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.
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
Этап |
Используемые программы |
Постановка задач проекта и выбор математической модели | Системы для математических расчетов |
Геометрическое моделирование и генерация расчетных сеток | Препроцессоры: генераторы сеток |
Подготовка файлов с параметрами задачи и граничными условиями | Системы для математических расчетов |
Построение начального приближения к рассчитываемым полям и проведение расчетов | Вычислительный комплекс: солвер |
Экспресс-анализ результатов, включая визуализацию полей | Постпроцессор: визуализатор |
Обработка данных специализированными процедурами, анализ результатов | Системы для математических расчетов |
Приложение развитых графических средств обработки результатов | Системы научной графики |
Подготовка отчета по проекту | Текстовый редактор |
Архивация данных и подготовка их к записи в Базу данных | Вспомогательные программы |
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
Программа |
Назначение |
Автор |
Год |
Версия |
Система |
Grapher |
Простые XY-графики | Golden Software |
1988 |
1.76 |
Dos |
Grapher |
Сложные XY-графики | Golden Software |
1994 |
1.25 |
Win |
Surfer |
Двумерные карты | Golden Software |
1994 |
5.00 |
Win |
Excel |
Электронные таблицы: Вспомогательные расчеты и диаграммы | Microsoft Co. |
1997 |
'97 |
Win |
Word |
Текстовый редактор: подготовка отчета и схем | Microsoft Co. |
1997 |
'97 |
Win |
Tecplot |
Комплексная визуализация | Amtec Eng. |
1998 |
7.5 |
Win |
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
Программа |
Основное назначение |
Уникальные возможности |
Руководитель разработки |
GROT |
Сеточный инструментарий |
Преобразование 2D -> 3D со сгущением узлов |
Е.М.Смирнов* |
SVET |
Скалярно - векторный инструментарий |
Преобразование полей по произвольным формулам |
Е.М.Смирнов* |
MIG21 |
Генератор плоских сеток |
Сглаживание сеток, перераспределение узлов |
Д.К.Зайцев |
GRID31 |
Генератор пространственных сеток |
Эллиптическое сглаживание с аттракторами |
Е.М.Смирнов, Д.К.Зайцев |
FLAG2 |
Визуализация на плоскости |
Обработка скалярных и векторных полей |
Д.К.Зайцев |
FLAG31 |
Визуализация в пространстве |
Вырезка двумерных полей и сеток |
Д.К.Зайцев |
FLAG32 |
Визуализация в пространстве |
Работа на многоблочных сетках |
Д.К.Зайцев |
ORIGGIN |
Универсальный генератор сеток |
Построение пространственных сеток по моделям |
В.Д.Горячев**, Е.М.Смирнов |
* 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
Характеристика | GRID31 |
GROT |
SVET |
MIG21 |
FLAG2 |
FLAG31 |
FLAG32 |
ORIGGIN |
Файл .exe |
Grid_f |
Grot |
Svettv |
Mig21 |
Scalar, Vector |
Flag31 |
Flag32 |
Origgin |
Версия |
1 |
1.1 |
TV1 |
2.1 |
2.1 |
3.1 |
3.2 |
3.0 |
Год |
1994 |
1996 |
1999 |
2001 |
2001 |
2001 |
2001 |
2001 |
Система |
DOS |
DOS |
DOS |
DOS |
DOS |
DOS |
DOS |
Win |
Интерфейс |
- |
Граф. |
Текст. |
Граф. |
Граф. |
Граф. |
Граф. |
Граф. |
Визуализация |
- |
- |
- |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
Работа на плоскости |
- |
+ |
+ |
+ |
+ |
- |
- |
+ |
Работа в объеме |
+ |
+ |
+ |
- |
- |
+ |
+ |
+ |
Многоблочность |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
+ |
+ |
Создание сеток: | ||||||||
...прямоугольных |
- |
+ |
+ |
+ |
- |
- |
- |
+ |
...криволинейных |
+ |
- |
- |
+ |
- |
- |
- |
+ |
Модификация сеток |
+ |
+ |
+ |
+ |
- |
- |
- |
+ |
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.