Заключение

Проведено численное моделирование течения в рабочих колесах центробежных нагнетателей. Рассмотрены две задачи, постановки которых соответствуют имеющимся в литературе экспериментальным данным.

В первой задаче рассмотрено закрытое радиальное колесо, испытанное в [5]. Эта задача выступила в роли тренировочной, и для проведения вычислений использовалась довольно грубая сетка, не претендующая на высокое качество разрешения течения вблизи входных кромок лопаток. Поскольку в описании экспериментальной установки отсутствовала информация о конструкции входного участка колеса, проведено параметрическое исследование влияния входной закрутки на течение в колесе. В целом, полученная структура течения соответствует общим представлениям. Наблюдается перекос профиля расходной скорости с большими значениями у стороны разрежения в начале межлопаточного канала, и развитие низкоэнергетической зоны вниз по потоку. Структура вторичных течений близка к экспериментальной. Наибольшее расхождение между расчетом и измерениями наблюдается в окрестности второго измерительного сечения, где расчет дает большее влияние вязких эффектов, чем эксперимент. Последующие расчеты следует выполнять с использованием сеток, обеспечивающих более высокое качество разрешения течения вблизи входных кромок лопаток.

Второй расчет посвящен моделированию течения в открытом осерадиальном колесе, для которого имеются довольно подробные опытные данные Эккардта [11]. Здесь особое внимание уделено созданию высококачественной многоблочной расчетной сетки, призванной обеспечить хорошее разрешение таких тонких деталей потока как обтекание передних кромок лопаток, перетечки через узкие концевые зазоры, ближний след за выходными кромками лопаток и т.д. На данном этапе работы течение в колесе Эккардта рассчитывалось в рамках модели несжимаемой жидкости (учет сжимаемости предполагается осуществить в недалеком будущем). Вместе с тем основные особенности кинематики потока в открытых осерадиальных колесах удалось воспроизвести и на данном этапе. Вид профилей скорости в поперечных сечениях межлопаточного канала соответствует эксперименту. Показано, что учет перетечек через концевой зазор оказывает принципиальное влияние на детали кинематики потока в колесе. Пренебрежение перетечками не влияет лишь на такое "невязкое" свойство потока как концентрация высоких скоростей в угловой зоне, прилегающей к кожуху и стороне разрежения.

Список литературы

1. Кампсти Н. Аэродинамика компрессоров: Пер. с англ. - М.: Мир, 2000. - 688 с.
2. Кувайцева И.Р., Сизова С.Х., Юрочкин В.М., Зайцев Д.К., Кириллов А.И., Рис В.В., Рудинский Э.А., Смирнов Е.М. О проектировании входных трактов ГПА "Нева-16" и "Нева-25" на основе численного моделирования пространственных течений // Турбины и компрессоры, 1998, вып.6,7 (2,3-98), НИКТИТ, СПб, с. 5-13.
3. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978. 194 с.
4. Хауэрд Дж., Ленеман Е. Нестационарные течения во вращающихся каналах колеса центробежного компрессора. Энергетические машины и установки, Труды Американского Общества И`нженеров-Механиков, Серия А, Том 92, ¦1, 1970, с. 78 - 87.
5. Хауэрд Дж., Ленеман Е. Измеренные и расчетные вторичные течения в рабочем колесе центробежного компрессора. Энергетические машины и установки, Труды Американского Общества Инженеров-Механиков, Серия А, Том 93, ¦1, 1971, с. 116 - 122.
6. Хауэрд Дж., Ленеман Е., Мак-Дональд Дж. Измерение и расчет течения вблизи выхода из рабочего колеса центробежного насоса. Энергетические машины и установки, Труды Американского Общества Инженеров-Механиков, Серия А, Том 93, ¦4, 1971, с. 83 - 89.
7. Agaphonov, B.N., Goryachev, V.D., Kolyvanov, V.G., Ris, V.V., Smirnov, E.M., and Zaitsev, D.K. (1999) Simulation of 3D turbulent flow through steam-turbine control valve // In: Finite Volumes for Complex Applications II (Ed. by R. Vilsmieer et al.), Hermes Sci. Publ., Paris, pp.743-750.
8. Casey M.V., Dalbert P., Roth P. The Use of 3D Viscous Flow Calculations in the Design and Analysis of Industrial Centrifugal Compressors. ASME paper, N90-GT-2, p. 1-13.
9. Chriss Randall M., Hathaway Machael D., Wood Jerry R. Experimental And Computational Results From The NASA Lewis Low-Speed Centrifugal Impeller At Design And Part Flow Conditions. ASME paper, N94-GT-213, p. 1-14.
10. Eckardt D. Detailed Flow Investigations Within a High-Speed Centrifugal Compressor Impeller. Journal of Fluids Engineering, Trans. ASME, Series I, Vol. 98, 1976, pp. 390 - 402.
11. Eckardt D. Flow field analysis of radial and backswept centrifugal compressor impellers. Part 1: Flow Measurements Using A Laser Velocimeter. In: Perfomance Prediction Of Centrifugal Pumps And Compressors. / Collected papers presented at the 25^th Annual International Gas Turbine Conference And Exhibit and the 22^nd Annual Fluids Engineering Conference. New Orleans, Louisiana. March 9-13, 1980. Edited by S.Gopalakrishnan et al.
12. Fletcher, C.A.J. (1988) Computational Techniques for Fluid Dynamics. Vol. 2. Springer-Verlag.
13. Hirsch,аC. (1990) Numerical computation of internal and external flows, vol.а2, JohnаWileyа&аSons, 1990.
14. Howard J.H.G., Kittmer C.W. Measured Passage Velocities In A radial Impeller With Shrouded And Unshrouded Configurations. Journal of Engineering for Power, Trans. ASME, Series A, Vol. 97, #2, 1975, pp. 207 - 213.
15. Kato, M., and Launder, B.E. (1993) The modelling of turbulent flow around stationary and vibrating square cylinders / in: Proc. 9th Symposium on Turbulent Shear Flows, Kyoto, Japan, Aug. 16-18, pp. 10.4.1-10.4.6.
16. Kirillov, A.I., Ris, V.V., Smirnov, E.M., and Zajtsev, D.K. (2001) Numerical simulation of local heat transfer in rotating two-pass square channels. In: Heat Transfer in Gas Turbine Systems. Annals of the New York Academy of Sciences, Vol. 934, May 2001, pp.456-463.
17. LaunderаB.аE.,аSpaldingаD.аB. (1974) The numerical computation of turbulent flows // Comput. Methods Appl. Mech. Eng., Vol. 3, N 1. P. 269-289.
18. LeonardаB.P. (1979) A stable and accurate convective modelling procedure based on quadratic upstream interpolation // Comput. Methods Appl. Mech. Eng., No 19, P.а59-98.
19. Niazi Saeid, Stein Alex and Sankar L.N. Development and Application of a CFD Solver to the Simulation of Centrifugal Compressors. AIAA Paper 98-0934 (A98-16733), Aerospace Sciences Meeting & Exhibit , 36^th, Reno, NV, Jan. 12-15, 1998.
20. Nigmatulin, B.I., Pershukov, V.A., Ris, V.V., Smirnov, E.M., Zaichik, L.I., Vinberg, A.A., Sidenkov, D.V., and Belov, V.A. (1995) Aerodynamics, heat and mass transfer in steam-aerosol turbulent flows in containment // In: Proc. 7th Int. Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics, NURETH-7. Saratoga Springs, pp.1555-1573.
21. Rogers, S.E., Kwak, D., Kiris, C. (1991). Steady and unsteady solutions of the incompressible Navier-Stokes equations // AIAA Journal, Vol. 29, pp. 603-610.
22. Sieros G., Papailiou K.D. The Design of Small Centrifugal Compressors Using Advanced Computational Means. ERCOFTAC (European Research Community On Flow Turbulence And Combustion) Bulletin No. 42: September 1999.
23. Smirnov E.M. (1993) Numerical Simulation of Turbulent Flow and Energy Loss in Passages with Strong Curvature and Rotation Using a Three-Dimensional Navier-Stokes Solver / Rept., "Research in Brussels" Actions, Dept. Fluid Mech., Vrije Universitet Brussel

ПРИЛОЖЕНИЕ. Вспомогательное программное обеспечение для пре- и постпроцессорных операций

При проведении численного моделирования на разных этапах решения задачи используются программные продукты различного предназначения. В данной статье дана краткая характеристика использованных автором программ.

В таблице 1 перечислены этапы решения задачи в целом в рамках технологии вычислительной гидродинамики и типы применяемых программ.

Таблица 1: составляющие CFD-технологии

Расчеты в данной работе проведены на программном комплексе SINF [23], разработанном на кафедре гидроаэродинамики СПбГТУ. Использована версия программы SINF2, позволяющая вести расчеты на многоблочных сетках. В данной непрерывно обновляемой версии возможно использование модифицированных моделей турбулентности.

В таблице 2 перечислены вспомогательные программы, использованные на этапах постановки задачи и обработки результатов. Не все из них можно строго разделить на пре- и постпроцессоры. Некоторые программы, например системы электронных таблиц, использовались и при подготовке исходных данных, и при обработке результатов расчетов.

Таблица 2: использованные программы зарубежного производства

Множество использованных специализированных гидродинамических программ разработано на кафедре гидроаэродинамики и сотрудничающими с кафедрой научными группами. Информация об этих программах сведена в таблицу 2а.

Таблица 2а: использованные программы российского производства

* кодирование выполнено студентами
** Тверской Государственный Технический Университет

Перечисленные функции программ не ограничивают область их применения. В действительности каждая из программ является интегрированной системой. В то время как снабженные интерфейсом генераторы сеток могут использоваться, как средства визуализации, системы научной графики позволяют конструировать и модифицировать расчетные модели.

В таблице 3 сопоставляется весь спектр возможностей упомянутых специализированных программ.

Таблица 3: все о специальных программах

В последнюю таблицу не включен пакет научной графики Tecplot (см. табл. 1), также обладающий многими функциями препроцессора. Единственная нереализованная в нем возможность (из перечисленных в таблице 3) - генерация криволинейных сеток. Впрочем, с помощью имеющейся в нем системы математических преобразований сеток и полей теоретически возможно выполнение любого из производимых действий.

Таким образом, формулируется основная проблема использования специализированного программного обеспечения. Многие пакеты обладают необходимыми возможностями, отличающимися только по методике обращения с ними. Задача пользователя состоит в том, чтобы выбрать наиболее подходящий инструмент для выполнения конкретной операции.

Кроме того, большинство из используемых программ находятся в процессе непрерывной модернизации. Неизбежны ошибки, вызванные как некорректной работой новых блоков программы, так и отсутствием опыта пользования. Именно поэтому перед каждым этапом построения элементов сетки или обработки части результатов надо использовать ту программу, применение которой проверено на данной операции.