Sites. [online]. [cit. 2013-02-15]. Dostupný z WWW: <http://www.aps.org/units/dfd/pressroom/gallery/2009/kumar09.cfm> 3