Численное исследование газодинамики и теплообмена в некоторых энергетических устройствах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ пТ£^СКИЙпГОСУДАРСТВЕННЬШ УНИВЕРСИТЕТ КЕМВРОВОКПЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

2 9 МАИ ^995 На правах рукописи

МЕДВЕДЕВ Алексей Викторович

УДК 536.24 : 621.45

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА

В НЕКОТОРЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ

(01.02.05 — механика жидкости, газа и плазмы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Кемерово 1995

Работа выполнена на кафедре физической механики Томски государственного университета, на кафедре вычислитель« математики и вычислительном центре Кемеровского государственно университета.

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор ¡'ришин A.M.

кандидат физико-математических наук Пырх С.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Алдошин Г.Т.

кандидат физико-математических, наук, , доцент Антонов В.А.

Ведущая организация: Институт вычислительных технологий СО РАН, г.Новосибирск

Зашита состоится " 16 " июня 1995 г. в час

за заседании специализированного совета К 063.53.10 в Томском государственном университете по адресу: г.Томск, пр.Ленина, 36

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан " 45 " илл*^ 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических /¿У наук, доцент С.П.Синиц

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Интерес к исследованию процессов, юисходящих при работе высокоэнергвтиче ских установок, ределяется необходимостью математического моделирования ряда 1актич9ски важных задач в ракетной технике, авиации, атомной юргетике., химической технологии, защите лесов от пожарной гасности. В настоящее время все большее внимание исследователей [ось уделяется изучению детальной картины течения и фактеристик тепломассообмена в энергетических устройствах ютаточно сложной геометрической конфигурации- утопленных шах двигателей, дезинтеграторах низовых лесных пожаров, >шетках турбин и т.п., где тепло- и массообмен определяется. 13одинамической картиной течения. Знание теплообменных и ¡зодинамических характеристик течения позволяет определять «более термонапрякенные участки энергетических установок и грабатывать рекомендации по применению теплозащитных материалов >и конструировании и оптимизации различных устройств юргетического комплекса.

Математические модели исследования течений в соплах 1ергетических установок достаточно подробно анализируются в [ботах 1 ) В них приведены результаты расчетов двухфазных >но- и полвдисперсных течений в соплах Лаваля различной юметрии, а также в' одном классе утопленных сопел, в ¡вновесной и неравновесной постановках, с учетом коагуляции и юбления частиц дисперсной фазы, рассчитаны траектории движения области выпадения частиц на стенки сопел при стандартных' ¡зодшамических условиях однонаправленного обтекания этих 'енок несущей фазой.

Вместе с тем, в последние годы появились достоверные ;спериментальшв данные J' - ' о наличии рециркуляционных зон ж течениях в некоторых энергетических устройствах. Поэтому >зникает необходимость более пристального внимания к ¡следованию процессов в реальных энергетических установках,

'Рычков А.Д. Математическое моделирование газодинамических процессов в каналах и соплах.-Новосибирск,1988.-223 с. 'Васенин И.М.,Архипов В.А.,Бутов В.Г. и др. Газовая динамика двухфазных течений в соплах.-Томск: изд-во ТГУ, 1986.-264 с.

отягченных, как правило, различными геометрически (невыпуклостъ, изломы геометрии) и газодинамическими (вихревые отрывные зоны, неоднофазностъ) особенностями. Наличие таю особенностей ставит перед исследователем актуальные зада* выбора математических моделей движения и взаимодействия фг течений друг с другом и со стенками устройств, исследован! влияния газодинамики течения на тепломассообменные процесс! получения интегральных зависимостей и распределений различи параметров, а также разработки аналитически и численно сбаланс! рованных методов решения таких задач.

Целью "работы является разработка на основе современнь математических моделей течения и теплообмена двухфазных сре новых экономичных численных и аналитических методик расчеч шлей давления,скорости, температуры, плотности фаз, траектор! и областей выпадения дисперсных частиц, теплообмена со стенка?» устройств и решение конкретных актуальных задач внутрибаллист! ческого проектирования некоторых энергетических установс (ракетных двигателей, дезинтеграторов низовых лесных пожаров т.п.) с соплами различных конфигураций, включающая в cet следующие этапы:

1 ) выбор и анализ математических моделей двухфазного течения i турбулентного пограничного слоя;

2) разработка методики и численного алгоритма расчета;

3) проведение тестовых расчетов и их сравнение с численными i экспериментальными данными;

4) применение разработанных методик для исследования газодинамических тепломассообменных процессов в утопленных соплах;

-з \

'Woodward R.,Sargent W.. .Marohman J.Spaoe Shuttle Solid Rooke Motor Aft-End Internai Flow // Journal Propulsion and Power. -1989.-V. 5, Ji6.-P. 650-656. ^Whitesides R. .Baoohus D. .Majumclar A., Jenkins S. Expérimente Détermination of Conveotive Heat Transfer Coefficients in tï Separated ïlow Région of the Spaoe Shuttle Rocket Motor / AIAA-90-0043.-1990.-P. 1 -11 .

S )

^'Алимпиев В.И. Гидродинамика течения в каналах сложной формы проницаемыми стенками/УТермогидрогазодинамика турбулентных те чений.-Новосибирск:Ин-т теплофизики СО АН СССР,1986.-С.121-1£

5) применение разработанных методик для баллистического проектирования нового технического устройства для тушения низовых лесных пожаров. Научная новизна работы состоит в том, что:

1) дана комплексная математическая постановка задачи о двухфазных течениях в энергетических устройствах со сложной геометрией, учитывающая влияние геометрических и газодинамических особенностей течения на тепломассообменнне процессы в них;

2) разработана новая методика и комплекс программ численного расчета газодинамических и тепломассообменных Параметров в утопленных соплах двигателей;

3) с помощью численных решений получены теоретические данные о структуре и газодинамических закономерностях двухфазных течений в утопленных соплах;

4) получены интегральные распределения тепловых характеристик вдоль криволинейных стенок соплового блока утопленного сопла и влияния на них структуры двухфазного течения, геометрических и расходных характеристик утопленного сопла;

5) разработана инженерная методика баллистического проектирования нового технического устройства для борьбы с лесными пожарами.

Достоверность полученных результатов подтверждается путем ¡равнения с классическими результатами расчетов газодинамики и теплообмена в соплах Лаваля, с известными экспериментальными и гасленными данными о структуре и параметрах течений в устройствах, аналогичных исследуемым в работе, а также внутренними сравнениями численных и аналитических решений между собой.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть ис-зользованы' при проектировании устройств энергетического комплекса лля выявления их наиболее термонапряженных участков; для расчета пол«й газодинамических и тепловых параметров; для получения интегральных зависимостей характеристик течений как внутри,так и на стенках энергетических устройств. Предложенные в диссертации методика и результаты расчетов получени и использованы в рамках хоздоговорных работ с Московским институтом теплотехники и Томским госуниверситетом. По результатам работы подана заявка на изобретение новых способов тушения низовых лесных пожаров.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Минском международном форуме по тепломассообмену

(г. Минск, 1988), на vil Всесоюзном семинаре "Теоретически« основы и конструирование численных алгоритмов решения зада' математической физики" (г.Кемерово,1988), на Международно! научной конференции "Сопряженные задачи физической механики i экология" (г.Томск,1994), на всесоюзных и региональные конференциях и школах молодых ученых по механике реагируюшю сред (г.Красноярск,1988;г.Кемерово,1990;г.Томск,1991 и др.), '<■ также на научных семинарах кафедры физической механики Tomckoi государственного университета, кафедры вычислительной математик и вычислительного центра Кемеровского госуниверситета 1985-1995 гг.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 1 публикациях автора,список которых помещен в конце автореферата.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 154 листах машинописного текста, иллюстрирована 54 рисунком на 34 листах. Список литературы содержит 124 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показывается актуальность темы диссертации и новизна работы.

Первый раздел посвящен аналитическому обзору публикаций по теме исследования. Здесь приводится' классификация и краткий анализ работ, использующих различные подходы к математическому моделированию движения несущей и дисперсной фаз, турбулентного пограничного слоя, взаимодействия фаз между собой и со стенками устройств при внутренних течениях многофазных сред.

Известно, что при .работе ракетных двигателей и других энергетических устройств в результате сгорания топлива образуются частицы окислов металлов и несгоревшего вещества тонлив, что определяет присутствие как минимум двух компонент течения- газообразной и твердой либо жидкой дисперсной компоненты, которые в специальной литературе принято называть фазами из-за особенностей математического моделирования течений многокомпонентных сред. Внутренние течения двухфазных сред хорошо изучены теоретически и практически для устройств относительно простой геометрии- каналов, труб, сопел Лаваля. При этом достаточно полно разработаны различные аспекты

проблемы при до-, транс- и сверхзвуковых скоростях течений на основе математических моделей разного уровня сложности.

Что касается устройств со сложной геометрической конфигурацией (утопленные сопла ракетных двигателей, решетки турбин и т.п.), то до сих пор в литературе имеется относительно мало работ, исследующих двухфазные течения в них. Кроме указанных, следует отметить ряд теоретических работ зарубежных авторов6^'7} в которых исследованы некоторые вопросы течений в утопленных соплах двигателей и указывается на наличие рециркуляционных зон в окрестности их стенок. Важно отметить, что наличие такой особенности течения, как рециркуляционная область, оказывает существенное влияние на тепломассообменные процессы в энергетических устройствах, что делает необходимым исследование интегральных характеристик теплообмена вдоль стенок этих устройств и создание численно и аналитически сбалансированных методов расчета течений в областях со сложной геометрией, которые удовлетворяли бы, с одной стороны, современному уровню потребностей техники, а с другой,- разумной простоте составляющих его математических моделей. В подразделе I.2 формулируется цель работы и кратко излагается ее содержание.

Во втором разделе дана математическая постановка задачи исследования газодинамики и теплообмена в энергетических устройствах со сложной геометрией.

В подразделе 2.1 обосновывается выбор принципиальной модельной геометрии расчетной области, которая моделирует характерные особенности практически важных энергетических установок- ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) утопленной конфигурации. На рис.1 приведен осесимметричный чертеж расчетной области. Здесь и далее используются следующие обозначения и терминология: АН- ось симметрии; CDEFG- твердые непроницаемые стенки; ABC- проницаемые стенки, с которых поступает двухфазный поток; GH- выходное сечение; АВ- радиус камеры сгорания; МО- глубина утопленности; ВС- свод твердого топлива; FF - критическое сечение; Е- лобовая точка; L- точка

6*Ченг Иши. Одно- и двухкомпонентные течения в соплах // Ракетная техника и космонавтика.-1980.-Т.18,Jfcl2.-С.59-67.

'Carrier G..Pendell Р.,Brent D.,Kimbrough С.,Louoks S. Simple Modelling of Partióle Trajectories in Solid Rooket Motors // AIAA Paper.-1990-0452.-P.1-13.

растекания; ВЕ- верхняя образующая соплового блока; ПРО- нижн образующая, АБСБЕН'- предсопловой обьем. В подразделе приведе; описание основных процессов, происходящих при работе РДТТ других энергетических устройств, а также даны физические математические допущения и упрощения, используемые в дан» работе при моделировании этих процессов. К основным допущена следует отнести неучет сил трения несущей фазы, стационарност: отписываемых процессов, несопряженность теплообмена со стенка! устройств, пренебрежение влиянием излучения рабочего тела ] параметры потока и конвективный теплообмен, отсутствие влияш пограничного слоя на параметры дисперсной фазы в нем.

С учетом принятых допущений математическое моделирован] исходной задачи осуществляется в несколько этапов:

1} получение параметров несущей фазы без учета вязких эффекта

2) получение параметров дисперсной фазы на фоне уже известно: ■ состояния несущей фазы;

3) получение параметров двухфазного течения в турОулент» пограничном слое с параметрами на внешней границ! известными из этапов 1) и 2).

Для учета взаимного влияния фаз мевду этапами 1) и 2) возможн< проведение итераций.

В подразделе 2.2 записаны общие уравнения движения и энерп двухфазной среды, представляющие * собой уравнения Эйлера цилиндрической системе координат:

XI огйгйг + агдглг + Ъг<Н&г = /]у / дхдгИ , где

(1

о =

р ри ' РУ

ри рн-ри2 _ рии _

а = ',ь =

ри рии рн-ри

е (е+р)и (е+р)и

-РРУ"-У

П? Р Р

Ар= 0.75

:> б' в р

В =

6 ц ср Ми

р р» рг

Nu = 2 exp (- M<2 j-t-0.306Re°' =Pr°' 33, Re=

p / 'и-ц f

/ fu-i^j'+ív-v )*

Pr = ucr/X. №2= -f-a = 7p/p , 7 = cr/cv

y a ' У y'

где V- область, гомеоморфиая сфере в трехмерном пространстве, s-ограничивающая ее замкнутая поверхность, xtv~независимые переученные цилиндрической системы координат; u,u,p,p- скорости, давление и плотность несущей фазы; WpP'TP~ СК0Р°СТИ> плотность и температура дисперсной фазы

e=p(e+(u2+v2)/2)- полная энергия газа, е=р/(р(у-1))~ внутренняя энергия газа; CD- коэффициент сопротивления сферы в потоке газа, рв- плотность вещества дисперсной фазы, 0 - диаметр частиц, [л-коэффициент динамической вязкости, Рг.Ыи- соответственно числа Прандтля и Нуссельта, Ср су- теплоемкости газа при p=oonst v=const соответственно, 7-показатель адиабаты, Х- коэффициент теплопроводности газа. Граничные условия выставляются следующим образом: на оси симметрии условия симметрии, на твердых стенках условия непротекания, на линии ВС задаются полная энтальпия Н=срТ, нормальная скорость и массовый расход несущей фазы в виде р»п=ртит(1-;з), где ит- заданная скорость поступления газа или горения топлива, и- массовая доля частиц дисперсной фазы. На границе АВ (рис.1) задается Н и массовый расход в виде:

О? - С,

т т

ри = р^ eos

% г

-с —

2 R

ри = О , рЛ= —— 7CR

у

где С^ 0 — соответственно суммарный секундный расход газа со всех проницаемых границ области и расход газа с поверхности твердого топлива, Е1=|АВ|. Выходной луч ЙН выбирается таким образом, чтобы составляющая вектора скорости по оси абсцисс превосходила местную скорость звука.

При решении системы (1) сначала используется равновесное приближение течения ( и=ир,т=ур,т=тр) и получаются параметры псевдогаза с эффективными теплофизическими показателями. В дозвуковой области, где отставание фаз относительно невелико и приближенно реализуется стоксовский режим течения дисперсной фазы, параметры равновесного и неравновесного течений отличаются

незначительно в - Это позволяет использовать равновеснс поле течения в предсопловом объеме как фон для расчет траекторий и параметров дисперсной фазы. Вместе с тем, систек (1) позволяет применить итерационную методику работы до учета взаимного влияния фаз.

В подразделе 2.3 приводятся уравнения для определен! параметров дисперсной фазы, представляющие собой систему обыкнс венных дифференциальных уравнений вдоль траектории частицы:

62

- = И (2)

(11

"р Vй" у

- иР V" V

а = ХР R = ■ • "р

ГР УР

еР вргт - V

Здесь все обозначения были введены ранее. Переменные бе индексов относятся к параметрам несущей фазы , а индекс "р приписывается характеристикам дисперсной фазы. Начальные услови для системы (2) легко опрэделяются из того факта, чт температура и скорости частиц на входном участке совпадают параметрами газа.

В подразделе 2.4 система уравнений двухфазного турбулентног пограничного слоя и соответствующие граничные услови записываются в естественной системе координат (а,у), связанной телом (ось абсцисс- длина дуги поверхности тела, ось ординат нормаль к поверхности):

а \

'Пирумов У.Г.,Росляков Г.С. Газовая динамика сопел.-М.: Наука 1990.-364 с.

Q i

-'Кроу К. Численные модели течений газа с небольшим содержание частиц (обзор) // Труды ASME / ТОИР.-1982.-JB3.-С. 114-122.

за

(ригН))

ду ■ » ди ар

(руг,..) = О

ди

I — f ри

Зз Зу Зз ду

(И- + Ю"

ди

ду

- фР

х

Зр

= О

(3)

ду

ЗН ЗЯ ж - + ри -

3

За

ду оу

^ ди ^х 1 ди — (Рг-1 )и—— -( 1--)и-

Рг

ЗУ

Рг

РГ_

ЗУ

И |АТ

V ( - + - )

Рг Рг

ду

(а,0) = О , и(з,0) = ^ ТСз,0;=Т„, и(з,6) = ие, Т(а,й) = Те, рГ ) = у®, урГ 3,6 } = у®, Трг з,0 .) = Т® ,рр( з,б ) = р® ,

дв ф = рр/р^ р =

рНТ _ с0 р - , Р= (?„ ,Р„) = 0.75 —— (и-ир1и-ур})

¥

б Ни К

%

( Т -Т }, Н = /г * иг/2 , Л. = /СрйТ,

дв Н- полная энтальпия газа, М- молекулярная масса газа, и-ннверсальная газовая постоянная,р.т- коэффициент турбулентной язкости, Ргт -турбулентное число Прандтля, плотность

ещества дисперсной фазы,и -скорость вдува с поверхности тела,Т-

емпература стенки, ир,Те,и^,Ур,Тр,рр- считаются известными из асчета внешнего газодинамического решения, б- толщина ограничного слоя. Коэффициент турбулентной вязкости твычисляется, исходя из двухслойной алгебраической модели рандтля- Ван-Дриста- Себиси- Смита с учетом поперечной

перемежаемости по Клаузеру- Клебанову Выражение для

учетом того, что характерная длина торможения частиц за счет у

инерции и предположения о тонкости пограничного слоя намног

больше размера турбулентного моля, обобщается на двухфазнь 11)

течения '.

В разделе 3 излагаются численные методики и анализируютс особенности решения задач, математические постановки которь приведены в разделе 2, а также даются результаты тестирован? указанных методик, полученные при сравнении с экспериментальны!» данными и численными расчетами других авторов.

В подразделе 3.1 производится выбор подходящей конечнс разностной сетки, учитывающей сложную геометрическ} конфигурацию расчетной области и необходимость достаточь точного расчета параметров вблизи, вообще говоря, криволинейш стенок устройств. Расстановка узлов разностной сетки в расчетнс области (рис.1) осуществляется согласно алгоритма, изложенного

12 К Этот алгоритм позволяет заполнить элементами сетки вс расчетную область•без самопересечений и резких изломов ячее* Тестовые расчеты, проведенные в областях, моделирукхщ утопленные сопла, позволяют сделать вывод о том, что наиболе целесообразным путем построения сеток здесь является разбиеш расчетной области на несколько подобластей, в каждой из которь сетка строится независимо за исключением общих узлов на лини? сшивки сеток, и объединение их в единую сетку для всей расчетнс области сквозной нумерацией узлов и ячеек.

В подразделе 3.2 излагаются особенности применения мето; установления С.К.Годунова 12^ к расчету параметров несуще фазы. Указанный метод широко используется для расчета задг газовой динамики и хорошо зарекомендовал себя при численнс исследовании внутренних течений с разрывами параметров в широкс диапазоне скоростей. В данной работе с целью устранен* некоторых недостатков оригинального метода, проявляющихся щ

10'Себиси Т.,Брэдшоу П. Конвективный теплообмен.-М:Мир,1987. 590 с.

11^Абрамович Г.Н. О влиянии примеси твердых частиц на структу] турбулентной газовой струи // ДАН СССР.-1970.-Т.190,N 5.

'Численное решение многомерных задач газовой динамики / П< ред. С.К.Годунова.-М.:Наука,1976.-400 с.

расчетах течений в сложных областях, используется модификация Колгана- Тилляевой 13)-14) данного метода. В частности, учитывается необходимость более точного расчета параметров

вблизи криволинейных стенок устройств (модификация В.П.Колгана позволяет повысить порядок аппроксимации метода с 1- го до 2- го на гладких решениях за счет использования кусочно- линейного приближения поля параметров на каждой итерации вместо кусочно-постоянного, использующегося в В 14^ идея . В.П.Колгана

обобщена на нерегулярные 4-х-угольные сетки с произвольными ячейками. С целью ускорения численного расчета для каждой ячейки выбирается свой шаг по временной координате с учетом размеров ячейки и условия Куранта.

В работе производится тестирование метода, для чего выбирается сопло Лаваля с геометрией, которая используется для тестовых расчетов в качестве основной во многих отечественных и зарубежных работах с хорошим согласованием результатов. Полученные результаты иллюстрируются распределениями числа Маха вдоль оси и стенки сопла для различных размеров разностной сетки, а также приводятся сравнения с результатами расчетов других авторов.

В подразделе 3.3 приводится методика расчета характеристик дисперсной фазы. Описание поведения частиц системой обыкновенных дифференциальных уравнений (2) позволяет относительно легко получать параметры частиц в любой точке течения. Вместе с тем, для получения такой важной характеристики течения, как распределенная (континуальная) плотность рр дисперсной фазы, необходимо использовать специальную процедуру расчета. . В данной работе' рр определяется из соотношения, справедливого для любых двух нормальных сечений произвольно выбранной элементарной трубки тока: (Рр1Яп)131=(Рр1''п)г32- Здесь

13^Колган В.П. Применение принципа минимальных значений производной к построению конечно-разностных схем для расчета разрывных течений газовой динамики // Уч.зап. ЦАГИ.-1972.-Т.3.-N6.-О.68-77.

14^Тилляева Н.И. Обобщение модифицированной схемы С.К.Годунова на произвольные нерегулярные сетки // Уч. зап. ЦАГИ,1986. -Т.17,-С.18-26.

№ - скорость частиц, ортогональная нормальному сечению трубю тока, з-площэдь соответствующего сечения. Если заменит! элементарную трубку тока трубкой достаточно малого размера I использовать для расчета ее границ и у?п систему (2), можно найт! Рр из соотношения: рр= ^пг^" в связ!

с необходимостью точного расчета траекторий частиц, с одна стороны, и оптимизацией всего расчета, с другой, особое внимани* уделяется расчету сбалансированного шага интегрирования, данной работе используется оригинальная методика расчета шага основанная на анализе модельного уравнения движения частиц.

Тестирование предложенной методики проводится на основ численного расчета двухфазного течения в модельном сопле Лавал с учетом отставания фаз и их взаимного влияния, которы соответствует итерационной методике работы Для сходимост

всего расчета на сетке в 200 элементов с использование модификации Колгана- Тилляевой требуется около 30 минут работ процессора ЕС-Ю66. При этом происходит от 2-х до 3-х итераци взаимного влияния фаз. Полученные результата расчета по линия •уровня чисел Маха и предельным траекториям движения частиц графической точностью совпадают с результатами расчетов друга авторов.

В подразделе 3.4 излагается методика расчета двухфазног турбулентного пограничного слоя. Поскольку исходная система (£ слокна для исследования, так как не допускает удобного получен* автомодельных решений, то здесь она решается с помощью переход к переменным типа Дородницына- Лиза по формулам : £=е

у г*--

т)=А (5) /чг) (8) ХрсЗу, где А(з)=гие/В(з), В(в)=Т)в(в) /2 Угп ц и г2й£ О У ■> © V ®

о

В качестве распределения параметров на внешней грани! пограничного слоя выбираются значения касательных скоростей поверхности обтекаемого тела и другие параметры невязко] потока, полученные при расчете поля двухфазного течения б< учета вязких эффектов. Интегрирование системы уравнен] пограничного слоя производится итерационно-интерполяционн методом Тестирование методики расчета пограничного ело; производится путем сравнения результатов расчета теплообмена

'Гришин А.М.,Берцун В.Н.,Зинченко В.И. Итерационно- Интерпол ционный метод и его приложения.-Томск;ТГУ,1981.-160-с.

шле Лаваля модельной геометрии с экспериментальными и почетными данными работы 16' и серии близких работ того же ¡втора. При сравнении с приведенными там экспериментальными ¡энными выбираются оптимальные сеточные (расположение и юличество узлов поперек пограничного слоя) параметры расчета, а 'акже проводится анализ различных алгебраических моделей ■урбулентности. Результаты расчетов свидетельствуют о хорошем их согласовании с численными и экспериментальными данными, юлученными по независимым методикам. С учетом относительной ростоты моделей и скорости расчета (аи5 секунд процессора 1С-1066) данная методика может быть успешно применена для >асчета турбулентных пограничных слоев в областях со сложной ■еометрией.

В разделе 4 приводятся основные результаты исследования ■азодинамики и теплообмена в утопленных соплах.

В подразделе 4.1 исследуются закономерности течения несущей ¡азы в утопленном сопле, принцшшальныя конфигурация которого ;зображена на рис.1. При этом в широком диапазоне варьируются исходные и геометрические характеристики предсоплового объема радиус, глубина утопленности, длина сопла), а также геометрия юплового блока. На рис.2,3 приведены полученные в результате ^счетов две принципиально различные картины течения несущей азы в виде векторных полей скорости- с однонаправленным >бтеканием стенок (рис.2) и с наличием вихревой области над ;ерхней образующей утопленной части сопла (рис.3). Отметим, что :аличие вихревой области подтверждается экспериментальными ¡анными и другими работами. В подразделе приводится

итодика получения необходимого признака вихреобразования, оторый в результате описанных серий расчетов принимает ледущее аналитическое выражение: K=a/0, a=(SAB-SH,E,)/SH,E ; -=GMC/GS, где Gs- суммарный расход газообразных продуктов горания твердого топлива, поступающий со всех проницаемых раниц области, GMC- часть расхода, поступающего с кольца с бразукщей МС (рис.1); Sab,Sh,e,,SH,E- площади сечения камеры горания радиусов АВ,Н'Е',Н'Е соответственно. Длина d*=|EE'| пределяется по формуле:

6^Зубков В.Г. Численное исследование, теплообмена в модельных соплах // Изд.ВШМТИ.-1989.-N6552-B89 от 27.09.1989.

ж

d =(1/l)j f(x)dx, где I- глубина утопленности, fix)- уравнение выпуклой0 кривой DE. Признаку К придается следуюш газодинамическая интерпретация: если поток массы, поступающий кольца с образующей ME', не преодолевает напора остально потока, поступающего с границ АВМ, возникает вихревая зона н утопленной частью сопла, в противном случае происхоя однонаправленное обтекание его стенок. Значение К являет численным указателем момента появления вихревой области г варьировании расходных параметров и фиксировании геометричес? и наоборот, причем он позволяет предсказать картину течения х заданных значений параметров при минимальных вычислитель^ затратах. Заметим, что случай наличия тороидального вихря областях, геометрия которых близка к геометрии рис.1, г реальных соотношениях расходов 6 наиболее вероятен. Поэте далее в работе основное внимание уделяется исследованию влия* вихря на распределение газодинамических и тепломассообмен* параметров на стенках соплового блока. Учитывая, что нали* вихревых областей отрицательно влияет на эффективность и устс чивость работы двигателей, предлагается способ устранения вих] вой области над утопленной частью соплового блока посредст! вдува газа с торцевой стенки (CD на рис.1) надсоплового канал;

В подразделе 4.2 численно исследованы особенности движе! частиц дисперсной фазы в утопленных соплах и определены зоны выпадения на твердые стенки сопла как при однонаправлеш обтекании, так и при наличии вихревой области в окрестно« стенок. В частности, приведены траектории частиц, вылетающих проницаемых границ расчетной области, интегральные диагра! выпадения частиц различных размеров (от 1 мкм до 256 мкм) стенки сопла, аналогичные изображенным на рис.4, распределе) массовой скорости осаждения ppu>n вдоль стенок (рис.5). Показа] что для каждой конкретной конфигурации соплового бл существует размер частиц, условно разделяющий их на мелкие крупные. Отмечается, что во всех расчетах частицы диаметров с до 30 мкм подчиняются конвективному механизму движения в несу: фазе, причем эти размеры существенно превышают среднемассо; размер частиц в сопле. Это обстоятельство позволяет счит вероятность пересечения траекторий большинства частиц низкой применять равновесную модель для расчета параметров несу фазы. Существенно, что при фиксированных геометрических

зсходных характеристиках сопла выпадение частиц на' стенки в канительной степени зависит от структуры течения в предсопловом Зъеме (есть вихрь, нет вихря) и от формы соплового блока (как го верхней, так и нижней образующих). Приведены также данные, эказывакщие относительно слабую зависимость областей выпадения эстиц от геометрических размеров предсоплового объема при йксированном значении Ö. Численный расчет параметров несущей и исперсной. фаз занимает около 30 минут процессорного времени З-Юбб на сетке в 240 элементов и около 2 часов на сетке в 660 лементов.

В подразделе 4.3 приводятся результаты расчета теплообменных зрактеристик течения на криволинейных образующих соплового лока утопленного сопла (DEFG на рис.1). Наблюдающиеся азодинамические особенности движения двухфазного потока называют существенное влияние на тепловые и массообменные роцессы вблизи стенок сопла. Особый интерес вызывает сравнение ровней тепловых потоков на стенки при наличии вихревых областей при однонаправленном обтекании стенок. На рис.6 приведены ^определения коэффициента теплоотдачи а/ср и числа Стантона st= чш /(pCp^iTp-Tjy)) вдоль стенок сопла при их однонаправленном Зтекании (1) и при наличии вихревой зоны (2). По оси абсцисс гкладывается длина дуги стенки, начиная от точки D (рис.1), гнесенная к радиусу критического сечения. На рис.7 даны зачения тепловых потоков qw на стенки верхней образующей сопла ля различных положений свода твердого топлива (линия ВС на ас. 1 > при расходных параметрах, обеспечивающих наличие ^циркуляционной области.

Отличие скоростей и температуры частиц дисперсной фазы от iaлoгичныx параметров несущей фазы вызывает интерес к вопросу яияния присутствия частиц на конвективные тепловые потоки в эграничном слое. На рис.8 приведены тепловые потоки вдоль генок вниз по течению от точки растекания потока при различных ззмерах частиц дисперсной фазы в пограничном слое.

Полученные данные по параметрам теплообмена свидетельствуют значительном (на порядок) возрастании конвективных тепловых зтоков на стенки в окрестности точки растекания . при наличии 1хревой области по сравнению с однонаправленным обтеканием, а зкже о существенном влиянии на потоки присутствия дисперсной азы течения.

Следует отметить, что в торцевой области утопленного сопла

но криволинейной стенке его верхней образующей, как правило формируется большой неблагоприятный градиент давления приводящий к отрыву пограничного слоя. Получение параметре] теплообмена в этой области выходит за ражи приведенной здес: математической постановки задачи.

В подразделе 4.4 производится сравнение результатов расчет! некоторых газодинамических и теплообменных параметров > экспериментальными данными для утопленных сопел реально] геометрии, отмечается их хорошее качественное и количественно! согласование.

В разделе 5 рассматриваются вопросы баллистического проекти рования устройства для тушения низовых лесных пожаров. В настоя щее время расширяется применение высокоэнергетических установо: для решения хозяйственных проблем, одной из которых являете, борьба с лесными пожарами. С этой целью разрабатываются новы! технические устройства, позволяющие эффективнее решать указанну; проблему. В данном разделе на основе математических моделей ; методик численного расчета,-изложенных в 1-3 главах, предлагается инженерная методика баллистического проектирования дезинте гратора низовых лесных пожаров (ДКЛП), а также результат] расчетов газодинамических и теплообменных параметров некоторы: сопловых насадков ДНЛП. В подразделе 5И излагается инженерна, методика баллистического проектирования ДНЛП, а также аналитически решается задача оптимизации дальнобойности свободно: газовой струи с участком настильного распространения ее п< горизонтальной поверхности от угла наклона к поверхности : предположении, что как на свободном, так и на настильном участ» скорость струи обратно пропорциональна расстояниям от начал эти: участков. В подразделе 5.2 на основе методик п.5.1 производите; расчет основных газодинамических и теплообменных параметров ДШЕ с модельными сопловыми насадками. Здесь приводятся обобщенны^ данные о зависимости тяги устройства от давления в камера сгорания, числа Маха на выходе и диаметра критического сечени. сопла. Результаты расчета теплообмена иллюстрируются распределе ниями тепловых потоков вдоль стенок.сопловых насадков модельно: конфигурации. В подразделе 5.3 приводится баллистический расче1 модельного ДКЛП с камерой сгорания торцевого горения топлива н основе одномерной модели нестационарной теплопроводности полуограниченных телах и производится оценка прогрева стено: камеры сгорания и соплового блока ДНЛП. Далее здесь анализирует

1 работа ДНЛП, в котором давление аккумулировано сжатым в ¡ллоне из композиционных материалов газом, приводятся оценки >емени работы данного устройства.

В конце диссертации приведены заключительные обобщающие вода о результатах численного исследования газодинамики и плообмена в некоторых современных энергетических устройствах, также список цитированной литературы.

ВЫВОДЫ

1. Предложенная математическая постановка задачи расчета ухфазных течений в энергетических установках со сложной ометрией позволяет комплексно исследовать газодинамические и шюмассообменные процессы в них и получать интегральные определения параметров течений. При этом математическое делирование осуществляется в несколько этапов, соответствующих альным физическим процессам, и позволяет использовать дели взаимодействия фаз течения различного уровня сложности: вновесную модель, модель, учитывающую взаимное влияние фаз (в обенности, для областей с относительно простой конфигурацией) т.д., а также позволяет учитывать с достаточной для практики чностью влияние вязких эффектов в окрестности стенок следуемых устройств.

2. Разработанные методика и комплекс программ численного счета основных газодинамических и тепломассообменных раметров в утопленных соплах и других энергетических гановках согласованы по точности математических моделей, с той стороны, и реальным вычислительным возможностям, с другой.

3. Показано, что предложенные постановка и методика решения дачи позволяют получать качественно и количественно верше ганомэрности движения фаз в утопленных соплах двигателей. При альных геометрических и расходных характеристиках утопленных 1ел наблюдается тороидальный вихрь в окрестности стенок именной части сопла, а также точка растекания потока на »нке, что согласуется с имеющимися экспериментальными данными. 1 геометрических конфигураций соплового блока с верхней >азукщей прямолинейной и параболической формы получен >бходимый признак вихреобразования, дана его газодинамическая 'ерпретация, основанная на анализе геометрических и расходных »тношений утопленного сопла. В рамках приведенной постановки

задачи подтверждается возможность устранения вихревых облаете над утопленной частью сопла путем вдувания газа с торцево стенки над воротником соплового блока.

4. Найдено, что частицы дисперсной фазы в широком диапазон диаметров (от 1 мкм до 256 мкм) выпадают на стенки утопленнс части соплового блока. Обнаружено, что выпадение частиц я стенки сопла подчиняется конвективному и инерционное газодинамическим механизмам, что зависит от размеров частиц формы соплового • блока, причем смена механизма выпадеш происходит при значениях диаметров частиц не менее 30 мкм, чч превышает среднемассовый диаметр частиц в соплах и позволяет достаточной для практики точностью использовать приближеннь модели взаимодействия фаз течений в предсопловом объеме. Смек механизма позволяет условно разделять частицы на мелкие крупные для заданных геометрических и расходных характерней сопла.

5. Найдено, что конвективные тепловые потоки в окрестное точки растекания штока на стенках утопленной части сошюво1 блока 'при наличии вихревой области значительно увеличиваются О 10 раз) по сравнению с однонаправленным обтеканием стенок щ одинаковых геометрических и расходных характеристиках сопла, чч требует дополнительной тепловой защиты указанной области щ конструировании утопленных сопел.

6. На основе предложенных математической постановки численных алгоритмов расчета разработана инженерная метода баллистического проектирования различных типов дезинтеграторе низовых лесных пожаров. Сделаны заявки на изобретение двух нов* устройств для тушения лесных пожаров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИЙ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТ;

1. Медведев A.B.,Пырх С.И. Исследование параметров теплообмена энергетических установках со сложной геометрией // Теплома! сообмен-ММФ / Материалы I Международного форума по теплома сообмену.-Минск: МТМО АН БССР.-1988.-Т.10.-С.106-108.

2. Медведев A.B.,Пырх С.И. Исследование структуры течения параметров тепломассообмена в соплах со сложной геометрией . Совещание по механике реагирующих сред. Тезисы доклад краевого совещания.- Красноярск,1988.-С.96-98.

3. Медведев А.В.,Пырх С.И. Численное исследование структуры течения и параметров тепло- и массообмена в каналах со сложной геометрией // VII Всесоюзный семинар "Теоретические основы и конструирование численных алгоритмов решения задач математической физики". Тезисы докладов.-Кемерово,1988.-С.82.

4. Медведев A.B. Численное исследование двухфазных течений и определение зон осавдения дисперсных фракций в энергетических установках сложной геометрии // Материалы областной научно-практической конференции "Молодые ученые Кузбасса- народному хозяйству".- Кемерово,1990.-С.7.

5. Медведев А.В.,Пырх С.И. Исследование процессов тепломассообмена двухфазных течений в геометрически сложных областях // Прямые и обратные задачи тепломассообмена. Межвузовский сборник научных трудов.- Кемерово,1993.-С.111-116.

6. Медведев А.В.,Пырх С.И. Численное исследование газодинамических процессов при двухфазных течениях в утопленных соплах.-Кемерово,1993.-13 е.- Деп. в ВИНИТИ 29.12.1993.-Ä3222-B93.

7. Медведев А.В.,Пырх С.И. Численное исследование теплообмена в двухфазном пограничном слое на стенках устройств со сложной геометрией // Материалы Международного совещания-семинара "Сопряженные задачи физической механики и экология".Тезисы докладов.-Томск,1994.-С.109-110.

Рис. 1

Рис.3

№mtn

a.¿ a,( ßtf о на г Рис.5

-г..

-4.

J i

1 1

\ h ,1!

V* 2 - M

I» Jx / Л

/ "ч / X -y = = ré/=j _____

4 /1 /

2 ^ /

Г'

0 321

20 ■

Рис.6

9

ю

I VÍMW

J/№f\ Umkm

бЕг<шии

Рис.7

Рис.8

JT

о

4