Аннотация проекта кандидатской диссертации,
2003 г.
План-конспект
предполагаемых исследований
Отзыв научного руководителя
| ВУЗ (научное учредение) | Санкт-Петербургский государственный политехнический университет |
| Соискатель | Левченя Александр Михайлович |
| Год рождения | 1977 г. |
В настоящее время представляют существенный интерес детальные знания о трехмерных течениях в турбомашинах с одновременным разрешением деталей потока в подобластях, сильно различающихся по пространственным масштабам. Это в полной мере относится и к проблемам, связанным с наличием весьма узких концевых зазоров между кромками движущихся лопаток и кожухом турбомашинной ступени. В напряженных режимах работы ступени протечки через зазоры оказывают сильное влияние на развитие вторичных течений в каналах турбомашин, потери давления и периферийный теплообмен.
Проведение всесторонних экспериментов, направленных на исследование детальной структуры течения и теплообмена в проточных частях, чрезвычайно дорого и затруднено, в частности, из-за высоких температур. В связи с этим численное моделирование трехмерного течения и теплообмена рассматривается сегодня как наиболее перспективный подход. Его применение позволит существенно дополнить экспериментальную информацию, имеющуюся по существующим устройствам, а в последующем в значительной степени заменить дорогостоящие экспериментальные исследования при отработке новых установок.
На сегодняшний день число общедоступных работ, посвященных численному моделированию влияния концевых зазоров в турбомашинах, весьма ограничено. Расчеты с учетом реальной геометрии и условий работы промышленных установок трудоемки и пока не приносят надежных предсказательных результатов. Для выявления наиболее существенных аспектов влияния того или иного фактора на характер течения в межлопаточном канале целесообразно опираться на высококачественные лабораторные эксперименты. При этом открывается возможность верификации расчетов путем сопоставления с данными, полученными в результате проведения сравнительно недорогих лабораторных экспериментов на моделях лопаточных машин.
В ходе работы над кандидатским проектом планируется исследовать ряд вопросов, возникающих при моделировании трехмерного течения и теплообмена на поверхностях лопаток с разрешением узких областей концевых зазоров. Рассматриваемые в рамках проекта задачи формулируются как трехмерные и стационарные, с ориентацией на выявление ключевых механизмов воздействия различной конфигурации концевых зазоров на характер турбулентного течения и теплообмена в межлопаточном канале турбомашины. Предполагается исследовать зависимость характера течения от величины зазора в диапазонах изменения параметров геометрии и рабочего режима турбомашин.
Численное моделирование трехмерного течения и теплообмена проводится на основе полных уравнений Навье-Стокса, дополненных уравнением баланса энергии. Используются методики моделирования течений как несжимаемой жидкости, так и сжимаемого идеального газа. Для замыкания системы уравнений применяются различные модели турбулентности.
При работе над проектом планируется использовать различные вычислительные комплексы, как разработанные на кафедре гидроаэродинамики СПбГПУ, так и распространяемые на коммерческой основе, среди последних - пакеты CFX-TASCflow и FLUENT.
Программный комплекс SINF, разработанный на кафедре гидроаэродинамики СПбГПУ, позволяет проводить расчеты стационарных и нестационарных течений несжимаемой жидкости или газа, развивающихся в общем случае в областях сложной геометрии. Используются многоблочные структурированные неравномерные сетки, согласованные с границами области течения. Пространственная дискретизация осуществляется по методу контрольного объема. Для получения нестационарных решений применяется неявная схема второго порядка по физическому времени. Реализованы разные группы моделей турбулентности.
На первом этапе своей научной деятельности автор проекта принял участие в разработке интерфейса к программному комплексу SINF, совмещая освоение его возможностей как системы для моделирования пространственных течений с созданием документации по базовой версии программного комплекса. Далее планируется расширение возможностей исходной версии SINF автором проекта путем реализации возможности расчета течения сжимаемого газа во вращающейся системе отсчета на основе уравнения баланса энергии, записанного для ротальпии. Расширенная версия SINF будет апробирована при расчетах течений газа во вращающихся каналах упрощенной геометрии. Кроме того, для полноценного моделирования происходящих в турбомашинах явлений необходима реализация алгоритмов обмена информацией при расчете течения в последовательно расположенных вращающихся и неподвижных элементах турбомашины.
На предыдущем этапе работы автором уже проведен ряд расчетов верификационного характера, которые планируется расширить и систематизировать на дальнейшей стадии проекта. Планируется, в частности, провести серию сопоставительных расчетов с использованием различных программных комплексов, а также с использованием различных моделей турбулентности.
Верификация расчетов проводится, в том числе, и на задачах течения через решетки лопаток. Автором проведено моделирование течения и теплообмена на торцевых поверхностях межлопаточных каналов экспериментальных моделей прямых решеток. Работа, посвященная анализу низкоскоростного течения в решетке рабочих лопаток, представлена на третьей Российской Национальной Конференции по Теплообмену в 2002 году. Анализ трансзвукового течения в решетке турбинных профилей представлен на Четырнадцатой Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках" в мае 2003 года.
К настоящему времени автором уже накоплен определенный опыт расчетов турбулентных течений с учетом протечек через концевые зазоры. В 2001 году с использованием программного комплекса SINF выполнено численное моделирование дозвукового турбулентного течения в полуоткрытом осерадиальном рабочем колесе центробежного компрессора, результаты которого вошли в магистерскую диссертацию автора. В 2003 году с помощью пакета CFX-TASCflow проведен детальный анализ влияния величины зазора между лопатками и корпусом на локальные и интегральные характеристики течения в рабочем колесе высокоскоростного центробежного компрессора. Результаты проведенных расчетов представлены на научно-методическом семинаре "Автоматизированная система инженерного анализа CFX", который состоялся в Москве 10 апреля 2003 г.
Результаты проведенных расчетов показывают, что влияние концевого зазора проявляется в кардинальной перестройке структуры вторичных течений в межлопаточном канале турбомашины.
При дальнейшей работе над проектом вопросы влияния протечек через концевые зазоры будут подвергнуты углубленной проработке. Планируется также проведение систематических исследований влияния концевых зазоров на теплообмен в осевых турбомашинах.
Тема, предложенная А. М. Левченя в качестве кандидатского проекта, обусловлена наблюдающимся ростом интереса (и вычислительных возможностей !) зарубежных и отечественных исследователей к моделированию трехмерных течений с одновременным разрешением деталей потока в сильно различающихся по пространственным масштабам подобластях. Такого рода проблемы встают, в частности, при изучении тех, важных по своим последствиям явлений, которые обусловлены наличием весьма узких концевых зазоров между кромками движущихся лопаток и кожухом турбомашинной ступени. В напряженных режимах работы ступени протечки через зазоры оказывают сильное влияние на развитие вторичных течений в каналах турбомашин, потери давления и периферийный теплообмен.
Стремление к хорошему разрешению потока в сильно различающихся по пространственным масштабам подобластях предполагает использование наиболее эффективных численных алгоритмов, обеспечивающих моделирование гидродинамических процессов и эффектов теплообмена.
Еще до начала обучения в аспирантуре А. М. Левченя начал работу по данному направлению. Им выполнены многочисленные тестовые расчеты в областях сложной геометрии: расчет течения и торцевого теплообмена в экспериментальной модели решетки рабочих лопаток, расчет трансзвукового течения и торцевого теплообмена в решетке турбинных профилей. Проведены расчеты течения в осерадиальном колесе центробежного компрессора, включая детальный анализ влияния зазора между лопатками и корпусом.
На данной стадии кандидатского проекта А. М. Левченя предстоит выполнить большой объем исследовательских расчетов трехмерных течений в межлопаточных каналах с использованием различных вычислительных комплексов, как разработанных на кафедре гидроаэродинамики СПбГПУ, так и распространяемых на коммерческой основе. Основной объем работы будет выполнен для условий, характерных для рабочих процессов в промышленных установках. Следует подчеркнуть, что достижения в такого рода исследованиях во многом определяют прогресс в энергомашиностроении.
Совместная научная работа с А. М. Левченя в течение нескольких лет свидетельствует, что он имеет прекрасные способности к исследовательской работе и развитое чувство ответственности за выполнение поставленных задач. Есть все основания полагать, что А. М. Левченя успешно выполнит объем работ, заявленных в проекте.