![](/user_photo/_userpic.png)
3258
.pdf![](/html/65386/27/html_EOh_9oQKD6.CcG3/htmlconvd-f9iZTT21x1.jpg)
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
![](/html/65386/27/html_EOh_9oQKD6.CcG3/htmlconvd-f9iZTT22x1.jpg)
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
![](/html/65386/27/html_EOh_9oQKD6.CcG3/htmlconvd-f9iZTT23x1.jpg)
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
![](/html/65386/27/html_EOh_9oQKD6.CcG3/htmlconvd-f9iZTT26x1.jpg)
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
![](/html/65386/27/html_EOh_9oQKD6.CcG3/htmlconvd-f9iZTT27x1.jpg)
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
![](/html/65386/27/html_EOh_9oQKD6.CcG3/htmlconvd-f9iZTT28x1.jpg)
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
![](/html/65386/27/html_EOh_9oQKD6.CcG3/htmlconvd-f9iZTT29x1.jpg)
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