Применение технологии прямоугольных адаптивных сеток для решения задач моделирования трехмерных вихревых и закрученных течений в современных промышленных энергетических установках тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

}Г6 -9

ОД ИЮЛ 1ЯЯ?

На правах рукописи

Балакин Вячеслав Васильевич

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ

АДАПТИВНЫХ СЕТОК ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ВИХРЕВЫХ И ЗАКРУЧЕННЫХ ТЕЧЕНИЙ В СОВРЕМЕННЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

Специальность 01.02.05 - "Механика жидкости, газа и плазмы"

АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва -1997

Работа выполнена в научно-производственном Энергомаш имени академика В.П.Глушко.

объединении

Научный руководитель -

доктор физ.-мат. наук, профессор Л.Е.Стернин

Официальные оппоненты: 1. доктор физ.-мат. наук, профессор

Росляков Г.С.,

Московский Государственный Университет (МГУ). 2. канд. физ.-мат. наук Соболева Е.Б.

Институт Проблем Механики (ИПМ).

Ведущая организация -

Центральный Институт Авиационного Моторостроение (ЦИАМ)

Защита состоится ¿^/о/сг/ 1997 г. в часов на

заседании диссертационного совета К 053.18.02 в Московское Государственном Авиационном институте (Техническое Университете), Москва, Волоколамское шоссе, 4.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке МАИ.

Автореферат разослан ^¿¿йсс-? 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.В.Муслаев

Актуальность работы. Необходимость дальнейшего улучшения характеристик промышленных энергетических установок (ПЭУ), повышения эффективности работы, экологических показателей, сокращения расходов, связанных с экспериментальной доработкой ПЭУ, требует интенсивного развития методов проектирования, использующих возможности современных численных методов моделирования течений жидкости и газа, базирующихся на использовании современных возможностей вычислительной техники. Применяемые в настоящее время методы проектирования ПЭУ, использующие существующие численные алгоритмы, не позволяют с требуемой точностью моделировать рабочие процессы в реальных конструкциях ПЭУ со сложной трехмерной конфигурацией.

Цель работы - применение новой численной Технологии Прямоугольных Адаптивных Сеток (ТАПС) для решения задач моделирования трехмерных вихревых и закрученных течений в современных промышленных энергетических установках с произвольной геометрией.

Научная новизна работы определяется тем, что:

• впервые на основе высокоэффективной ТАПС технологии разработана практическая методика расчета трехмерных вихревых течений в промышленных энергетических установках;

• впервые произведен трехмерный анализ вихревых течений в ПЭУ со сложной трехмерной геометрией (в раздающих магистралях, горелках и топках водогрейных котлов ТЭЦ, аэродинамическом фильтре и центробежных насосах).

Достоверность и обоснованность научных положений

определяется:

• сравнением с известными экспериментальными данными, полученными для вихревых течений в ПЭУ различных типов;

• сравнением с результатами других расчетов.

Значимость работы для науки и практики заключается в:

• создании на базе ТАПС высокоэффективного и универсального расчетного метода для моделирования сложных вихревых и закрученных течений в ПЭУ;

• проведении расчетных исследований по изучению структуры течения в ПЭУ и определении интегральных инженерных характеристик;

• результаты этих исследований в настоящее время уже используются при проектировании реальных ПЭУ в таких организациях, как НПО "Энергомаш", ЦНИИМАШ и АО "МОСЭНЕРГО".

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались:

• на ХХПом международном конгрессе ESAO, 19-21 октября 1995, Берлин, ФРГ,

• на международной выставке CEBIT96, 12-20 марта 1996, Гановер, ФРГ,

• на международной выставке CEBIT97, 11-19 марта 1997, Гановер, ФРГ,

• Computer Science of Russia, 25-30 ноября 1996, Брюссель, Бельгия.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2

статьи.

На защиту выносится:

" создание на базе ТАПС технологии методики моделирования сложных трехмерных вихревых и закрученных течений в ПЭУ, включающей в себя:

• оптимальную стратегию проведения расчетов по ТАПС технологии для дозвуковых и несжимаемых течений;

• принципы расчета вихревых течений, с использованием ТАПС технологии;

• введение пристеночных функций для адекватного моделирования пограничного слоя в рамках ТАПС технологии;

• использование ТАПС технологии для расчета течений во вращающейся цилиндрической системе координат;

• результаты анализа вихревых горелок и топки водогрейного котла;

• результаты параметрического исследования для аэродинамического фильтра;

• результаты анализа центробежных насосов;

• результаты расчетов в пространственных криволинейных каналах (труба с двумя поворотами, раздающая магистраль со смесителем, аорта собаки);

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Каждая из глав содержит постановку задачи, изложение данных исследования и полученных результатов, основные выводы.

Работа изложена на 136 страницах машинописного текста и иллюстрирована 119 рисунками, содержит 7 таблиц. Список литературы содержит 85 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение содержит обзор методов расчета вихревых и закрученных течений. Обосновывается актуальность темы работы и формулируется задача диссертации. Обосновывается выбор ТАПС технологии как единственного средства, позволяющего решить поставленные задачи.

Первая глава посвящена общему описанию метода численного моделирования ТАПС и его валидации для рассматриваемого класса задач.

В первом разделе дано общее описание нового метода ТАПС, его универсальной програмной реализации - пакета А83Б.

Во втором разделе приведено описание процедуры адаптации сетки и стратегии проведения расчетов с помощью ТАПС. Важнейшим элементом ТАПС является механизм подстройки прямоугольной сетки к мелкомасштабным особенностям формы тела (на этапе ее построения) и особенностям решения типа слоев смешения, погранслоев, вихревых зон и т.п., а также сгущения сетки в областях с достаточно большими градиентами решения (на этапе установления течения). Такой механизм обусловливает наличие определенной стратегии проведения расчетов, которая включает в себя следующие основные этапы:

1) Генерация начальной сетки.

2) Расчет поля течения.

Рассматриваются основные принципы, позволяющие выбрать оптимальную стратегию проведения расчетов, применительно к современным ПЭУ.

Во третьем разделе приводится замкнутая система уравнений, которая в дальнейшем применяется для описания трехмерного турбулентного течения сжимаемого и несжимаемого газа.

В следующем разделе рассмотрены типы граничных условий на поверхности тела и на границах расчетной области, применяемые в ТАПС технологии. Особое значение придается специфике задания граничных условий, характерных для рассматриваемых ниже прикладных задач. Особенности дозвуковых и несжимаемых течений в современных ПЭУ, потребовали введения ряда новых типов граничных условий, по сравнению со стандартным набором, реализованном ранее в ТАПС технологии. Приводится обоснование введения этих граничных условий и анализируется выигрыш по скорости и точности вычислений, связанный с их использованием.

В пятом разделе исследуется вопрос о выборе модели турбулентности, адеквано описывающей рассматриваемые типы течений и удобной при проведении праметрических прикладных расчетов. В качестве прототипов выбраны стандартная к-в модель и модель напряжений Рейнольдса (МНР). Показано, что введение специальной процедуры пристеночных функций в ТАПС технологию в сочетании с к-е моделью позволяет описать основные явления в рассматриваемых типах вихревых и закрученных течений, с приемлемой с практической точки зрения точностью. Этот вывод подтверждают проведенные методические расчеты для тестовых задач, описанные в следующем разделе.

В качестве характерного примера проводится валидация метода расчета вихревых и закрученных потоков на примере расчета хорошо документированного эксперимента1 для течения закрученного потока в расширяющемся канале. На рис.1 приведено сравнение экспериментальной и расчетной структуры течения. Анализ результатов дает хорошее качественное и количественное соответствие положения центров и внешних границ вихрей. Графики осевой и тангенциальной составляющих скорости на рис.2 также показывают на не только качественное, но и на хорошее количественное соответствие результатов проведенных расчетов и экспериментальных данных. Разброс отклонений результатов расчетов по к-е модели от экспериментальных данных сопоставим с разбросом при использовании МНР Полученные результаты указывают на применимость к-е модели турбулентности для моделирования закрученных и вихревых течений.

Поэтому в излагаемой методике расчетов выбор делается в пользу к-в модели турбулентности, используемой со специальной процедурой пристеночных функций.

1 R.Weber, B.M.Visser, F.Boysan, Assessment of turbulence modeling foi engineering prediction of swirling vorteces in the near burner zone, Int. J. Heat and Fluid Flow, Vol. 11, No. 3, September 1990.

скорости (внизу).

г (гг.)

Рис. 2 Распределение по радиусу осевой и тангенциальной составляющих скорости для двух сечений (АО - расстояние от входа).

Проведен тестовый расчет двумерного центробежного колеса, показывающий хорошее соответствие с экспериментальными данными1. Расчетное и экспериментальное распределение радиальной относительной скорости на выходе из колеса показано на рис. 3-4. Видно хорошее качественное и количественное совпадение расчетных и экспериментальных данных.

— расчет по технологии ТАПС

— эксперимент

— осредненные результаты эксперимента О положение лопаток ротора

V положение лопаток диффузора

-I ........- ................■

■> id • ■ 1 -л 1

р . ,,

-■■/[ -I

I,

уг,-с т.

Рис. 3. Распределение радиальной относительной скорости на выходе из колеса.

Рис. 4.

Распределение

тангенциальной относительной скорости на выходе из колеса._

1 N.Ubaldi, P.Zunino, J.Barigozzi, A.Cattanei, An experimental investigation of stator induced unsteadiness on centrifugal impeller outflow, Journal of Turbo Machinery, January 1996, Vol. 118, pages 41-51.

Третий тестовый расчет течения в трубе с двумя поворотами был проведен для подтверждения применения ТАПС технологии для расчетов течения в пространственных криволинейных каналах. Полученные в результате расчета угловые скорости вращения парного вихря в сечении после первого поворота и центрального вихря в выходном сечении после второго поворота количественно хорошо согласуются с экспериментом1.

шх-

----- ' ■ ■■ \ \ V ..ч . ., ;

___^.ч \

/ / .1111,1, I, 1.1 ^ X / /

ШгММ

Парный вихрь в сечении между первым _и вторым поворотами_

Центральный вихрь в сечении после второго поворота на выходе из трубы

Рис. 5.

Во второй главе приведены результаты параметрического исследования течения газа в аэродинамическом фильтре. Впервые расчетным путем получено поле течения вязкого газа в многосвязной области, содержащей 35 осесимметричных лопаток, расположенных последовательно в форме сужающегося конуса.

В ходе параметрических исследований, результаты которых приведены в первом разделе, по выбору оптимальной стратегии проведения расчетов получены рекомендации по заданию базовой сетки, выбору граничных условий и процедуре адаптации сетки в

1 И.А.Голов, А,Р,Карагизьян, А.А.Сергиенко, Особенности течения в криволинейных пространственных трубах, Ученые записки ЦАГИ, т. 19, №2, 1988 г.

процессе решения. Особый интерес представляет введение технологии локального дробления и технологии расчета в локальной области, которые успешно использовались для разрешения структуры течения в межлопаточных каналах фильтра. Полученные в ходе методических исследований результаты дали не только ощутимый количественный выигрыш в рациональном использовании компьютерных ресурсов но и позволили впервые получить качественно новые результаты пс определению структуры течения в межлопаточных областях.

На рис. 6 показано типичное распределение давления в осевое сечении фильтра. Векторы скорости на рис. 7 демонстрируют наличш торообразных вихрей в межлопаточных каналах, способствующих улавливанию твердых частиц, взвешенных в очищаемом газе, Получена расчетная зависимость перепада давления в тракт« очищенного воздуха от массового расхода через фильтр (см. рис.8), потери давления в фильтре на различных рабочих режимах хорошс согласуются с эксперементальными данными.

Рис. 6.Распределение давления в аэродинамическом фильтре для расчета при ¿Р=2000 П

Рис. 7.

Векторы скорости на входе в фильтр (слева) и на выходе из фильтра (справа] для расчета при с!Р=2000 Па.

- результаты анализа по ТАПС технологии

Рис. 8. Расчетная зависимость перепада давления в тракте очищенного газа от

расхода через фильтр.

Расчеты при увеличении расхода через фильтр дают увеличение по параболическому закону перепада давления в фильтр; по тракту очищенного газа. Этот результат, характерный дл5 турбулентного режима течения, соответствует принято? математической модели и технологии задания граничных условий не поверхности лопаток. Полученные для турбулентного режиме результаты аппроксимируются зависимостью:

Приведены результаты параметрического исследованш влияния радиуса скругления выходной острой кромки лопатки ш структуру вихря в межлопаточном канале.

Третья глава посвящена расчетам в горелках и топках ПЭУ.

Приводится анализ выбора оптимальной стратег ш проведения расчетов по ТАПС технологии. Рассматривается вопрос выбора граничных условий и их влияние на сходимость решения и егс достоверность. Предложенная по результатам проведенны> методических исследований процедура позволила снизить затрать машинного времени в 8-12 раз по сравнению с имеющимися ранее стандартными подходами ТАПС технологии.

Приведены результаты исследования процесса течения v смешения природного газа с воздухом в горелке и топке водогрейногс котла КВГМ-50. Исследованная горелка имеет сложнейшук геометрию. На рис.6 изображен один из узлов горелки, форме которого была автоматически разрешенна с помощью ТАПС.

ф ш 1

Рис. 9. Вид в изометрии узла подвода топлива. Рис. 10. Векторы скорости в сечениях Х=соп51 в центральной части топки.

По результатам расчетов проведен анализ параметров потока и показателей перемешивания воздуха и топлива. Отмечено слабое перемешивание центрального потока воздуха, в который поступает топливо, с периферийным потоком. РасчетЕ1ый перепад давления в горелке 1373 Па соответствует экспериментальному, что говорит о корректности выполненного расчета.

Трехмерный расчет рабочего процесса в топке котла КВГМ-50 проводился с учетом ранее выполненного расчета горелки и использовании полученных результатов в качестве одного из граничных условий. Векторы скорости на рис.10 показывают сложную вихревую структуру течения в поперечном сечении топки вниз по потоку от амбразуры горелки. Результаты расчеты течения в топке указывают на неоптимальность рассмотренной и широко используемой в энергетике конструкции.

В ходе параметрических расчетных исследований, применительно к горелкам перспективных и существующих конструкций ПЭУ было смоделировано явление образования торообразного закрученного вихря на небольшом расстоянии от горелки, способствующего стабилизации пламени. Этот факт, хорошо известный из практики, до сих пор не удавалось смоделировать расчетным путем для горелок сложной

трехмерной конфигурации, в том числе и с использованием мощных

прикладных СРВ пакетов известных зарубежных фирм (например СБХ \т. 4.1).

Таким образом, проведенные методические и расчетны> исследования показывают возможность эффективного использована технологии ТАПС для исследования сложных трехмерны: турбулентных течений в горелках и топках котлов с учето!\ перемешивания топлива и воздуха.

Четвертая глава посвящена расчетам закрученных течений ] центробежных лопаточных насосах. В первом разделе изложен; методика проведения расчетов в цилиндрической системе координат связанной со вращающимся ротором насоса. Записаны конечно разностные выражения для источниковых членов уравнений Навь Стокса в явном и неявном виде, описывающих влияни центробежных и кориолисовых сил.

Второй раздел посвящен практическому аспект; использования ТАПС технологии - созданию прикладных ТАПС программ, ориентированных на решение конкретных инженерны: задач. Данная задача решается на примере решения задач] моделирования течения в колесе центробежного насоса. Разработан; и реализована версия программы АЗЗБ, использующая ТАПС пригодная для трехмерных инженерных расчетов центробежны: колес насосов. Полученные основные принципы при созданш прикладных ТАПС программ могут быть использованы и для други: инженерных приложений. Приведены результаты трехмерной расчета центробежного колеса насоса, выполненного по созданно* прикладной ТАПС программе А53Б-РиМР. Расчитаны интегральные характеристики колеса насоса

такие как напор, потребная мощность и гидравлически?

коэффициент полезного действия хорошо согласуются с теоретическими и экспериментальными данными.

Пятая глава демонстрирует применение ТАПС технологии для расчета трехмерных вихревых течений в криволинейных каналах (рис. 11). Приведены основные принципы постановок задач данного класса. Вводятся новые типы граничных условий и исследуются основные пути ускорения сходимости решения.

Результаты исследования процесса смешения дутьевого воздуха с газами рециркуляции в магистрали подачи окислителя к горелкам водогрейного котла мощностью 210 МВт приведены в первом разделе. Определена неравномерность распределения концентрации газов рециркуляции в выходном сечении магистрали.

Второй раздел посвящен модельному расчету осредненного по времени течения крови в аорте собаки. Определена структура парного вихря, образующегося после поворота аорты, и способствующего выбросу крови в артерию. Получено распределение сдвиговых напряжений в потоке, что позволяет определять области возможного разрушения кровяных телец.

Течение газа в магистрали подачи окислителя к горелкам котла Течение крови в аорте собаки

1. Velocity vectors at the cross section iiiy ' Y*\' \' S.^ J'j^j/ ait. Aorta [

ЙШШ ■ -S.'/i 1 1 ' • < ) 1 ' - \ { ■ \ 1 1 1 1 : г';

......... :.....• ■■ •-••

Парный вихрь в сечении между первым и вторым поворотами Центральный вихрь в сечении после второго поворота на выходе из трубы Парный вихрь в сечении, проходящем через место ответвления артерии от аорты

Рис. 11. Вихревые образования в пространственных криволинейных каналах.

ВЫВОДЫ

1. В современных условиях ТАПС технология являете: оптимальным и практически доступным средством для численноп моделирования вихревых и закрученных течений в промышленны: энергетических установках.

Применение ТАПС с использованием адекватных моделе1 физических и химических процессов обеспечивает подход к решении ранее недоступных задач моделирования сложных вихревых течений.

2. Проведена верификация прикладных методик расчет; вихревых и закрученных течений, созданных на базе ТАПС технологии.

3. Найдены основные принципы моделирования вихревы: образований с помощью ТАПС.

4. Получены результаты расчетов широкого класса течений позволяющие более эффективно проектировать современные ПЭУ основываясь на детальном представлении о структуре течений.

5. Разработаны пригодные для инженерных расчета отдельные методики расчета горелок, котлов, криволинейны: магистралей и насосов, которые в настоящее время успешн< применяются в промышленности.

ЛИТЕРАТУРА

1. V.Balakin, A.Khaustov, A.Pisarevskiy, V.Tolpekin, 3D modeling о flow in vessels, XXIInd Congress of ESAO - Berlin, October 19-21 1995.

2. A.Khaustov, V.Balakin, V.Tolpekin, 3D numerical calculation о flow within blood pumps, XXIInd Congress of ESAO - Berlin October 19-21, 1995.