Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Функционирование любого технического устройства
сопровождается протеканием процессов различной природы. Газодинамические процессы играют существенную, а часто и основную, роль в технологических агрегатах. Большинство этих процессов носят нестационарный, пульсирующий характер. Пульсационные явления в той или иной степени присущи всем газодинамическим процессам. Невозможно создать газовый поток с неизменными параметрами - всегда будут присутствовать флуктуации параметров потока. В большинстве случаев эти флуктуации невелики и не представляют интереса для исследователей и лишь излишне усложняют описание газодинамического процесса, поэтому принимается гипотеза о постоянстве параметров потока.
Ъданной работе рассматривается класс течений, в которых неустойчивый,
пульсационный характер потока имеет принципиальное значение, а возможность анализа и управления параметрами таких потоков приводит к ранее недостижимым возможностям, дающим качественно новые технологические свойства. В последнее время (начиная с 80х годов 20 века) стали появляться работы, посвященные вопросу о возможном применении существенно нестационарных газовых потоков и струй для решения технологических задач. Большинство таких работ носило либо теоретический, либо экспериментальный характер. Работ, посвященных численному моделированию пульсирующих течений и струй, особенно применительно к промышленным задачам, практически нет. В данной работе предпринимается попытка осветить некоторые вопросы численного решения задач подобного рода.
В рамках диссертационной работы исследуется несколько родственных в газодинамическом смысле процессов импульсного и импульсно-периодического действия. Ставится ряд задач, в частности, задача о пульсирующем течении в сопле Лаваля и делается попытка моделирования газомеханических систем, базирующихся на таком течении. Такие системы применяются в металлургическом производстве, в автомобильной технике и других отраслях промышленности. Другая задача связана с взаимодействием пульсирующей струи газа с поверхностью жидкости. Такие задачи характерны для множества технологических процессов в металлургическом и химическом производстве. Также исследуется задача внутренних периодических течений.
Таким образом, имеется широкий круг мультифизичных, нестационарных задач, связанных с моделированием процессов в различных технологических установках. Рассмотрению ряда таких задач и посвящена данная диссертационная работа. Хотя работа носит общий
характер, а методы, использованные для решения различных задач при написании данной работы, могут быть использованы для описания различных технологических процессов в ряде отраслей промышленности, в качестве основного круга задач были выбраны задачи, характерные для металлургического производства.
Результаты исследования могут представлять интерес как для вычислительной газовой динамики, так и для широкого практического применения в промышленных процессах, связанных с пульсирующими газовыми струями и течениями.
Цели работы.
Разработать математическую модель пульсирующего течения. Провести анализ пригодности различных численных методов решения применительно к задаче о течении пульсирующей струи.
Выделить основные факторы, влияющие на течение пульсирующих струй.
Разработать модель взаимодействия пульсирующих струй с поверхностями, как твердыми, так и жидкими и выполнить численное моделирование на ее основе.
Провести анализ возможностей существующих газодинамических пакетов применительно к задаче о пульсирующих газовых потоках и взаимодействии таких потоков с поверхностями.
Предложить модель расчета внутренних течений вязкой несжимаемой жидкости, характерных для различных технологических аппаратов, и провести численные расчеты основных конфигураций на базе этой модели.
Научная новизна р а б о ты.
-
Разработана математическая модель пульсирующего течения, определены границы ее применимости применительно к технологическим процессам, характерным для металлургической промышленности. Выделены основные особенности таких процессов с точки зрения вычислительной газовой динамики.
-
Проведен анализ пригодности различных численных методов решения применительно к задаче о течении с пульсациями. Указаны границы применимости тех или иных схем, выявлены оптимальные. Проведен ряд тестовых расчетов с использованием выбранных численных схем.
-
Разработана модель взаимодействия (пульсирующей) струи с поверхностью тяжелой жидкости. На основе разработанной модели и результатов расчетов даны рекомендации по ее применимости.
-
Проведен анализ возможностей существующих газодинамических пакетов применительно к задаче о пульсирующих газовых потоках и взаимодействии таких потоков с поверхностями.
-
Предложена модификация метода расчета внутренних течений вязкой несжимаемой жидкости с использованием компактных конечно-равностных схем высокого порядка и метода дискретных вихрей.
Достоверность результатов работы.
Достоверность представленных результатов подтверждается сравнением с имеющимися экспериментальными данными и результатами численного моделирования.
Положения, выносимые на защиту.
1 Расчет газомеханических систем с помощью квазиодномерной модели. Особенности реализации численных схем расчета пульсирующих течений. Возможность применения векторизованного подхода для расчета газодинамических систем. Метод задания начального приближения для расчета задачи о распаде произвольного разрыва.
-
Применение предлагаемого метода расчета взаимодействия газовых струй с поверхностью тяжелой жидкости.
-
Использование газодинамических пакетов для расчета зада с пульсациями параметров. Границы применения газодинамических пакетов. Взаимодействие между пакетами и программным обеспечением собственной разработки для задач промышленной газодинамики.
-
Возможность использования компактных конечно-разностных схем высоких порядков для расчета внутренних течений вязкой несжимаемой жидкости. Необходимые модификации численных схем для использования конечных разностей высоких порядков. Возможность применения газодинамических пакетов для расчета внутренних течений.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на XXVI международной молодежной научной конференции "Гагаринские чтения" (Москва, 2000); XII, XIII, XTV школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева "Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках" (Москва, 1999; Санкт-Петербург, 2001; Рыбинск, 2003); ХХ-ом международном семинаре по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Санкт-Петербург, 2004); международной конференции
Intcrnational Conference on Spray Deposition anrl Melt Atornization (Бремен, 2000);ХУІП-ОМмеждународном семинаре "Течения газа и плазмы в соплах, струях и следах" (Санкт-Петербург, 2000); VT международной научно-технической конференции "Тепло- и массообменные процессы в металлургических системах" (Мариуполь, 2000); Всероссийской научной конференция по механике "Вторые Поляховскис чтения" (Санкт-Петербург, 2000); научных семинарах кафедры плазмагазодинамики аэрокосмического ф-та БГТУ под руководством проф. В.Н. Ускова (Санкт-Петербург).
Публикации.
Полный список научных трудов по теме диссертации содержит шестнадцать наименований.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 62 наименований и приложения. Работа содержит 158 страниц и 87 рисунков.
