3258

количества кривых. Это необходимо для построения качественной расчетной сетки и во избежание при генерации проблем, связанных с вырождающимися поверхностями. Дополнительное разбиение каждого сечения БлНА на равное число линий позволяет получить четырехугольные поверхности без острых, стремящихся к нулю, углов. Для удовлетворительного по качеству описания геометрии конфузора и других элементов с переменными сечениями в окружном направлении необходимо построение направляющих кривых (рис. 3).

Рис. 1. Пространственная геометрическая модель корпуса (вид со стороны БлНА)

На основе пространственной модели корпуса построена расчетная область БлНА.

20

Расчетная область БлНА (рис. 4) содержит следующие элементы: подводящий конфузорный участок круглого сечения 1, заканчивающийся «горлом» 2; переходный участок 3 между «горлом» 2 и начальным сечением спиральной камеры 4; «язык» 5, образованный стенкой между переходным участком 3 и окончанием спиральной камеры переменного сечения 6, подающей газ в выходную кольцевую щель 7; выходной кольцевой участок 8 с толщиной кольца, превышающей высоту выходной кольцевой щели примерно в 2 раза.

Рис. 2. Пространственная геометрическая модель корпуса (разрез)

21

Рис. 3. Сечения и направляющие кривые для построения геометрии БлНА

Рис. 4. Расчетная область БлНА

22

Выходной кольцевой участок, имеющий длину, превышающую толщину кольца в 10 раз, добавлен в расчетную область для улучшения сходимости итерационного процесса решения и служит для выравнивания полей давления и скоростей потока в выходном сечении расчетной области. Отсутствие указанного участка приведет к появлению значительных градиентов давления и скорости, что отрицательно скажется на стабильности итерационного процесса.

Тип анализа – статический. Модель турбулентности – SST. Описание расчетной области:

материал – однородное вещество; термодинамическое состояние – газ;

уравнение состояния – идеальный газ с заданными свойствами (молярная масса, удельная теплоемкость при постоянном давлении, динамическая вязкость и теплопроводность); относительное давление – 0 Па.

Граничные условия на входе: режим потока – дозвуковой; полное давление и полная температура;

направление потока – перпендикулярно к плоскости; интенсивность турбулентности – средняя (5 %).

Граничные условия на выходе: режим потока – дозвуковой; среднее статическое давление; разброс значений давлений – 0.05;

тип осреднения давления – по всему выходу. Граничные условия на стенках:

скорость потока равна нулю (условие прилипания); стенка гладкая; стенка адиабатическая.

Проведено исследование влияния параметров расчетной сетки на результаты расчета. Сгенерировано семь вариантов тетрагональной сетки с различными значениями параметров сгущения и различным количеством и толщиной пристеночного слоя из призматических ячеек.

23

Размеры моделей колебались в диапазоне от 4 млн. до 42 млн. ячеек, количество слоев призматических ячеек у стенки – от 10 до 21. Пристеночный слой строился с опцией SmoothTransition.

На каждом из вариантов проведен расчет в CFX по приведенным выше граничным условиям. Остановка решения осуществлялась после того, как флуктуация значений невязок и контрольных параметров стабилизировалась.

По рекомендациям [3] проводился контроль безразмерного параметра Y+, значения которого не должны превышать 200. Также сравнивались интегральные значения скоростей, давлений и температур в различных сечениях.

При разбросе максимальных значений параметра Y+от2400 до 122 (на относительно грубой сетке с минимальным количеством слоев у стенки и на мелкой сетке с максимальным количеством слоев у стенки соответственно) интегральные значения параметров потока для вариантов сетки различаются не более чем на 1 %.

Таким образом, для данной конкретной задачи при заданных геометрии, модели турбулентности и граничных условиях можно сделать вывод о сеточной независимости результатов решения и несущественном влиянии на результаты параметра Y+.

Ниже приводятся результаты, полученные на самой мелкой сетке со следующими параметрами: количество элементов – 42.35 млн. (из них тетраэдров – 15.33 млн., призм – 27.02 млн.); количество призматических слоев у стенки – 21.

Параметры призматических слоев у стенки: TransitionRatio – 0.3; GrowthRate – 1.25.

Врезультате расчета получено пространственное распределение параметров потока в БлНА, хорошо совпадающее с реальной картиной: в области за «языком» по линиям тока и эпюре полного давления на среднем радиусе выходной кольцевой щели хорошо видны завихрения потока и закромочный след (рис. 5).

Всечении спиральной камеры на некотором удалении от «языка» видны вторичные течения, выражающиеся в отклонении векторов скоростей потока у стенок от основного окружного направления в сторону выходной кольцевой щели (рис. 6).

Для понимания сложной структуры потока в БлНА целесообразно помимо интегральных значений основных

параметров БлНА ( 1 и С1) рассматривать изменение этих

24

параметров в осевом зазоре между выходной кольцевой щелью БлНА и рабочим колесом турбины – на кольцевой поверхности, ограниченной периферийным и корневым радиусами выходной кольцевой щели.

Рис. 5. Закромочный след за «языком» БлНА (линии тока и эпюра полного давления)

Рис. 6. Сечение спиральной камеры БлНА (эпюра полного давления и векторы скоростей)

25

Изменение параметров потока происходит как по высоте выходной кольцевой щели l1, так и в окружном направлении – в зависимости от угла поворота спиральной камеры , отмеряемого от нулевого сечения по ходу потока.

Угол потока на выходе из БлНА 1 определяется, как арктангенс отношения осевой составляющей скорости к окружной.

На рис. 7 представлены графики изменения угла 1 в зависимости от угла для трех позиций: на средней линии, у корня и у периферии выходной кольцевой щели.

Рис. 7. Распределение значений угла 1 по окружности выходной кольцевой щели

Из графика рис. 7 видно, что наиболее осциллирующими являются значения углов 1 у периферии, что связано с влиянием повышенной турбулентности, причиной которой служит форма сечения спиральной камеры – спиральная камера развита вверх. Самая гладкая кривая, как и следует ожидать, – на средней линии выходной кольцевой щели.

26

Рассматривая соотношение значений углов 1на различных высотах выходной кольцевой щели, на графике рис. 7 можно выделить четыре характерных участка:

1)при < 45 и > 300 значения угла 1 для всех радиусов быстро изменяются и достигают экстремальных значений, что обусловлено наличием в этой зоне «языка», разделяющего поток и, следовательно, вызывающего его возмущения;

2)при 60 < < 120 значения угла 1 на периферии – максимальны, у корня – минимальны;

3)при 150 < < 180 значения угла 1 у корня – максимальны, на средней линии – минимальны;

4)при 210 < < 270 значения угла 1 у корня и на периферии – максимальны, на средней линии – минимальны.

Графики распределения угла 1 по высоте выходной кольцевой щели l1 для = 90 ; 180 и 270 представлены на рис. 8.

Рис. 8. Распределение значений угла 1 по высоте выходной кольцевой щели l1для различных

Наличие перечисленных выше четырех участков свидетельствует о большой неравномерности потока по окружности и по высоте выходной кольцевой щели, что является следствием упомянутых выше развитых вторичных течений у корня и периферии.

27

На рис. 9 представлены графики распределения скорости на выходе из БлНАС1 по высоте выходной кольцевой щели l1 для =

90 ; 180 и 270 .

Рис. 9. Распределение значений скорости С1 по высоте выходной кольцевой щели l1 для различных

Из графика рис. 9 видно, что поле скоростей так же носит неравномерный характер по высоте и окружности выходной кольцевой щели. Максимальные значения скорости на выходе из БлНАС1 при различных значениях находятся выше или ниже средней линии кольцевой щели, т.е. ядро потока смещается от корня к периферии и обратно.

Можно предположить, что указанная неравномерность будет сказываться на экономичности турбины. С другой стороны, наличие реактивности турбины будет положительным образом сказываться на течении – неравномерность, предположительно, будет снижаться. Данное явление необходимо рассмотреть при дальнейших численных исследованиях.

Расхождение проектного значения расхода через БлНА и значения расхода, полученного по результатам имитационного моделирования, составляет менее 1%.

Угол 1, рассчитанный по параметрам,полученным по результатам продувки воздухом БлНА,оценочно составляет

28

17.95 18.35 (в зависимости от принятого значения коэффициента скорости).

По результатам проведенного имитационного моделирования течения газа в БлНА интегральные значения угла 1, осредненные по расходу, составляют 19.93 ; интегральные значения скорости С1, так же осредненные по расходу, – 402.8 м/с. Расхождение с проектными данными по углу 1 не превышает 2 , по скорости С1 – не превышает 2%, что можно считать хорошим совпадением. Указанные интегральные значения угла 1 и скорости С1 получены на всей окружности выходной кольцевой щели. Если проводить осреднение не по всей окружности, а по сектору 60 < < 300 (исключив зону «языка»), то значения угла 1 составят 17.49 , скорости на выходе С1 – 392.4 м/с, что практически совпадает с проектными и экспериментальными значениями.

Проведено имитационное 3D-моделирование течения газа в БлНА малоразмерной газовой турбины ТНА ЖРД с использованием методов CFD.

Применена стандартная методика, включающей в себя:

-построение пространственной геометрии БлНА;

-постановку задачи в специализированном программном комплексе

ANSYS CFX и расчет;

-исследование влияния параметров расчетной сетки на результаты;

-обработка и интерпретация результатов расчета;

-верификация и валидация результатов моделирования. Полученная в результате имитационного моделирования

картина распределения параметров потока соответствует основным закономерностям течения в БлНА.

Полученные значения основных параметров БлНА: угла 1 и скорости потока на выходе из БлНАС1 – показывают хорошее совпадение с проектными расчетами и результатами экспериментов, что позволяет сделать вывод о пригодности выбранной методики как для решения подобных задач, так и для различных исследований в рассмотренной задаче, например исследование влияния изменения геометрии БлНА на параметры потока, влияния изменения граничных условий (режимов работы) и др.

В дальнейшем планируется численное исследование проточной части рассматриваемой турбины с рабочим колесом по приведенной в данной статье методике, с последующим сравнением результатов

29