Исследование проблем возникновения и управления гидродинамической кавитацией на мини- и микромасштабе

Актуальность данного проекта обусловлена необходимостью увеличения мощности гидротехнического оборудования, эффективности его работы, а также срока эксплуатации за счет оптимизации формы профиля лопатки гидротурбины , применения особых покрытий с неравномерным их нанесением по толщине и длине профиля лопатки гидротурбины максимально повторяющего движение жидкости вдоль тела, и возможностью управления возникновением и развитием кавитации. Важнейшей фундаментальной задачей является исследование градиента давления как внутри кавитационных полостей, так и влияния волн давления, возникающих после схлопывания кавитационных каверн и пузырей на кавитационные процессы вблизи тел обтекания, позволяющее понять физический механизм возникновения неустойчивостей как на межфазной границе каверн, так и каверны в целом. При выполнении Проекта 2019 года сделан значительный задел с точки зрения понимания физики нестационарных и квазистационарных кавитационных течений благодаря исследованию этого процесса на мини- и микромасштабах, однако ряд важных вопросов все еще остается нерешенным, особенно связанный с неустойчивостями на границе кавитационных каверн и пузырей. Внутри паро-газовых областей образуются волны давления характер которых до сих пор не ясен. Вторым важным вопросом, проявившемся в результате исследований влияния структурных покрытий различной морфологии на развитую гидродинамическую кавитацию, при выполнении проекта 2019 года – это повышение эффективности управления кавитационными явлениями за счет подбора оптимальных параметров шероховатости поверхности. Проект 2022 года фактически является детализующим продолжением проекта 2019 г. состоящем из двух взаимосвязанных задач: изучение возникающих в кавитационном потоке волн давления (блок 1), пассивное управление кавитацией за счет нанесения структурированных углублений различной геометрии, позволяющих направлять кавитационные потоки по заданным траекториям для практической реализации на высоконапорных ГЭС (блок 2). Цель исследований блока 1: Исследование волн давления, возникающих как внутри паро-газовой области, так и после схлопывания кавитационных полостей бесконтактными методами диагностики потоков c высоким пространственным и временным разрешением на мини- и микромасштабах, и современными вычислительными технологиями, методами и подходами, реализуемых в последние годы в ИТ СО РАН. Цель исследований блока 2: Исследовать вопрос пассивного управления кавитацией за счет нанесения периодической ячеистой структуры на поверхность тела обтекания под различными углами к набегающему потоку. Разработать и оптимизировать методы исследования нестационарного двухфазного потока в пределах нанесенных покрытий, выявить закономерности влияния параметров шероховатости на кавитацию и рассчитать эффективность их воздействия. Выработать рекомендации для развития технологий производства деталей гидротехнического оборудования с покрытиями, на основе использования доступных технологий при наименьших материальных затратах. Новизна проекта обусловлена как новизной самого объекта исследования: изучение кавитационных процессов на мини и микромасштабе, так и новизной результатов Проекта 2019 года, полученных с применением передовых экспериментальных и численных методов, создающих основу для углубленного исследования кавитационных процессов на телах обтекания с различной морфологией поверхности, возникающих неустойчивостей в потоке и причин возникновения этих неустойчивостей. Проект по своей сути является передовым в области исследования гидродинамической кавитации и может иметь существенное влияние на развитие нескольких областей науки и техники. Таким образом, новый этап развития кавитационных течений в технических системах связан с задачами углубленного исследования процессов кавитации используя современное бесконтактное измерительное оборудование c высокой пространственной и временной разрешающей способностью на мини- и микроуровне.