Введение к работе
Актуальность темы. Для того, чтобы осуществлять перекачку больших объемов газа, газоперекачивающей промышленности требуется большое количество эффективных газоперекачивающих агрегатов (ГПА). В настоящее время все более широкое распространение приобретают ГПА с газотурбинными двигателями. Газотурбинный двигатель в процессе своей работы выделяет интенсивный шум и сильно нагревается, температура некоторых его корпусов достигает +600 С. С целью снижения шума на территории компрессорной станции и охлаждения газотурбинной установки (ГТУ) последняя размещается в шумотеплозащитном кожухе (КШТ), в котором устанавливается система вентиляции. Кроме того, под кожухом монтируется различное электрооборудование (датчики систем газообнаружения и пожаротушения, светильники, кабели), элементы которого имеют различную допустимую температуру эксплуатации в диапазоне от +70 до + 250 С.
В результате вентиляции из-под КШТ выносится горячий воздух и вследствие этого поддерживается приемлемый для аппаратуры температурный режим. Однако в процессе вентиляции пространства под кожухом возникает ряд проблемы. Главной из них является та, что в силу конструктивных особенностей охлаждающий воздух не может подаваться вдоль оси ГТУ и равномерно обтекать ее поверхность. При существующих схемах подачи и отвода воздуха распределение газодинамических параметров под КШТ неравномерно, возможно наличие областей с малыми скоростями воздуха (до 1–2 м/с), что приводит к повышению температуры в этих областях, негативно влияющему на работоспособность контрольно-измерительной аппаратуры.
Второй проблемой является неравномерное распределения температуры на поверхностях стенок КШТ, возможно образование локальных зон, где температура стенок КШТ существенно выше средней величины. Причиной такого неравномерного распределения температуры является неравномерное распределение температуры воздуха, обдувающего стенки ГТУ, а также тепловое излучение поверхности ГТУ. Это может привести к тому, что в некоторых местах температура внешних стенок КШТ может превысить установленную правилами безопасности для случая возможного контакта обслуживающего персонала предельную величину, которая составляет +50 оС. Кроме того, локальное повышение температуры на внутренней поверхности стенки КШТ может негативно сказаться на работоспособности размещенного на ней электрооборудовании.
В настоящее время газодинамические и тепловые расчеты проточного тракта системы охлаждения ГТУ проводятся на основе одномерных инженерных методик, которые основаны на экспериментальных данных. Основными недостатками таких методов является то, что они оперируют лишь средними величинами, такими как средняя скорость воздуха в сечении, средняя температура воздуха в сечении кожуха, средняя температура поверхности стенок кожуха. Как правило, конструкции системы охлаждения ГТУ по средним характеристикам всегда удовлетворяют требованиям. Однако самыми опасными случаями оказываются те, для которых наблюдается большая неравномерность распределения газодинамических параметров в сечении проточного тракта. В таких случаях одномерные расчетные методики не вполне пригодны и возникает необходимость использовать современные методы математического моделирования для определения трехмерного распределения газодинамических параметров в пространстве под КШТ.
Ранее на НПО «Искра» Я.К. Шляпиным была решена задача обдува поверхности ГТУ в двумерной постановке. Решение такой задачи не претендовало на полное описание распределения температур, а предназначалось для исследования некоторых локальных эффектов, таких, как влияние установки теплозащитного экрана на струю горячего воздуха, выходящего из места утечки в ГТУ.
Делались попытки проводить трехмерные расчеты с помощью газодинамических пакетов, таких, как Ansys CFX. Однако трудности при построении качественной расчетной сетки газодинамической задачи не позволили учесть утечки горячего воздуха из ГТУ, на которые приходится больше половины теплоотдачи от двигателя. Таким образом, на сегодняшний день на НПО «Искра» с помощью коммерческих пакетов корректно решена лишь газодинамическая задача изотермического обдува ГТУ.
Более точная математическая модель была разработана на кафедре ММСП, которая позволяла описывать процессы вентиляции пространства под КШТ; реализация модели осуществлена с помощью программы, созданной А.В.Харченко. Однако эта модель имела несколько существенных недостатков. Во-первых, на поверхности ГТУ задавались граничные условия первого рода, что приводило к завышению конвективной теплоотдачи от поверхности двигателя. Во-вторых, не совсем корректное задание граничных условий на выходе воздуха из-под КШТ приводило к колебаниям величины среднего давления под КШТ, что, в свою очередь, вело к искажению поля температур. В-третьих, излишняя объектно-ориентированность расчетного алгоритма приводила к снижению скорости вычислений. В-четвертых, математическая модель описывала только газодинамические процессы, не учитывая твердотельную теплопроводность в стенках КШТ и тепловое излучение поверхности ГТУ.
В связи с вышесказанным, актуальной стала разработка новой математической модели, которая описывала бы не только газодинамические процессы, происходящие под КШТ, и была бы лишена всех вышеперечисленных недостатков предшествующей ей модели, но и могла описывать процессы твердотельной теплопроводности, лучистого и конвективного теплообмена, то есть решать связанную задачу газовой динамики и твердотельной теплопроводности. Программный комплекс на основе данной математической модели должен позволять уже на стадии проектирования проводить выбор наиболее рациональных конструктивных параметров системы охлаждения ГТУ с точки зрения обеспечения равномерного обдува поверхности ГТУ охлаждающим воздухом и исключения возникновения под кожухом застойных зон или зон возвратного течения воздуха, которые, в свою очередь, приводят к превышению температурой воздуха в этих зонах допустимой величины. Кроме того, математическая модель должна позволять исследовать также аварийные ситуации (выключение вентиляторов системы охлаждения ГТУ при работающем агрегате), реализация которых в условиях эксперимента недопустима. В связи с тем, что модели, ориентированные на персональные ЭВМ, на сегодняшний день исчерпали свои возможности, разрабатываемая модель должна быть ориентирована на использование параллельных вычислений и кластеров.
Таким образом, разработка математической модели и соответствующего программного комплекса, способного решать связанную задачу газовой динамики и твердотельной теплопроводности с учетом лучистого теплообмена, ориентированного на использование параллельных вычислений на кластере, является актуальной задачей.
Цель работы: разработка математической модели, описывающей газодинамические и тепловые процессы, происходящие при вентиляции пространства под КШТ, ориентированной на использование параллельных вычислений.
Модель должна включать в себя описание следующих процессов:
течения охлаждающего воздуха под КШТ,
лучистого теплообмена между открытыми тепловыделяющими поверхностями,
твердотельной теплопроводности в стенках кожуха и теплозащитного экрана.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
Осуществить концептуальную (техническую) и математическую постановки проблемы.
Провести анализ существующих подходов и методов решения подобных задач и выбрать наиболее эффективные.
Разработать программный комплекс, основанный на алгоритмах параллельных вычислений, позволяющий проводить численное моделирование теплового состояния шумотеплозащитного кожуха, то есть способный решать связанную задачу газовой динамики и твердотельной теплопроводности с учетом лучистого теплообмена.
С помощью разработанного программного комплекса провести исследования, направленные на поиск конструкции системы охлаждения ГТУ, обеспечивающей наибольшую равномерность охлаждения поверхности ГТУ.
Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, вычислительной математики. Численное моделирование процесса течения газа производилось методом Ю.М.Давыдова (методом крупных частиц). Программная реализация этого метода основана на явной расчетной схеме, которую удобно использовать при распараллеливании вычислительного процесса на множестве процессоров. Программный комплекс был создан с помощью средств визуального программирования Borland C++ Builder 6 и Borland Delphi 6.
Научная новизна:
-
Осуществлена математическая постановка связанной задачи исследования газодинамических и тепловых процессов, происходящих при вентиляции кожуха ГТУ.
-
Разработана математическая модель, описывающая течение охлаждающего воздуха под КШТ и процессы теплообмена в стенках кожуха ГТУ с учетом лучистого теплообмена
-
Для реализации математической модели разработан программный комплекс для проведения газодинамических и тепловых расчетов систем охлаждения ГТУ. Разработана программа для проведения высокоэффективных газодинамических расчетов на кластере, интегрированная в указанный программный комплекс.
-
Проведены исследования теплового состояния шумотеплозащитных кожухов ГТУ, выпускаемых НПО «Искра», выбраны наиболее рациональные конструктивные исполнения систем охлаждения ГТУ, а также сделаны другие рекомендации по улучшению их конструкций.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель процесса вентиляции пространства под кожухом ГТУ и процессов теплообмена в стенках кожуха с учетом теплового излучения, метод вычисления тепловых потоков, обусловленных тепловым излучением.
-
Алгоритм решения связанной задачи газовой динамики движения охлаждающего воздуха под КШТ и задачи твердотельной теплопроводности с учетом лучистого теплообмена, алгоритмы распараллеливания метода крупных частиц Давыдова для проведения расчетов на кластере и на многоядерном компьютере.
-
Разработанные на основе результатов математического моделирования конструктивные исполнения КШТ и системы охлаждения, обеспечивающие наиболее равномерный обдув поверхности ГТУ и требуемую защиту стенок КШТ и элементов контрольно-измерительной аппаратуры от теплового излучения от поверхности ГТУ.
-
Новые результаты исследования нестационарных режимов работы систем охлаждения ГТУ, к которым можно отнести режимы работы с изменением скорости вращения лопастей вентиляторов системы охлаждения или их полного останова.
Практическая ценность: возможность применения предлагаемой модели и комплекса программ для решения широкого класса задач, возникающих при проектировании ГПА; разработаны конкретные предложения по совершенствованию конструкций КШТ и охлаждающей системы, производимых на НПО «Искра».
Достоверность результатов подтверждена удовлетворительным соответствием результатов численного моделирования по разработанной модели результатам решения тестовых задач и данным экспериментальных исследований тепловых состояний шумотеплозащитых кожухов ряда агрегатов
Апробация работы. Основные результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на XVI – XX Всероссийских школах-конференциях молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2007–2011); Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации – 2008» (Пермь, 2008); Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2008); Научно-технических конференциях молодых специалистов НПО «Искра» (Пермь, 2008–2010); 56-ой научно-технической конференции по проблемам газовых турбин (Пермь, 2009); 10-й и 11-й международной конференции «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах (НРС–2010 и НРС–2011)» (Пермь 2010, Нижний Новгород 2011); семинарах кафедры ММСП ПНИПУ (Пермь, 2007–2011). Полностью работа доложена и обсуждена на семинарах Института механики сплошных сред УрО РАН (рук. академик РАН В.П.Матвеенко), кафедры МКМК ПНИПУ (рук. профессор Ю.В.Соколкин), кафедры ММСП ПНИПУ (рук. профессор П.В.Трусов).
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации представлены в 13 работах; основные публикации приведены в списке [1–10], 3 статьи ([5, 7, 8]) опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК.
