Исследование возникновения потенциально опасных режимов работы оборудования гидро- и ветроэлектростанций провела группа сибирских ученых, 28 июля сообщила пресс-служба Министерства науки и высшего образования России.

Результаты работы обнародованы в статье «Исследование явления пересоединения ядра прецессирующего вихря», опубликованной в журнале International Journal of Heat and Fluid Flow. Они помогут повысить безопасность и эффективность работы турбин в технологических устройствах, использующих закрученные потоки жидкости или газа.

В исследовании приняли участие сотрудники подведомственных Минобрнауки Сибирского федерального университета (СФУ) и Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН.

Одной из характерных форм движения текучей среды являются вихревые потоки, структура и размеры которых разнообразны. Вихревые потоки образуются как в природе, например, в реках, океанах, в атмосфере, так и в технических устройствах.

Энергию вихревых потоков люди уже давно используют для создания подъемной тяги самолетов, в турбомашинах, вентиляционных системах и в работе гидротурбинного оборудования гидроэлектростанций (ГЭС). Однако такая энергия может вызывать разрушительные явления, приводя к авариям и масштабным поломкам.

Для оценки рисков аварийных ситуаций ученые провели исследования как экспериментальными методами с использованием гидродинамического стенда, так и путем численного моделирования турбулентного течения в стенде для различных режимов закрутки потока.

Полученные результаты позволили получить представление о том, как происходит непериодическое перезамыкание вихревого ядра и образование вихревых колец, представляющих потенциальную угрозу оборудованию, которое использует энергию закрученных потоков.

Научный сотрудник Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Дмитрий Платонов рассказал: «Одним из первых в мире нам удалось зафиксировать и воспроизвести, как происходит перезамыкание вихревого ядра в гидротурбине, и при помощи численного моделирования, и экспериментально. Визуально это выглядит, как образование некоего кольца, когда вихревой жгут „замыкается“ сам на себя».

Отрываясь, такие «кольца» ударяются о стенки проточного тракта турбины и создают локальные перегрузки, вызывающие быстрый износ оборудования и приводящие к аварийным ситуациям.

Понимание физики закрученных потоков и образования опасных вихревых колец позволяет успешно бороться с негативными последствиями этого явления, например, меняя режим работы оборудования или используя специальные подходы: подачу воды или воздуха в проточный тракт гидротурбины или установку стабилизирующих конструкций, пояснил ученый.

«Эффект перезамыкания и отрыва вихревых „колец“ был обнаружен нашими новосибирскими коллегами практически случайно, в ходе работы с экспериментальной установкой, которая моделирует работу высоконапорной гидротурбины. Однако, когда мы начали изучать его, в частности, при помощи численного моделирования, оказалось, что такое поведение водной или воздушной среды может привести к опаснейшим последствиям — недооценка таких явлений и недостаточная степень исследования закрученных потоков в гидротурбинном оборудовании может стать причиной крупной аварии, подобной произошедшей на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году», — отметил Дмитрий Платонов.

Точность расчетов, выполненных с помощью численного моделирования, при сопоставлении с результатами эксперимента составила практически 99%. Это показывает, что сибирскими учеными разработан удобный, эффективный и высокоинформативный инструмент, позволяющий «прокачать» любое технологическое оборудование, чтобы продлить срок его эксплуатации и снизить аварийность на критически важных объектах.

«Важно, что алгоритм численного моделирования гибкий и хорошо адаптируется под индивидуальные задачи: вы можете рассчитать оптимальный режим работы под каждую конкретную турбину с учетом ее массогабаритных показателей, формы и так далее», — заключил физик.