Численное исследование газодинамики и теплообмена в некоторых энергетических устройствах Медведев, Алексей Викторович

Введение к работе

Актуальность темы. Интерес к исследованию процессов, «исходящих при работе высокоэнергвтиче ских установок, ределяется необходимостью математического моделирования ряда іактически важных задач в ракетной технике, авиации, атомной іергетике., химической технологии, защите лесов от пожарной гасности. В настоящее время все большее внимание исследователей ;есь уделяется изучению детальной картины течения и ірактеристик тепломассообмена в энергетических устройствах ютаточно сложной геометрической конфигурации- утопленных шах двигателей, дезинтеграторах низовых лесных пожаров, плетках турбин и т.п., где тепло- и массообмен определяется, ізодинамической картиной течения. Знание теплообменных и ізодинамических характеристик течения позволяет определять іиболее термонапрякенные участки энергетических установок и грабатывать рекомендации по применению теплозащитных материалов ж конструировании и оптимизации различных устройств юргетического комплекса.

Математические модели исследования течений в соплах іергетических установок достаточно подробно анализируются в іботах ¹ ^"²) В них приведены результаты расчетов двухфазных «о- и полидасперсных течений в соплах Лаваля различной юметрии, а также в' одном классе утопленных сопел, в івновесной и неравновесной постановках, с учетом коагуляции и юбления частиц дисперсной фазы, рассчитаны траектории движения области выпадения частиц на стенки сопел при стандартных' ізодинамичбских условиях однонаправленного обтекания этих 'енок несущей фазой.

Вместе с тем, в последние годы появились достоверные ;спериментальш8 данные ^J' ^Jl о наличии рециркуляционных зон ж течениях в некоторых энергетических устройствах. Поэтому ізникает необходимость более пристального внимания к гследованию процессов в реальных энергетических установках,

Рычков А.Д. Математическое моделирование газодинамических процессов в каналах и соплах.-Новосибирск,1988.-223 с. Васенин И.М.,Архипов В.А.,Бутов В.Г. и др. Газовая динамика двухфазных течений в соплах.-Томск: изд-во ТГУ, 1986.-264 с.

отягченных, как правило, различными геометрически (невыпуклостъ, изломы геометрии) и газодинамическими (вихревые отрывные зоны, неоднофазностъ) особенностями. Наличие таю особенностей ставит перед исследователем актуальные зада* выбора математических моделей движения и взаимодействия фг течений друг с другом и со стенками устройств, исследоваю влияния газодинамики течения на тепломассообменные процесс! получения интегральных зависимостей и распределений различи параметров, а также разработки аналитически и численно сбалансі рованных методов решения таких задач.

Целью работы является разработка на основе современнь математических моделей течения и теплообмена двухфазных ере новых экономичных численных и аналитических методик расчеі полей давления,скорости, температуры, плотности фаз, траекторі и областей выпадения дисперсных частиц, теплообмена со стенка!* устройств и решение конкретных актуальных задач виутрибаллисті ческого проектирования некоторых энергетических установс (ракетных двигателей, дезинтеграторов низовых лесных пожаров т.п.) с соплами различных конфигурации, включающая в сес следующие этапы:

1. выбор и анализ математических моделей двухфазного течения і турбулентного пограничного слоя;

2. разработка методики и численного алгоритма расчета;

3. проведение тестовых расчетов и их сравнение с численными і экспериментальными данными;

4) применение разработанных методик для исследования
газодинамических тепломассообменных процессов в утопленных
соплах;

Woodward R.,Sargent W..Marchman J.Space Shuttle Solid Rooke Motor Aft-End Internal Flow // Journal Propulsion and Power. -1989. -V.5, J*6. -P. 650-656.

Whitesides R.,Baoohus D.,Majumdap A..Jenkine S. Experiments Determination of Conveotive Heat Transfer Coefficients in її Separated Plow Region of the Spaoe Shuttle Rooket Motor / AIAA-90-0043.-19 90.-P.1-11.

'алимпиєв В.И. Гидродинамика течения в каналах сложной формы проницаемыми стешсами//Термогидрогазодинамика турбулентных те чений.-Новосибирск:Ин-т теплофизики СО АН СССР,1986.-С.121 -1

5) применение разработанных методик для баллистического проектирования нового технического устройства для тушения низовых лесных пожаров.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1) дана комплексная математическая постановка задачи о
двухфазных течениях в энергетических устройствах со сложной
геометрией, учитывающая влияние геометрических и газодина
мических особенностей течения на тепломассообменнне процессы
в них;

2. разработана новая методика и комплекс программ численного расчета газодинамических и тепломассообменных параметров в утопленных соплах двигателей;

3. с помощью численных решений получены теоретические данные о структуре и газодинамических закономерностях двухфазных течений в утопленных соплах;

4. получены интегральные распределения тепловых характеристик вдоль криволинейных стенок соплового блока утопленного сопла и влияния на них структуры двухфазного течения, геометрических и расходных характеристик утопленного сопла;

5. разработана инженерная методика баллистического проектирования нового технического устройства для борьбы с лесными пожарами.

Достоверность полученных результатов подтверждается путем сравнения с классическими результатами расчетов газодинамики и теплообмена в соплах Лаваля, с известными экспериментальными и птеленными данными о структуре и параметрах течений в устройствах, аналогичных исследуемым в работе, а также внутренними сравнениями численных и аналитических решений между собой.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть ис-юльзованы' при проектировании устройств энергетического комплекса для выявления их наиболее термонапряженных участков; для расчета пол«й газодинамических и тепловых параметров; для получения интегральных зависимостей характеристик течений как внутри,так и на стенках энергетических устройств. Предложенные в диссертации методика и результаты расчетов полученц и использованы в рамках хоздоговорных работ с Московским институтом теплотехники и Томским госуниверситетом. По результатам работы подана заявка на изобретение новых способов тушения низовых лесных пожаров.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Минском международном форуме по тепломассообмену

(г. Минск, 1988), на VII Всесоюзном семинаре "Теоретически* основы и конструирование численных алгоритмов решения зада' математической физики" (г.Кемерово,1988), на Международно! научной конференции "Сопряженные задачи физической механики і экология" (г.Томск,1994), на всесоюзных и региональные конференциях и школах молодых ученых по механике реагируюшю сред (г.Красноярск,1988;г.Кемерово,1990;г.Томск,1991 и др.), '< также на научных семинарах кафедры физической механики Томскої государственного университета, кафедры вычислительной математик и вычислительного центра Кемеровского госуниверситета 1985-1995 гг.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 1 публикациях автора,список которых помещен в конце автореферата.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 154 листах машинописного текста, иллюстрирована 54 рисунком на 34 листах. Список литературы содержит 124 наименования.