Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Амфибийные суда на воздушной подушке с гибким ограждением баллонетного типа 12
1.1 Основные элементы АГДК АСВП с ГО баллонетного типа. Проблемы их проектирования 15
1.2. АСВП с классическим ГО и ГО баллонетного типа 18
1.3. Методы отработки АГДК АСВП 21
1.4. О сочетании вычислительного и физического экспериментов при отработке компоновки и элементов компоновок судов 25
1.5. Цели работы 27
ГЛАВА 2. Постановки и выбор схемы решения проектных задач аэрогидродинамики амфибийных судов на воздушной подушке 29
2.1. Физическая постановка 30
2.1.1. Движительный комплекс АСВП 30
2.1.2. Нагнетательный комплекс АСВП 31
2.1.3. Несущий комплекс АСВП с ГО баллонетного типа 32
2.2. Математическая постановка и схема решения задач 34
2.2.1. Численная реализация решения уравнений 36
2.2.2. Построение модели для численных расчетов 41
2.2.3. Методы расщепления многомерных задач, схема направленных против потока разностей и метод SIMPLE для связывания скоростей и давлений на разнесенных сетках 50
2.2.4. Задача аэродинамики ДРК АСВП; математическая постановка и схема решения 65
2.2.5. Задача расчета нагнетательного комплекса АСВП; математическая постановка и схема решения 70
2.2.6. Поиск деформированной формы скега 73
2.2.7. Задача расчета несущего комплекса АСВП; математическая постановка и схема решения 77
ГЛАВА 3. Результаты математического моделирования аэрогидродинамической компоновки амфибийного судна на воздушной подушке 84
3.1. Результаты вычислительных экспериментов по моделированию движительного комплекса АСВП 84
3.1.1. Нестационарные аэродинамические нагрузки на лопасть винта 88
3.1.2. Частотный анализ лопасти маршевого винта 89
3.2. Результаты вычислительных экспериментов по моделированию нагнетательного комплекса АСВП 93
3.2.1. Экспериментальное определение характеристик нагнетательного комплекса 97
3.2.2. Моделирование нагнетательного комплекса с осевыми вентиляторами. Работа нагнеателей в режиме помпажа 101
3.3. Результаты вычислительных экспериментов по моделированию несущего комплекса АСВП с ГО баллонетного типа 106
3.3.1. Моделирование режимов с малыми углами дифферента. О механизме залипания АСВП 109
3.3.2. Об адекватности вычислительного эксперимента результатам натурных испытаний АСВП. Конструктивные решения 111
3.4. Технические рекомендации по проектированию АСВП 115
3.4.1. Тяга на кольцевом насадке 116
3.4.2. Взаимное влияние двух ДРК 120
3.4.3. Влияние заклинки скег на качество судна 122
3.4.4. Обдув носовой части судна; эффект Коанда 124
Основные результаты работы
Выводы
Заключение 128
Список литературы 131
Публикации по теме диссертации 135
- О сочетании вычислительного и физического экспериментов при отработке компоновки и элементов компоновок судов
- Методы расщепления многомерных задач, схема направленных против потока разностей и метод SIMPLE для связывания скоростей и давлений на разнесенных сетках
- Результаты вычислительных экспериментов по моделированию нагнетательного комплекса АСВП
- Результаты вычислительных экспериментов по моделированию несущего комплекса АСВП с ГО баллонетного типа
Введение к работе
Освоение регионов Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока невозможно без развития транспортной инфраструктуры, составным элементом которой является водный транспорт. В настоящее время существующий скоростной флот в стране морально и физически устарел, и для его развития даже в тех немногочисленных местах, где есть перспективы его развития, промышленности необходимо предложить новые эффективные суда.
В материалах заседания Морской Коллегии при Правительстве РФ от 12 сентября 2006г. отмечается необходимость, приоритетного развития амфибийных транспортных средств. Особо отмечается направление амфибийных судов на воздушной подушке (АСВП). Они способны органично вписаться в действующую транспортную систему севера и северо- востока России за счет частичного переключения на себя задач малотоннажного флота и грузопассажирского транспорта.
Из всех задач, предусмотренных «Транспортной стратегией РФ до 2030 года» [1], с помощью АСВП может быть выполнена социальная задача приближения жителей отдаленных районов к крупным центрам. Наиболее целесообразным при решении указанной социальной задачи выглядит применение АСВП для пассажирских перевозок на реках Сибири. Себестоимость перевозок на АСВП ниже, чем на судах на подводных крыльях на 90-120% и, чем на судах на воздушной подушке с жесткими скегами на 65-80%. Преимущества АСВП в этом случае определяются большей в 2 раза провозной способностью за счет увеличения периода навигации [2].
АСВП конкурируют не только с водным транспортом, а главным образом с железнодорожным, автомобильным и авиационным транспортом. Прямые транспортные затраты (по себестоимости перевозок) только для Якутии (Республика Саха) составляют 52% стоимости всего валового продукта республики, тогда как в целом по России транспортные затраты не превышают 4% стоимости валового продукта [1].
В европейских регионах, в крупных городах с развитой транспортной сетью АСВП, в первую очередь, целесообразно и экономически оправданно использовать для перевозки пассажиров и высокотарифицированных или дорогостоящих грузов, таких как дорогостоящее оборудование, срочные и скоропортящиеся грузы и т.д. Грузы, перевозимые на АСВП в этих регионах, должны по возможности покрывать эксплуатационные расходы [1].
Опыт использования АСВП показывает, что при их эксплуатации сокращаются капитальные затраты на постройку причальных сооружений и мест межнавигационного отстоя, отсутствуют расходы на дноуглубительные, путевые и обстановочные работы. Амфибийные качества позволяют АСВП успешно конкурировать с наземным транспортом за счет сокращения протяженности маршрута, а также с воздушным транспортом за счет более низких эксплуатационных расходов. Основные характеристики пассажирских АСВП приведены в таблицах 1.1 (легкие АСВП) и 1.2 (тяжелые АСВП) [2-5].
Таблица 1.2. Основные характеристики тяжелых АСВП.
Современный рынок амфибийного транспорта ощущает потребность в более экономичных как легких, так и тяжелых АСВП водоизмещением 10 - 50 т.
Принципиальным моментом развития АСВП является формирование методической базы, позволяющей принимать обоснованные конструктивные решения при проектировании специфических элементов АСВП (гибкое ограждение (ГО), движительно-рулевой и несущий комплексы). Разработка методической базы связана с необходимостью решения ряда наукоемких задач по моделированию процессов, реализующихся при движении АСВП. Конечной целью решения этих задач является повышение степени совершенства аэрогидродинамической компоновки АСВП, которая напрямую связана с экономической эффективностью.
Существующие подходы к отработке аэрогидродинамического комплекса (АГДК) АСВП ориентированы на проведение модельных физических экспериментов [14-16, 20, 21, 40] и не используют возможностей вычислительного эксперимента, базирующегося на прямом решении уравнений вязкой жидкости.
Целью настоящей диссертационной работы является развитие методической базы для отработки компоновки АСВП через создание элемента этой базы, ориентированного на технологии вычислительного эксперимента, выбор основных проектных задач аэрогидродинамики АСВП, построение алгоритмов решения этих задач с использованием суперкомпьютерного моделирования, анализ аэродинамических нагрузок и верификация результатов вычислительных экспериментов по результатам физических экспериментов.
Методы исследования и решений. Вычислительный эксперимент реализован на базе пакета гидрогазодинамики Ansys CFX, языка программирования Fortran, пакета вычислительной механики Ansys.
Научная новизна работы заключается в применении вычислительного эксперимента, базирующегося на современных пакетах вычислительной механики, для отработки АГДК АСВП с ГО баллонетного типа. По результатам вычислительных экспериментов дан ряд рекомендаций по проектированию АСВП с ГО баллонетного типа. На основе рекомендаций создан ряд оригинальных разработок, реализованных фирмой «СК Аэроход».
Практическая значимость и реализация результатов работы. Получен ряд качественно новых проектных решений, часть из которых внедрена в производство проектантом и производителем АСВП «СК Аэроход» и позволила поднять ходовые и эксплуатационные характеристики АСВП проектов А5, А8, А32, А48. В частности, реализация рекомендации, полученных по результатам вычислительных экспериментов, позволила увеличить скоростные качества для пассажирских АСВП этих проектов на 20%, поднять стартовые характеристики, снизить километровый расход топлива на 10% Повышен ресурс маршевых винтов и ГО.
Достоверность результатов, полученных путем вычислительного эксперимента, подтверждена серией стендовых, а так же натурных швартовых и ходовых испытаний АСВП проектов А5, А8, А32, А48. На защиту выносятся: результаты работы по выбору расчетных схем для проведения вычислительного эксперимента, ориентированного на проектирование движительного, нагнетательного и несущего комплексов АСВП с ГО баллонетного типа, результаты работы по верификации результатов, полученных по выбранным расчетным схемам, серией натурных испытаний. рекомендации по проектированию АСВП с ГО баллонетного типа, полученные на базе результатов расчетов, стендовых, натурных швартовых и ходовых испытаний.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на всероссийских конференциях и семинарах и отмечены дипломами за лучшие выступления:
Конференция «Лобачевские чгения - 2007», г. Казань, Диплом за лучшее выступление
Конференция молодых ученых, Татинец 2008г.
Конференция «Лобачевские чтения - 2008», г. Казань, Диплом за лучшее выступление.
Итоговая научная конференция учебно-научного инновационного комплекса. Н.Новгород, 27-30 ноября, 2007г.
Семинар «решения АшуБ для судостроения и строительства морских сооружений» ЗАО ЕМТ Р, Санкт-Петербург 2009.
Четвертая Всероссийская молодежная научно-инновационная школа «Математика и математическое моделирование», г. Саров 2010, Диплом за второе место.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, из которых 5 статей, в том числе 4 - из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем составляет 137 стр., включая 59 рисунков, 5 таблиц, библиографию, содержащую 76 наименований.
Первая глава посвящена обзору современных АСВП с ГО баллонетного типа и методов отработки их АГДК. Предлагается использовать вычислительный эксперимент при проектировании АСВП.
Во второй главе проводятся схемы решения трех основных задач аэрогидродинамики АСВП.
В третьей главе практические результаты, полученные в ходе вычислительных экспериментов.
В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертации.
О сочетании вычислительного и физического экспериментов при отработке компоновки и элементов компоновок судов
В силу требований безопасности и экологичности ДРК расположен кормовее грузопассажирской кабины АСВП. При этом по общекомпоновочным соображениям кабина АСВП может оказаться в зоне
аэродинамического взаимодействия с ДРК. Это взаимодействие ведет как к изменению тяги движителей, так и к изменению сопротивления на кабине и ее элементах в сравнении с сопротивлением без учета работающих движителей. В зоне взаимодействия с маршевыми винтами находится не только кабина, но и другие элементы аэродинамической компоновки, например силовые пилоны ДРК. Отметим, что к настоящему моменту при проектировании АСВП отсутствуют как конкретные численные рекомендации по аэродинамическим потерям и коэффициентам нагрузки винтов вследствие интерференции ДРК и элементов компоновки для их различных расположений, так и расчетные алгоритмы. Экспериментальное решение проектных вопросов по этой части путем аэротрубного модельного эксперимента с имитацией работы винтов, во-первых, оказывается весьма затратным, во-вторых, не вполне чистым в связи с отсутствием надежных методов пересчета на натуру при больших коэффициентах нагрузки винтов.
По расходно-напорным характеристикам осевых и центробежных вентиляторов, используемых на АСВП, накоплена обширная экспериментальная информация, систематизированная в справочниках [8, 9, 10, 11]. Давление в этих характеристиках замеряется непосредственно у выхода из коллектора или улитки. Для использования этих данных при проектировании нагнетательного комплекса АСВП необходимо знать потери в тракте подачи воздуха от воздухозаборника до вентилятора и в тракте от вентилятора до ВП. Приближенная оценка этих потерь по упрощенным формулам [12 ,13] достоверна только для простой геометрии. На АСВП геометрия этих трактов может оказаться нестандартной (см. гл.5) для использования упрощенных схем расчета [12, 13]. Нестандартность обусловлена необходимостью удовлетворения в проектировании различных и зачастую противоречащих друг другу требований и ограничений. На практике, проектирование нагнетательного комплекса по [8-13] может привести к снижению давления и расходов воздуха в ВП по сравнению с расчетными, повышению сопротивления и снижению скоростных характеристик АСВП по отношению к заявленным. Такая ситуация имела место с АСВП «Марс-2000» и АСВП «Хивус» пр.А32 с исходным вариантом нагнетательного комплекса.
Несущий комплекс АСВП баллонетного типа включает в себя область ВП, носовые, кормовые ГО и систему надувных оболочек - баллонетов, выполняющих функцию бокового ГО. На АСВП типа «Хивус» баллонеты используются также для продольного секционирования ВП. В отличие от АСВП с ГО классического типа, кормовая часть баллонетов при движении на крейсерских режимах всегда находится в контакте с опорной поверхностью. Протяженность зоны контакта в продольном направлении зависит как от компоновочных решений, так и от загрузки и центровки АСВП. В частности, при штатной загрузке и соответствующей ей центровке у АСВП «Хивус» пр.А5 при движении по воде протяженность замытой части баллонетов составляет менее 10% их длины, в то время как у АСВП «Хивус» пр.А48 - около 40%. При крейсерском движении АСВП баллонетного типа по водной поверхности баллонеты являются глиссирующими элементами несущего комплекса АСВП. При этом серьезное влияние на смоченную поверхность глиссирующего элемента и распределения давлений на ней оказывает область ВП. Задача глиссирования баллонета в области действия ВП или, иначе, аэрогидродинамического взаимодействия глиссирующего баллонета с ВП, является в настоящее время малоизученной как практически, так и экспериментально даже в предположении неизменности геометрии баллонета при действии на него аэрогидродинамических сил. Проектные решения по диаметру баллонета и закону его изменения в продольном направлении, углу заклинки, схемам расположения интерцепторов на баллонете принимаются на интуитивном уровне и не всегда оказываются удачными.
В целом, при разработке АГДК АСВП с баллонетным ГО, проектанты испытывают серьезные затруднения ввиду слабой методической базы, ориентированной на решение основных задач аэрогидродинамики этих АСВП. Существующие расчетные подходы носят общий оценочный характер, причем зачастую невозможно определить направление оценки (сверху или снизу), не отличаются точностью и надежностью. В отличие от АСВП с классическим ГО систематических материалов испытаний моделей АСВП с баллонетным ГО в аэродинамических трубах и опытных бассейнах недостаточно. Проектирование АГДК ведется по прототипу, которым является более или менее удачный предшествующий вариант АСВП.
Направление АСВП с классическим ГО интенсивно развивалось в СССР в 1960 - 1990 годах. В эти годы была создана методическая база по решению проектных задач аэрогидродинамики, динамики движения и прочности [14-19, 40-43], которая позволила создать ряд удачных проектов (особенно в 80-е годы), предназначенных для решения в первую очередь оборонных, а затем и хозяйственных задач. В 1990 - 2000 годы темпы развития этого направления снизились, что в значительной степени связано с произошедшими в стране переменами. Фактически прекратилось проектирование и строительство крупнотоннажных АСВП, предназначенных для решения оборонных задач. Сократилось производство мало и среднетоннажных (8 — 10 т.) пассажирских и разъездных АСВП. В настоящее время относительно малыми сериями производятся только малотоннажные АСВП типа «Арго» и среднетоннажные типа «Арктика».
В то же время именно в 1990 - 2000 годы достаточно интенсивно развивается направление АСВП с баллонетным ГО. К настоящему времени ситуация выглядит следующим образом: месячное число продаж аппаратов с ГО баллонетного типа оказывается выше годового числа продаж АСВП классической схемы.
Попробуем разобраться с причинами сложившейся ситуации с позиции аэрогидродинамики и динамики движения, оставляя пока в стороне некоторые важные объективные моменты (например, ресурс и надежность ГО сравниваемых типов АСВП, ремонтопригодность ГО, стоимость ГО и АСВП в целом), возможные улучшения и модернизации АСВП в рамках их принципиальных схем ГО, а так же субъективные факторы.
Методы расщепления многомерных задач, схема направленных против потока разностей и метод SIMPLE для связывания скоростей и давлений на разнесенных сетках
Вычислительный эксперимент может проводиться на разных стадиях проработки проекта как в дополнение к физическому модельному эксперименту, так и независимо от него. На стадии предпроектной проработки, при формировании технического задания и технического предложения вычислительный эксперимент (при наличии отработанных схем решения, верифицированных по результатам физических модельных и натурных экспериментов) используется для анализа скоростных характеристик и потребных мощностей энергетической установки, создания схемы аэрогидродинамической компоновки АСВП. При создании эскизного и технического проектов вместе с физическим экспериментом проводится численный анализ аэрогидродинамических нагрузок, исследуется аэрогидродинамика отдельных элементов компоновки применительно к конкретной конструктивной схеме.
Зачастую, для фирм проектантов и производителей АСВП в силу ряда причин физический модельный эксперимент недоступен. Конструктивные решения принимаются на основании результатов вычислительного эксперимента, и проверяются по результатам натурных испытаний. Информация, накопленная по результатам натурных испытаний, позволяет вводить некоторые поправочные коэффициенты, уточняющие результаты вычислительного эксперимента при последующих расчетах.
Предлагаемый подход к решению проектных задач путем вычислительного эксперимента включает в себя следующие этапы: 1. Выбор схемы решения задачи и построение модели. Выбор схемы решения задач заключается в определении размеров и геометрии расчетной области, подборе моделей исследуемых сред, граничных и начальных условий, алгоритмов численного решения, моделей турбулентности, шагов дискретизации по времени и по пространству и т.д. Исследования проводятся на ряде упрощенных моделей (плоские постановки задачи, модели с более простой геометрией, модели, в которых ряд элементов заменен искусственными граничными условиями, и т.д.). По результатам исследований с учетом имеющихся вычислительных мощностей строится наиболее полная модель (или ряд моделей) объекта. На основании вычислительного эксперимента делаются выводы о недостатках в работе отдельных элементов. 2. Верификация результатов моделирования с результатами модельных или натурных испытаний. 3. Работа над отдельными элементами исследуемого объекта, поиск рациональных конструктивных решений. В модель вносятся геометрические и структурные изменения. По разработанной схеме просчитывается ряд вариантов, строятся кривые поведения отдельных параметров исследуемого объекта По результатам вычислительного эксперимента принимается решение об изменении элементов объекта. 4 Верификация результатов моделирования с результатами модельных или натурных испытаний после реализации конструктивных изменений объекта. Таким образом, проведение вычислительного эксперимента позволяет сократить количество физических модельных экспериментов, а в ряде случаев является единственным способом исследования: дает возможность получить нагрузки на отдельные элементы конструкции, подробно исследовать поля скоростей, давлений и т.д. Вычислительный эксперимент дает новые возможности в учете масштабных эффектов. 1. Выбор схемы расчета движительного, нагнетательного и несущего комплексов АСВП с использованием собственных программ (язык Fortran) и лицензионного программного обеспечения (пакет гидрогазодинамики ANSYS CFX, пакет вычислительной механики ANSYS) на высокопроизводительных вычислительных узлах. 2. Верификация результатов расчетов по разработанным схемам, по результатам натурных испытаний. 3. Поиск конструктивных решений и выдача рекомендаций по проектированию АСВП с ГО баллонетного типа, направленных на повышение аэрогидродинамического совершенства АСВП и снижение аэрогидродинамических нагрузок на элементы компоновки. Задача о работе движительно-рулевого комплекса в составе компоновки АСВП имеет целью исследование аэродинамического взаимодействия ДРК с элементами компоновки, а именно: - определение нестационарных нагрузок на лопасти маршевых винтов для прочностного анализа, поиск путей снижения нестационарных аэродинамических нагрузок. - определение кривых аэродинамического сопротивления корпуса при его взаимодействии с работающим ДРК, раскладки сил по элементам корпуса и ДРК, поиск конструктивных решений по уменьшению сопротивления - снижение лобового сопротивления за счет изменения обводов корпуса и сопротивления кормовой части за счет уменьшения взаимодействия корпуса с ДРК;
Задача о работе нагнетательного комплекса имеет целью получение аэродинамических нагрузок для прочностного анализа и расходно-напорных характеристик осевых и центробежных вентиляторов в составе их компоновки (колеса, коллекторы, спрямляющие и направляющие аппараты) и трассы. Исследовательская серия расчетов имеет целью повышение расходно-напорных характеристик нагнетательного комплекса, как за счет оптимизации трассы, так и за счет доработки элементов компоновки вентиляторов (геометрии лопастей колес, спрямляющих и направляющих аппаратов, противопомпажных устройств).
Задача о работе несущего комплекса направлена на детальное изучение деформированной формы баллонетов под действием внутренних и внешних избыточных давлений, формы свободной поверхности и взаимодействия глиссирующих баллонетов с зоной ВП, получение численных значений аэрогидродинамического сопротивления на элементах компоновки АСВП с ГО баллонетного типа на разных режимах движения. Поисковые вычислительные эксперименты ориентированы на поиск конструктивных решений по повышению степени аэрогидродинамического совершенства компоновки АСВП, а именно изучение влияния заклинки скег на гидродинамическое качество АСВП, разработку схем интерцептирования, поиск геометрии ГО для создания оптимальной формы пятна давления на воду с целью снижения гидродинамического сопротивления на баллонетах.
Результаты вычислительных экспериментов по моделированию нагнетательного комплекса АСВП
Для решения этих вопросов в ходе выполнения работы были проведены обширные численные исследования, часть которых привела к отрицательным результатам. Отметим наиболее значимые результативные этапы исследований, которые, в конечном счете, позволили сформировать рациональный метод расчета аэродинамического взаимодействия винта с элементами компоновки.
Исследовано пространственное обтекание одной лопасти воздушного винта вихревым потоком воздуха. Результаты решения этой задачи позволили выбрать размеры расчетной области, установить вид дальних граничных условий, установить оптимальные размеры ячеек сетки и связанный с размерами тип элементов (призматические на лопасти и вблизи нее, тэтраэдрические в дальней зоне течения при неструктурированных сетках). Сжимаемость воздуха не влияет на работу винта при рассматриваемом диапазоне скоростей вращения.
Решены задачи обтекания решетки профилей, образованной пересечением развертки винта цилиндрами разных радиусов с осями, совпадающими с осью вращения винта. Решение этой задачи позволило скорректировать число элементов по хорде лопасти.
Исследована пространственная задача обтекания одной лопасти, находящейся в секторе 60 с периодическими граничными условиями на гранях сектора. По результатам этих исследований принято решение о смене модели турбулентности к - в на 88Т модель Ментора [53, 54].
Для определения изменяющихся во времени нагрузок на лопасть винта рассматривалась нестационарная постановка задачи. Начальные условия беруться из решения задачи в стационарной постановке. Для построения рационального и эффективного алгоритма по расчету взаимодействия маршевого винта и компоновки в нестационарной постановке проводились следующие поисковые работы. 4. Влияние пилонов и корпуса моделировалось как разрыв в поле скоростей набегающего потока (V = 0). В этом случае входная граница расчетной области располагалась близко к диску винта. Чтобы смоделировать скорость на входной границе использовались результаты расчетов описанных ранее п.п.1 - 3. Результаты этого этапа работы позволили сформировать структуру сетки между пилонами и диском винта, а так же установить алгоритм аппроксимации уравнений движения жидкости для решения задачи со срывами во вращающихся областях. Диффузионные члены уравнений аппроксимируются по схоме «против потока», конвективные члены - центрированной схемой степень подвижности узлов относительно друг друга. с1- расстояние от подвижной границы, С=10 - константа, определяющая как быстро происходит изменение сетки [27]. Целью этой работы являлось изучение влияния профилировки пилонов на величины пульсационных нагрузок, действующих на лопасть винта. В проведенных расчетах это влияние не обнаруживается. По результатам проведенных расчетов была разработана следующая схема. В качестве расчетной области взят цилиндр (рис. 2.9). 5. Проводилось решение задачи на цилиндрической развертке расчетной области с деформацией сетки. Деформация сетки описывается уравнением V (ГУ 5) = 0, где 3 - перемещение узлов сетки относительно их 1 - вход, 2 - выход, 3 - профилированный кольцевой насадок, 4 - пилоны. 5 - общие границы областей А и В, 6 - боковая поверхность циллиндра, 7 - втулка, 8 - лопасти. При решении в области А используется принцип обращения движения: лопасти неподвижны, воздух закручен вокруг винта с угловой скоростью со. На общих границах областей А и В выполняется непрерывность скоростей прямого и обращенного движения. При переходе через границы сохраняется средняя по окружности величина давления. В уравнения моментов добавляются центробежные силы. Значения узловых переменных определяются в локальной (вращающейся) системе координат. В численной реализации используются скользящие сетки [27]. В нестационарной постановке блок с сеткой, включающей в себя винт, вращается с заданной угловой скоростью относительно глобальной системы координат. На общих границах областей (вращающейся и неподвижной) на каждом временном шаге обеспечивается непрерывность потоков неизвестных величин (давления, скоростей и т.д.). Диаметр цилиндра равен пяти диаметрам винта, высота равна восьми диаметрам. Количество элементов по хорде лопасти 30, по размаху 100. Установленные размеры расчетной области и ячеек сетки позволяют минимизировать затраты компьютерных ресурсов. Полученное вблизи винта решение согласуется с экспериментом и не противоречит теоретическим расчетам. Гидродинамическими граничными условиями для системы уравнений (1) - (3) пп.2.2. являются: - на входе задается скорость набегающего потока Vx (скорость движения АСВП), Уу = 0 м/с, V — 0 м/с, или давление р = 0 Н/м2 (работа винта на стопе) - условия прилипания и непротекания Vx = 0 м/с, Vy = 0 м/с, V 7 = 0 м/с на поверхности винта; - условия прилипания и непротекания на поверхности кольцевого насадка и пилонов Vx= 0 м/с, Vy = 0 м/с, V = 0 м/с в области В. Вращение кольцевого насадка вместе с газом в области А.
Результаты вычислительных экспериментов по моделированию несущего комплекса АСВП с ГО баллонетного типа
Как видно, тенденции натурной расходно-напорной характеристики схватываются вычислительным экспериментом полностью. В то же время давления в ВП по результатам вычислительных экспериментов ниже натурных давлений, причем величина этого рассогласования оказывается систематической для различных оборотов рабочего колеса вентилятора и различных зазоров, устанавливаемых для истечения воздуха из ВП в вычислительных и натурных экспериментах. Для выявления причин системного рассогласования результатов математического моделирования и натурного эксперимента неоднократно ставились дополнительные методические вычислительные эксперименты. Эти эксперименты включали в себя изменение некоторых математических процедур в алгоритме решения задачи, смену модели турбулентности и некоторых ее параметров, изменение топологии и точности сеточной модели, исследование влияния на результат расположения интерфейсов области обращенного окружного движения воздуха. Значимых изменений в исследуемый результат этот цикл вычислительных экспериментов не внес - результаты моделирования по расходно-напорной характеристике оказались весьма стабильными. Также дополнительно были проведены контрольные натурные испытания, которые подтвердили полученную первоначально натурную расходно-напорную характеристику. К настоящему времени основной версией системного рассогласования результатов является версия относительно низкой точности сеточной модели, которая может быть реализована на располагаемых вычислительных мощностях с учетом весьма сложной геометрии и внутренней аэродинамики нагнетательного тракта АСВП пр. А32 и А48. Тем не менее вычислительный эксперимент весьма удачно схватывает различные конструктивные изменения трассы нагнетателя и изменения профилировки лопастей колеса.
Аналогичная работа проводилась по исследованию нагнетательного комплекса АСВП пр.А8. На АСВП прА8 установлены осевые вентиляторы К-06 со спрямляющим аппаратом. В ходе исследований было выявлено, что рабочий режим вентиляторов находится в зоне помпажа [61]. Высокие давления в ВП провоцируют обратное течение воздуха между лопастями и стенкой коллектора. На рис. 3.22 представлено поле скоростей в продольном сечении шахты.
Воздушный поток проходя через диск винта приобретает окружную скорость. Возвратный поток передает окружную скорость основному потоку, в результате чего концевые сечения лопасти обтекаются под большими углами атаки с образованием срывов. Такому режиму работы вентилятора соответствует «провал» на расходно-напорной характеристике. Величина и положение «провала» во многом зависит от величины зазора между торцом лопасти и стенкой коллектора. 0,5 0, обороты в минуту на двигателе). Отличие вентиляторов заключается в первую очередь в величине зазоров между торцом лопасти и коллектором, на АСВП пр.А8 в связи с технологическими сложностями изготовления колеса вентилятора и шахты величина зазора в 3 - 4 раза превышает рекомендуемую. С целью повышения расходно-напорной характеристики было принято решение о применении противопомпажного устройства (ППУ). ППУ представляет собой колыцевую щель по периметру коллектора. Щель предназначена для выброса возвратного потока (рис. 3.24). По результатам конструктивных проработок конструкторского отдела ООО «Аэроход» был уменьшен зазор между лопастью и стенкой коллектора. Ширина и положение щели относительно лопасти были подобраны с помощью вычислительного эксперимента с учетом средней величины зазора между лопастью и коллектором. Испытания вентиляторов с ППУ показали увеличение расходов и давлениий на рабочих режимах. Расходно-напорные характеристики представлены на рис. 3.25 (цифрой указаны обороты на двигателе, «А8» - испытания штатного нагнетателя, «щель закрыта» - нагнетатель с уменьшенными зазорами между лопастью и коллектором, «щель открыта» - нагнетатель с уменьшенными зазорами между лопастью и коллектором в присутствии ППУ). Характер поведения кривых вполне физичен. С уменьшением зазоров «провал» на характеристике смещается в зону более высоких давлений. При наличии ППУ «провал» становится менее выраженым. На рис. 3.26 приведены расчетные и экспериментальные характеристики вентиляторов в исходном варианте («зазор 7 мм»), с уменыненым зазором между лопастями и коллектором и с уменьшеным зазором при наличии ППУ. Поведение характеристик с хорошей степенью точности согласуются с расчетом. Незначительное рассоголасование в числах связано как с «грубой» сеточной моделью, которая с недостаточной степенью точности моделирует сложные срывные течения, так и существенным разбросом величины зазоров между лопастями и коллектором на нагнетателе экспериментального АСВП (±2 мм). Тем не мение, положительные результаты испытаний говорят об успешном применении вычислительного эксперимента для проектирования нагнетательного комплеса АСВП.
