Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2015

УДК 532

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ АНАЛИЗА ВЗАИМОВЛИЯНИЯ ЖИДКОСТИ И ДЕФОРМИРУЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ

Д.Ф. Гайнутдинова, В.Я. Модорский

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

e-mail: d.gaynutdinova@mail.ru

При работе наукоемких образцов аэрокосмической техники все чаще возникают непрогнозируемые эффекты, которые приводят к сбоям и отказам оборудования. Имеется целый ряд публикаций по данной проблеме. В данной статье представлена разработка экспериментальной модельной установки для анализа процессов взаимовлияния жидкости и деформируемой конструкции. Приведены конструктивная схема установки, описание основных узлов, а также методика работы на экспериментальной установке.

Ключевые слова: гидроупругость, эксперимент, динамическая система «жидкость – деформируемая конструкция».

В ряде случаев при работе наукоемких образцов аэрокосмической техники, в частности в насосах, элементах гидропневмоавтоматики авиационных двигателей и жидкостных ракетных двигателей, возникают непрогнозируемые эффекты, приводящие к параметрическим и функциональным отказам, а иногда и к разрушению конструкции. Предположительно, отказы могут быть вызваны возникновением гидроупругих эффектов. Поэтому представляется необходимым проведение исследований быстропротекающих процессов в динамической системе «жидкость – деформируемая конструкция». Разработана экспериментальная установка для анализа процессов взаимовлияния жидкости и деформируемой конструкции, которая позволит исследовать гидроупругие процессы в динамической системе «жидкость – деформируемая конструкция»

411

при различных частотах нагружения гидродинамического объема взамкнутой трубе по заданному закону, а также верифицировать численныерасчеты[1–4].

Экспериментальная установка

Экспериментальная модельная установка для анализа процессов взаимовлияния жидкости и деформируемой конструкции позволяет исследовать быстропротекающие процессы гидрогазоупругости и формировать поток данных по гидрогазодинамическим и по параметрам вибраций.

Установка представляет собой конструкцию (рис. 1), состоящую из двух основных узлов – рабочей камеры 1 (труба с фланцами и фитингами для установки датчиков вибраций и гидрофонов) и измерительно-задающего вычислительного комплекса, включающего:

1)3 датчика давления (гидрофонов) 2;

2)3 датчика виброускорений PCB 352C03 3;

3)модуль согласования сигналов 4;

4)шасси National Instruments (NI) PXI 1050, с установлен-

ным 8-канальным модулем NI PXI 4472B измерения динамических сигналов 5 и программным обеспечением LabVIEW.11;

5)устройство усиления и модуляции входного сигнала 6;

6)узел нагружения (пьезокерамический излучатель) 7.

В камеру 1 заливается рабочее тело – жидкость. Исследования проводятся в соответствии с планом физических экспериментов. ВNational Instruments (NI) формируется входной сигнал для узла нагружения. Задаются амплитуда и частота сигналов. Далее этот сигналпоступаетнаустройствоусиленияимодуляции6 изатемна пьезокерамический излучатель 7, который задает различные частоты нагружения гидродинамического объема в замкнтутой трубе по заданному закону. Датчики 2, 3 непрерывно измеряют сигналы, которые поступают на шасси NI PXI 1050, с установленным 8-канальным модулем NI PXI 4472B 5, где происходит измерение динамических сигналов с гидрофонов и вибродатчиков, которые

412

далее подаются на виртуальный прибор, созданный на базе программного комплекса LabVIEW.11. Здесь происходит запись и обработкасигналовсдатчиков.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

Рис. 2. Графики изменения сигналов с гидрофонов:

а – нижний гидрофон; б – средний гидрофон; в – верхний гидрофон

413

Далее проводится отладка программного обеспечения, синхронизация измерений, записи и обработки данных. На рис. 2 приведеныграфикиизменениясигналов, полученныхсгидрофонов.

Исследования проводятся при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант РФФИ № 14-07- 96003-р_урал_а.

Библиографический список

1.Решение инженерных задач на высокопроизводительном вычислительном комплексе Пермского национального исследовательского политехнического университета: моногр. / под ред. В.Я. Модорского. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.

ун-та, 2014. – 314 с.

2.Гайнутдинова Д.Ф., Модорский В.Я., Масич Г.Ф. Проектирование технологической платформы для экспериментальных

ивычислительных исследований быстропротекающих процессов гидроупругости // Научно-технический вестник Поволжья. – 2014. – № 5. – С. 155–158.

3.Vibration and wave processes in view of non-linear deformation of components in aircraft engine hydraulic systems / D.F. Gaynutdinova, V.Ya. Modorsky, V.Yu. Petrov // APM 2015. Advanced Problems in Mechanics: proceedings of the XLIII Summer School – Conf., June 22-July 27 2015, St. Petersburg / Inst. for Problems in Mechanical Engineering. – St. Petersburg, 2015.

4.Численное моделирование взаимовлияния подвижного

тела и сжимаемой жидкости методом крупных частиц / Д.Ф. Гайнутдинова, В.Я. Модорский, В.Ю. Петров // Научнотехнический вестник Поволжья. – 2015. – № 5. – С. 181–183.

414

УДК 534

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КОНСТРУКЦИИ С ПОДВИЖНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Л.Н. Бутымова, В.Я. Модорский

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

e-mail: liliya85@gmail.com

Моделируется рабочий процесс в двигателе Стирлинга. Разработаны расчетная схема и физическая модель, в соответствии с которыми модельная установка описывается двумя подвижными элементами в замкнутом объеме. Задача решается в связанной нестационарной численно-аналитической 3D-поста- новке. Один из элементов совершает колебания по заданному закону, а другой элемент – свободные колебания. Вывод о работоспособности двигателя Стирлинга делается по результатам анализа соответствия колебаний подвижных элементов и газодинамических сил, действующих на них. Результаты получены в ANSYS CFX с использованием высокопроизводительного вычислительного комплекса ПНИПУ.

Ключевые слова: двигатель Стирлинга, численное моде-

лирование, ANSYS CFX.

Рассмотрим процессы, происходящие в двигателе Стирлинга. Двигатель Стирлинга – это машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема. Этот принцип положен в основу преобразования теплоты в работу или, наоборот, работы в теплоту.

Данное определение является обобщенным для большого семейства машин Стирлинга, различающихся по своим функциям, характеристикам и конструктивным схемам. Эти двигатели

415

могут быть роторными и поршневыми с конструктивной схемой различной степени сложности. Указанные машины способны работать как двигатели, тепловые насосы, холодильные установки и компрессоры. Известно, что в настоящее время многие крупные мировые корпорации и научные институты активно проводят исследования в этом направлении. В нашей стране в этом направлении активно работали в 60-х гг. прошлого века. Сейчас исследования продвигаются недостаточно активно. В работе [1] приводятся сравнительные характеристики различных типов двигателей (табл. 1).

Из табл. 1 видно, что двигатель Стирлинга обладает рядом преимуществ, однако требуются дополнительные исследования в этом направлении.

Таблица 1 Сравнительная характеристика типов двигателей [1]

Сформулирована следующая физическая постановка задачи:

– процессы рассматриваются трехмерными динамическими; в качестве рабочего тела выбран воздух, который рассмат-

416

ривается как сжимаемый; расчетная схема включает в себя два подвижных тела, которые имитируют поршни; поршни двигаются по гармоническому закону. Принимается, что поршни могут совершать независимые колебания одинаковой частоты, но отличающиеся по фазе. При этом на поршнях фиксируется распределение газодинамических сил. Предполагается, что если равнодействующая газодинамических сил синфазна возмущающей вибрационной составляющей, то колебания могут усиливаться. Если эти колебания происходят со сдвигом фаз, то в зависимости от его величины возможно как усиление, так и ослабление колебаний. Сдвиг фаз между колебаниями поршней в расчетах принимался равным следующим фиксированным

значениям: 0, 4 , 2 , 3 4 , .

Получены следующие результаты. В табл. 2 представлены cдвиги фаз колебаний в конструкции (заданы) и в газе (получены расчетным путем).

Можно сказать, что при заданной фазе колебаний поршней, равной 0º (рисунок, а), газодинамические силы на поршнях изменяются синфазно. При заданных фазах 45º (рисунок, б) и 180º мы также наблюдаем фазу 180º между газодинамическими силами на поршнях. При заданных фазах 90º и 135º газодинамические силы на поршнях сдвинуты на 90º.

417

2.Подготовлены и проведены газодинамические вычислительные эксперименты, в ходе которых рассмотрены переходные процессы в двигателе Стирлинга для нескольких вариантов движения подвижных элементов конструкции.

3.Расчеты проводились в связанной численно-аналитической, нестационарной, псевдо-3D-постановке.

4.Проведен анализ соответствия механического движения

изапаздывания газодинамических сил.

5.Разработана методика проведения подобных расчетов, учитывающая подвижность сетки.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-19-00877)

Библиографический список

1.Кириллов Н.Г., Передерий С.Э. Перспективы создания автономных систем комбинированного производства электрической и тепловой энергии на основе сжигания топлива в двигателях Стирлинга [Электронный ресурс]. – URL: http://www.info- bio.ru/sites/default/files/Kirillov-Pere-deri.pdf

2.Трехмерное моделирование флаттера лопаток компрессоров современных ГТД / В.В. Веденеев, М.Е. Колотников, П.В. Макаров, В.В. Фирсанов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. Академика С.П. Королёва (Национального исследовательского университета). – 2011. – Вып. № 3–1. – С 47–55.

419

УДК 539.3

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТА ПОРТЕВЕНА – ЛЕ ШАТЕЛЬЕ С ПОМОЩЬЮ КЛЕТОЧНЫХ АВТОМАТОВ

Ф.С. Попов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, Пермь

e-mail: popovfyodor@yandex.ru

В работе рассматривается математическая модель для анализа эффекта Портевена – Ле Шателье, основанная на имитационном подходе, реализованная в виде клеточного автомата для случая монокристалла с ГПУ-решеткой. Эффект Портевена – Ле Шателье заключается в том, что при монотонном деформировании образца происходят скачки напряжений, которые наблюдаются на кривой деформирования; считается, что эти скачки обусловлены взаимодействием дефектов кристаллической решетки – дислокаций как между собой, так и с точечными дефектами. Анализируются полученные дислокационные конфигурации.

Ключевые слова: эффект Портевена – Ле Шателье, физические теории пластичности, дислокации, дислокационные конфигурации.

В настоящее время разработка новых материалов и технологий их обработки для нужд аэрокосмической промышленности, учитывающих условия эксплуатации деталей и конструкций из этих материалов в экстремальных условиях, является весьма актуальной задачей. Таким образом, возникает необходимость в разработке моделей, описывающих поведение материалов для исследования их внутренней структуры. Основываясь на моделях физики твердого тела и имеющихся экспериментальных данных, можно констатировать, что все процессы деформирования, в которых велика роль диффузионных процессов (диффузия точечных дефектов, неконсервативное движение дислокаций и др.),

420