Содержание к диссертации
Введение
1. Численное моделирование движения вязкой несжимаемой жидкости методом RANS
1.1. Предварительные замечания 20
1.2. Основные подходы к моделированию турбулентных течений 21
1.3. Метод, основанный на использовании уравнений Рейнольдса (RANS)
1.3.1. Система основных уравнений и пути ее замыкания 23
1.3.2. Модели турбулентной вязкости 25
1.3.3. Моделирование течения жидкости вблизи стенки 35
1.3.4. Особенности реализации метода RANS в программном комплексе FLUENT 37
1.3.5. Верификация метода и сравнение с эмпирическими и экспериментальными данными 45
2. Расчет обтекания винто-рулевой колонки в осевом и косом потоках вязкой жидкости (полный вязкий расчет)
2.1. Предварительные замечания 63
2.2. Особенности решения задачи в программном комплексе FLUENT 63
2.3. Пример расчета и сравнение с экспериментальными данными 66
3. Расчет обтекания ВРК в осевом и косом потоках вязкой жидкости с использованием приближенного вязко-невязкого метода
3.1. Предварительные замечания 79
3.2. Приближенный вязко-невязкий метод определения гидродинамических характеристик и коэффициентов взаимодействия комплекса ВРК 80
3.3. Квазипотенциальная часть алгоритма
3.3.1. Описание программы поверочного расчета ГВ в невязкой жидкости, используемой для определения характеристик эквивалентного активного диска (программы АКРА) 86
3.3.2. Верификация метода и сравнение с экспериментальными данными 102
3.4. Вязкая часть алгоритма
3.4.1. Особенности реализации вязко-невязкого метода с использованием программного комплекса FLUENT 105
3.4.2. Верификация метода и сравнение с экспериментальными данными 107
3.5. Примеры расчетов и сравнение с экспериментальными данными 128
Заключение 176
Список литературы
- Метод, основанный на использовании уравнений Рейнольдса (RANS)
- Особенности реализации метода RANS в программном комплексе FLUENT
- Особенности решения задачи в программном комплексе FLUENT
- Описание программы поверочного расчета ГВ в невязкой жидкости, используемой для определения характеристик эквивалентного активного диска (программы АКРА)
Введение к работе
Актуальность темы
В последние десятилетия в связи с повышением стоимости топлива и с величением конкуренции на фрахтовом рынке перед судовладельцами все более и олее остро встает проблема понижения себестоимости морских перевозок. Это аставляет их находить все новые пути экономии в использовании морского ,іанспорта, в том числе за счет более эффективного выбора пропульсивного омплекса. Конструкторские бюро, специализирующиеся на проектировании вижительных установок, имея многочисленные портфели заказов, часто талкиваются с принципиальными трудностями в решении задач оптимизации истемы корпус-движитель, такими как влияние на гидродинамические арактеристики масштабного эффекта и сложность получения данных о поле ффективного попутного потока. На сегодняшний день самым популярным методом сследования остается эксперимент, но его проведение связано с достаточно ысокими затратами. Альтернативой является все более и более популярные в оследнее время программы численного моделирования, основанные на ютенциальной теории или методах, учитывающих вязкость. Первые очень іивлекательньї для инженерных расчетов из-за высокой скорости проведения ычислений, но неучет вязкостных сил сильно ограничивает их применение в ложных задачах гидродинамики. Вторые, быстроразвивающиеся методы RANS, LES, NS уже применяются для решения различных практических задач корабельной идромеханики, но они мало пригодны в инженерной практике, так как являются чень ресурсоемкими как по времени, так и по уровню использования компьютерных истем. Кроме того, проводя полный вязкий расчет судовых движительных онструкций, так же как и в эксперименте не удается получить информацию о поле ффективного попутного потока, знание которой важно для проектирования птимального гребного винта.
Компромиссным вариантом может служить так называемый вязко-невязкий
етод, в котором геометрия корпуса моделируется в вязком поле, а гребной винт (ГВ)
потенциальном. С практической точки зрения этот метод оправдывается тем, что
нтегральные характеристики гребного винта (коэффициент упора и момента)
, едсказываются панельными методами с достаточной точностью.
Проведение расчетов по данному методу не требует привлечения каких-либо пециальных компьютерных систем: они могут быть проведены на обычном ерсональном компьютере. Качество же и полнота полученных результатов, как оказано в настоящей работе, не уступает результатам полного вязкого расчета всех лементов конструкции, а по некоторым параметрам (в том числе возможности пределения распределенного по радиусу диска эффективного попутного потока) и евосходит его. Кроме того, в работе исследованы возможности вязко-невязкого етода для оценки масштабного эффекта.
Для отработки и верификации метода исследовались характеристики взаимодействия между гребным винтом и гондолой/стойкой винто-рулевой колонки (ВРК).
С практической точки зрения, конечно, важно знать коэффициенты взаимодействия между движителем и корпусом судна, но в данной работе решается лишь первая часть задачи, ввиду того, что численный расчет в общем случае был бы связан с существенными затратами машинного времени. Таким образом, в работе рассматривается расчет изолированной винто-рулевой колонки без учета корпуса судна, что, в частности, позволяет оттестировать предлагаемый метод, путем сравнения с имеющимися экспериментальными данными.
Рис.1. Общий вид электрической ВРК фирмы Rolls-Royce, с размещенным внутри
гондолы электродвигателем
Выбор в качестве предмета исследования именно движительного комплекса типа
ВРК не случаен. Начиная с 1990 годов, электрические ВРК (часто именуемые как
АЗИПОДы) находят все более широкое применение на судах различных типов, в том
числе и на высокоскоростных судах. Ярким тому примером может служить тот факт, ;
что АЗИПОДы фирмы ABB установлены на самых крупных в мире круизных
лайнерах типа «Independence of the seas» (водоизмещением 158 тыс. тонн). Эти суда,
оборудованные тремя АЗИПОДами (1 стационарный и 2 поворотных на 360 вокруг
вертикальной оси) мощностью 14 МВт каждый, могут развивать скорость до 22 узлов.
Второй по величине в мире круизный лайнер «Queen Магу 2» водоизмещением
151 тыс.т. также оснащен четырьмя (2 стационарных и 2 поворотных на 360)
движительно-рулевыми комплексами типа ВРК (см. рис.1) мощностью 21.5 МВт
каждый, что обеспечивает лайнеру скорость до 28 узлов. Что касается использования
винто-рулевых колонок для судов под российским флагом, то кроме уже введенных в
эксплуатацию ледоколов типа «Fesco Sakhalin» (2 ВРК общей мощностью 13МВт),
контейнеровоза «Норильский никель» (1 ВРК мощностью 13МВт) и арктического
танкера «Василий Диньков» (2 ВРК общей мощностью 20МВт) дедвейтом 70 тыс.т., в
настоящее время на судостроительном заводе «Адмиралтейские верфи» идет
строительство двух танкеров ледового класса типа «Михаил Ульянов»
(водоизмещением 26 тыс. т.) оборудованных двумя поворотными ВРК. Эти танкеры
заказаны ОАО «Совкомфлот» для освоения нефтяного месторождения Приразломное
на Арктическом шельфе. t 4
Рис.2. Принципиальные различия между электрической ВРК и традиционным ГВ
Целью настоящей работы является разработка вязко-невязкого метода ісследования эффектов гидродинамического взаимодействия элементов системы topnyc-движитель в прямом и косом потоках вязкой жидкости на примере винто->улевой колонки. Также этот метод был использован для оценки масштабного ффекта коэффициентов взаимодействия.
Методы исследования
! работе использовались теоретические, численные и экспериментальные методы юследования. Теоретические методы использовались при усовершенствовании іязко-невязкого алгоритма и разработке методики определения распределенных характеристик условно эффективного попутного потока. Экспериментальные методы гспользованы для верификации вычислительных методов. При этом эксперименты фоводились на моделях реальных движительных комплексов, что позволило гаксимально приблизить результаты работы к применению в инженерных задачах.
Научная новизна
. Существенно усовершенствован вязко-невязкий метод расчета гидродинамических характеристик движительного комплекса на примере винто-рулевой колонки, за счет применения новых более обоснованных условий эквивалентности между конечнолопастным гребным винтом и его бесконечнолопастным аналогом.
'. Разработана методика определения всех компонент распределенного по радиусу условного эффективного попутного потока (осевая, окружная и радиальная компоненты). Для их определения впервые используется наиболее обоснованный и физичный алгоритм, основанный на вычитании из относительной скорости
жидкости в диске движителя, полученной в вязком расчете обтекания конструкции колонки с активным диском, аналогичной скорости, найденный для активного диска «в свободной воде». При этом распределения циркуляции и упора по эквивалентным дискам в случае учета тела и в изолированном случае принимаются одинаковыми.
-
Выявлены качественные отличия в распределениях по радиусу движителя условного эффективного и номинального попутного потоков в случае винто-рулевой колонки.
-
Проведены систематические расчеты вязкого обтекания колонки на режимах существенно отличающихся от проектного (малые значения относительной поступи, большие углы поворотов) с использованием лицензионного программного комплекса FLUENT.
-
Произведена оценка масштабного эффекта коэффициентов взаимодействия элементов винто-рулевой колонки. Рассмотрены возможности применения вязко-невязкого метода для расчета натурных объектов на примере расчета ВРК при высоких числах Рейнольдса.
Практическая значимость исследования
Полученные в работе результаты могут быть использованы при проведении расчетов корпуса судна в присутствии работающего гребного винта. Предложенный метод позволяет в упрощенной стационарной постановке получить кривые действия гребного винта, работающего за корпусом судна, величину коэффициента засасывания и распределенные по радиусу характеристики условного эффективного попутного потока. Кроме того предложенный метод позволяет оценить масштабный эффект гидродинамического взаимодействия элементов конструкции.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на международном симпозиуме по корабельной гидромеханике IWSH'2005 (Шанхай, КНР, 2005), на 6-й международной конференции по морским интеллектуальным технологиям МОРИНТЕХ (Санкт-Петербург, 2005), на 2-й международной конференции по технологическим достижениям в области движительно-рулевых колонок T-POD (Брест, Франция, 2006), на 9-й международной конференции по скоростным морским перевозкам FAST (Шанхай, КНР, 2007). Предварительные результаты работы опубликованы в журнале «Морской вестник» рекомендованном ВАК.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 5 работ: 4 статьи и 1 тезис доклада. В личном авторстве выполнена одна работа, доля авторства в остальных 75%. В изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК, опубликована 1 статья, выполненная без соавторов.
Структура и объем работы
Метод, основанный на использовании уравнений Рейнольдса (RANS)
Как известно одной из основных задач, возникающих в процессе проектирования корабельных конструкций, является определение их гидродинамических характеристик. До настоящего времени традиционным способом решения этой задачи было проведение экспериментального исследования. Однако выполнение эксперимента связано с рядом трудностей как технических, так и принципиальных. Технические трудности обусловлены высокой трудоемкостью и стоимостью таких исследований, ограниченностью получаемой информации. Принципиальные трудности связаны, прежде всего, с влиянием масштабного эффекта, т.е. различием картин течения вокруг модели и натуры.
В связи с этим в последнее время все большую популярность приобретают численные методы исследования, лишенные многих из указанных недостатков. При этом экспериментальные исследования становятся инструментом для настройки параметров численного эксперимента и верификации полученных результатов.
Очевидно, что численные методы также не лишены недостатков как технических, связанных, например, с заменой непрерывной расчетной области дискретной, так и принципиальных, связанных с моделированием турбулентности.
Несмотря на это именно вычислительная гидромеханика является самым бурно развивающимся разделом гидромеханики и все более широко применяется при решении инженерных задач. Кроме того, применение расчетных методов сильно облегчается благодаря использованию специализированных программных комплексов, предназначенных для численного интегрирования уравнений движения жидкости в заданной пользователем расчетной области. Самьши популярными комплексами на данный момент являются FLUENT, Star-CD, CFX, FlowVision. Несмотря на относительно высокую стоимость этих продуктов, экономия, которую они могут принести, может быть достаточно велика и это связано, прежде всего, с отсутствием необходимости создавать сложные продукты самими пользователями. 1.2. Основные подходы к моделированию турбулентных течений
На сегодняшний день можно выделить четыре основных подхода в моделировании турбулентных течений: - Метод прямого численного моделирования (Direct Numerical Simulation - DNS). Данный метод является наиболее надежным подходом, предоставляющим возможность всестороннего изучения турбулентных явлений, так как базируется на единственном предположении о том, что уравнения Навье-Стокса пригодны для описания любых движений сплошной среды. Это позволяет разрешить практически весь спектр вихревых структур от мелких - диссипативных до крупных. Кроме того, огромным преимуществом является то, что для решения уравнений не требуется привлечения моделей турбулентности. Однако для численного расчета мелкомасштабных вихрей следует использовать достаточно подробную сетку, что при увеличении числа Рейнольдса сильно сказывается на скорости расчета. Поэтому в настоящее время возможности метода прямого численного моделирования ограничиваются малыми числами Рейнольдса, что делает практически невозможным его использование в инженерных расчетах;
Суть метода состоит в частичном осреднении (фильтрации) уравнений Навье-Стокса. В ходе решения крупные эиергосодержащие вихри разрешаются напрямую как в методе DNS, а влияние мелких диссипативных вихрей учитывается в уравнениях движения дополнительными напряжениями, рассчитываемыми по зависимостям, строго полученным из теории Смагоринского. Привлекательность LES-модели заключается в том, что она рассчитывает потери, вызванные самим режимом турбулентного течения, в отличие от моделей турбулентности, относящихся к классу RANS. Возможно, это качество делает ее «универсальной» для расчета турбулентных течений с тенденцией мелкомасштабных вихрей, что имеет место в ярко выраженных изотропных потоках, т.е. когда макроскопические особенности потока преобладают над крупномасштабными вихрями. Более того, тот факт, что в режимах развитой турбулентности закономерности мелкомасштабного движения близки к универсальным (слабо зависят от типа течения и граничных условий), позволяет предполагать, что для описания сложного движения в рамках LES могут быть использованы относительно простые, не требующие детальной настройки модели (см., например, [9], [109], [110]). Таким образом, LES гораздо менее требователен к ресурсам вычислительных машин, чем DNS, однако потребные ему ресурсы все равно еще слишком велики, что сильно ограничивает применение метода для решения практических задач. На сегодняшний день эта модель используется лишь в случаях течений с достаточно простой геометрией [62], [65];
В методе отсоединенных вихрей, предложенном Спалартом [121]. решение комбинируется путем использования RANS уравнений в присоединенном пограничном слое и LES уравнений - в отрывной области, где отсоединенные вихри играют важную роль. При этом решение осуществляется на единой расчетной сетке, что, как отмечается в [109], приводит к сглаживанию поля скорости во всей расчетной области. Стандартный вариант DES базируется на модели Spalart-Allmaras. В целом, стоимость вычислений DES ниже, чем LES. Недостатком метода отсоединенных вихрей является появление искусственной «DES буферной зоны» в пристеночном профиле скорости, что в конечном итоге приводит к недооценке коэффициента поверхностного трения примерно на 15% [108].
Метод отсоединенных вихрей успешно применяется для расчета обтекания тел различных форм [56], [58], [129]. Интересные для судостроения формы тел и режимы обтекания были рассмотрены в работах [56], [57], [58], [84]. В [57] , [58] верифицировалась DES модель для расчетов обтекания сферы при докритических и сверхкритических числах Рейнольдса, а в работах [56], [84] исследовалось обтекание эллипсоида вращения удлинением 6:1 при различных углах атаки. Оценивая качество DES расчетов можно утверждать, что метод отсоединенных вихрей позволяет воспроизвести характеристики течения лучше, чем классические RANS модели, но уступает расчетам, выполненным на основе LES с высоким разрешением. - Метод, основанный на осреднении по времена уравнений Навье-Стокса (Reynolds Averaged Navier-Stokes - RANS).
Данный метод является в настоящее время наиболее подходящим для решения практических задач. Согласно ему уравнения движения вязкой жидкости осредняются либо по времени (в случае статистически стационарного течения), либо по ансамблю (для нестационарных течений), в результате чего получаются уравнения Рейнольдса, содержащие турбулентные напряжения, для которых не существует замкнутых теоретических решений, а требуется привлечение дополнительных соотношений, то есть так называемых моделей турбулентности. К сожалению, до настоящего времени не создана модель турбулентности, применимая для любых движений жидкости, в результате чего выбор модели турбулентности для исследуемого течения сам по себе становится предметом исследования.
Особенности реализации метода RANS в программном комплексе FLUENT
Решение задачи об обтекании винто-рулевой колонки с работающим гребным винтом потоком вязкой жидкости даже на сегодняшний день представляется достаточно сложной задачей. В случае толкающей компоновки, когда перед винтом в относительной близости располагается стойка колонки, на каждую лопасть винта приходит свой неравномерный поток жидкости, причем неравномерность потока будет зависеть от положения лопастей винта. В случае тянущей компоновки в прямом потоке на винт будет приходить почти равномерный поток, но, из-за подтормаживания потока в районе стойки и ее обратном взаимном влиянии на течение, картина обтекания объекта будет меняться с течением времени. Полностью нестационарная постановка, необходимая для решения подобного рода задач, накладывает серьезные ограничения на применение расчетных методов. Во-первых, как уже упоминалось выше, для решения нестационарных уравнений методом RANS требуются несравнимо более значительные затраты вычислительных мощностей компьютеров. Во-вторых, возникают определенные сложности в построении расчетных сеток вокруг таких сложных криволинейных объектов как лопасти гребного винта. Более подробно об этом будет рассказано в параграфе, посвященному созданию расчетной сетки вокруг исследуемой винто-рулевой колонки. И, в-третьих, для численного моделирования процесса вращения требуется создание определенных методик, позволяющих математически описать возникающие нестационарные эффекты.
В программном комплексе FLUENT, используемом в настоящей работе, представлено три основных подхода, применимых для решения поставленной задачи [64].
1. Квазистационарный метод, основанный на решении стационарных RANS уравнений с использованием методики Moving Reference Frame (MRF) для заданного положения лопастей.
2. Подход так называемой смешивающей зоны (mixing plane) разрешает течения во вращающейся и невращающейся зонах в стационарном случае и передает численные данные между этими зонами в процессе расчета.
3. Метод скользящих сеток (sliding mesh) представляет решение полностью нестационарных RANS уравнений в двух разделенных зонах: во вращающейся и невращающейся частях. Простейший из трех методов - квазистационарный, основан на решении стационарных RANS уравнений, но с добавлением выражений, описывающих вращение. Они записываются в связанной с винтом системе координат. Такой подход математически строг, например, для моделирования ГВ, работающего в прямом потоке, когда на каждую лопасть приходит одинаковое поле скоростей. Но в случае работы ГВ в неравномерном поле, например в косом потоке, он практически не применим. Достоинством этого подхода является относительная быстрота проведения расчета, это значит, что он вполне пригоден для проведения оценки значений упора и момента со средней точностью. Таким образом, этот метод может быть использован в качестве начального этапа при проведении расчетов со скользящими сетками. Это позволяет избежать трудностей с моментальным «запуском» вращения ГВ в полностью нестационарном подходе и заметно ускорить процесс сходимости.
Подход «mixing plane» более физичный, чем квазистационарный, в нем строго разрешается осредненное поле скоростей, передаваемое между вращающейся и невращающейся зонами. В этом отношении он похож на метод моделирования осредненного поля в потенциальном расчете. От подхода смешивающейся зоны можно ожидать большей точности в предсказании сил на гребном винте, а также в распределении давлений и скоростей. Хотя, из-за того, что все эффекты от физического вращения винта опущены, этот метод не пригоден для пошагового изучения характеристик винта. Очевидно, что самый физичный метод разрешения нестационарных течений - это метод скользящих сеток, он позволяет получить всю картину течения на каждом временном шаге. Именно этот подход и был использован в данной главе работы. Начальные данные для расчета были взяты, как упоминалось выше, из квазистационарного расчета для верхнего положения лопасти №1 (угол поворота 0 градусов). Отметим, что число итераций для квазистационарного расчета необходимое для достижения сходимости зависит от нагрузки винта - время счета увеличивается с повышением нагрузки ГВ.
Наглядно продемонстрируем механизм проведения численного расчета при повороте сетки. Очевидно, что главным требованием к соприкасающимся поверхностям вращающейся и невращающейся зон является их геометрическая идентичность.
Основной принцип сопряжения скользящих сеток представлен на рис.2.1. Зона контакта между сетками проходит через поверхности ячеек А-В, В-С и D-B, E-F. Пересечение узлов соответственно в точках a-d, d-b, b-e и т.д. Взаимно перекрывающиеся зоны d-b, b-e и е-с группируются в поверхности, свободные для протекания жидкости, в то время как остальные зоны a-d и c-f образуют связанную пару с условием периодичности на соответствующих гранях. Далее в данный момент времени и при данном положении сеток рассчитывается течение жидкости, например, в ячейку IV, причем вместо поверхности D-E рассматриваются 2 поверхности d-b и Ь-с, получающие информацию о потоке из ячеек I и III. На следующем шаге по времени зоны сдвигаются, и происходит переопределение границ протекания жидкости и периодичности.
Особенности решения задачи в программном комплексе FLUENT
Расчеты, проведенные в предыдущей главе, показали, что полный расчет геометрии ВРК в вязком потоке ограниченно может быть рекомендован для использования в инженерной практике, в силу трудоемкости подобного моделирования и значительного времени проведения расчета. Разрабатываемый вязко-невязкий метод призван сократить затраты как на подготовительном этапе, так и на расчетном, за счет объединения потенциального метода и метода решения RANS уравнений. В данной работе перед автором не стояла задача написания программы расчета потенциальным методом, а тем более методом RANS, поэтому для отработки методики использовались уже готовые отработанные программные продукты, такие как потенциальная программа АКРА, успешно используемая, например, в таких научно-исследовательских центрах как ЦНИИ им. акад. Крылова и MARINTEK. А также популярный комплекс гидродинамического анализа FLUENT. Обе эти программы были оттестированы многими авторами на различных практических задачах и показали хорошее согласование с экспериментальными данными. Перед автором, кроме отработки теоретических основ вязко-невязкого алгоритма, стояла задача удобного объединения этих программ. Для этого в потенциальной программе совместно с разработчиками В.И. Красильниковым и Дж. Сан был дописан специальный модуль, отвечающий за составление удобного файла данных для вязкой программы. Таким образом, к минимуму удалось свести рутинную подготовку необходимых данных. В данной главе описаны подробности проведения, как вязкой, так и потенциальной частей алгоритма. Использование уже готовых программных продуктов наложило обязательство на их предварительное тестирование в рамках вязко-невязкого подхода. В первую очередь это касалось исследования модели активного диска в вязком потоке. Для этого были проведены тестовые расчеты с использованием лицензионного коммерческого комплекса программ FLUENT. Объектами исследования были выбраны два гребных винта, для которых есть экспериментальные данные по полям скоростей в следе за диском. Первый такой винт - хорошо известный DTMB4119, представленный в качестве тестового примера на 22 международном симпозиуме ITTC в Гренобле, Франция. Второй винт - Р1255, был исследован в научном центре MARJNTEK, Тронхейм, Норвегия. Проанализировав полученные результаты, было принято решение о проведении серии расчетов с использованием вязко-невязкого метода для конкретного движительного комплекса типа ВРК.
Как упоминалось выше, приоритет в создании вязко-невязкого метода принадлежит научной школе профессора Дж. Кервина (США). Основным предположением алгоритма является допущение о возможности моделирования гребного винта при расчете вязкого обтекания комплекса активным диском, эквивалентным фактическому конечнолопастному ГВ. Указанное моделирование необходимо для упрощения расчета вязкого обтекания, в том числе отказе от использования подвижных сеток и подробного задания с использованием этих сеток геометрии лопастей ГВ. Если удачно выбрать условия эквивалентности между конечнолопастным и активным диском, то, как показали расчеты настоящей работы, можно достигнуть результатов, пригодных для инженерных исследований.
Из литературы известно несколько условий эквивалентности. В работах Дж. Кервина [80] требуется идентичность осредненных вызванных скоростей за реальным гребным винтом и за эквивалентным активным диском. Данное требование заключается в условии равенства распределения по радиусу циркуляции для винта и активного диска и, как следствие, скорость вращения становиться функцией радиальной координаты. На практике это означает, что реальный гребной винт и эквивалентный активный диск имеют различные значения упоров, что является серьезным недостатком данного подхода. В [138] потребована одновременная идентичность распределений упора и момента по радиусу для гребного винта и эквивалентного активного диска. Данный подход не принимает во внимание видимую разницу в эффективности конечнолопастного и бесконечнолопастного (активного диска) винтов. Тем не менее, значение осевой компоненты вызванных скоростей в данной работе показывает хорошее согласование с экспериментом. Это позволяет сделать заключение о том, что идентичное радиальное распределение упора есть ключевое условие эквивалентности. В то же время, необходимо отметить, что одновременное требование идентичности упора, момента и распределения циркуляции как условия эквивалентности [95] не корректно, так как конечнолопастной и бесконечно лопастной винты имеют различные величины циркуляции при одинаковых распределениях нагрузки.
В настоящей диссертационной работе развивается более обоснованный, по мнению автора, подход, когда равенство распределения элементарных упоров у конечнолопастного ГВ и эквивалентного активного диска выполняется, но равенство циркуляции и осредненных по окружности осевой и тангенциальной вызванной скоростей не выполняется. То есть были сформулированы следующие условия эквивалентности: - Диаметр и осевое положение диска гребного винта и активного диска одинаковы (диск винта проходит через середины корневых сечений лопасти) - Гребной винт и активный диск имеют идентичное распределение элементарного упора по радиусу (очевидно, что полный упор также идентичен) При этом поля скоростей, как в потенциальном расчете, так и в вязком осреднены по окружности. Рассмотрим основные этапы предлагаемого вязко-невязкого метода (см. рис. 3.1): 1. На первом шаге проводится расчет всей конструкции (гондола, стойка, гребной винт) без учета вязкости панельным методом с использованием программы ЛКРА. Из данного расчета находится распределение элементарного суммарного упора по радиусу dT I dr 2. На втором этапе, на основании результатов невязкого расчета определяются необходимые характеристики активного диска. В первую очередь это распределение перепада давления по радиусу Ap(r) = (dT/dr)/(2nr) (3.1) Данное распределение рассчитывается непосредственно в программе АКРА и выводится в отдельный файл.
Описание программы поверочного расчета ГВ в невязкой жидкости, используемой для определения характеристик эквивалентного активного диска (программы АКРА)
Постановка задачи Расчеты гребных винтов DTMB4119 и Р1255 в свободной воде, представленные выше, были проведены на стационарной полубесконечной ступице. Для данных задач, это было вполне достаточно, потому что не рассматривалось ни какого взаимодействия с другими объектами. В задаче же обтекания потоком вязкости жидкости геометрии ВРК с активным диском, наличие стационарной ступицы вносило бы дополнительную некорректность. Поэтому было принято решение математическую модель активного диска расположить на вращающейся ступице, причем частота вращения была равна частоте вращения гребного винта в эксперименте. Такое требование не сильно усложнило задачу, так как вращение было смоделировано методом Moving Reference Frame, описанном в [64], и для этого не требовалось построения скользящих сеток. Данная задача была решена в полностью стационарной постановке. Для решения задачи использовалась к — со SST модель турбулентности. Были поставлены следующие граничные условия: Расчеты проходили при следующих параметрах среды: плотность жидкости р =1000 кг/м , кинематическая вязкость у =1.141 х10 6 м2/сек. Использовался Отдельный Метод Решения (Segregated solver). Для коррекции давления в ходе численного решения использовался SIMPLE алгоритм. Схема интерполяции давления Standard. Для дискретизации конвективного члена использовалась схема разностей против потока второго порядка (Second Order Upstream).
Построение сетки в программе Gambit. На данном этапе проводилась генерация сетки вокруг достаточно сложного объекта — гондолы со стойкой. За основу была взята общая методология построения сетки, описанная в [97]. Но в отличие от указанного выше случая здесь было принято решение сделать расчетную область в виде условной сферы, а не в виде привычной цилиндрической трубы. В случае использования «трубы» пришлось бы растягивать и искривлять расчетные зоны от носовой и кормовой оконечности гондолы, что, во-первых, увеличило бы количество ячеек, а во-вторых, негативно повлияло бы на угловую скошенность элементов. В данном же случае, границы зон расходятся наподобие лучей, под почти постоянным углом, не искривляя тем самым элементов сетки. Диаметр расчетной области был равен 7.6 длин гондолы, а входная и выходная границы располагались на расстоянии 8.4 длин гондолы считая от центра.
Все построения велись для половины расчетной области. Вторая половина была получена методом отражения после завершения генерации сетки.
Вся расчетная область была условно разделена на 3 зоны в виде так называемых «оболочек». Границы этих зон проходили по характерным сечениям стойки. Первая зона — ближняя, начиналась на поверхности гондолы и заканчивалась в месте «слома» стойки. См. рис.1. Вторая зона заканчивалась на верхнем срезе стойки, и третья на границе расчетной области. Построение сетки в первой зоне. В первой зоне было уделено особое внимание качеству сетки, так как кроме общих требований к сетке (а именно: корректное разрешение сетки на границе с телом, на котором будут возникать вязкие силы; подробное разрешение сеточных областей, где возможны образования вихревых течений и т.д.) в данной зоне накладываются дополнительные требования по корректному разрешению сетки в месте стыковки двух тел - другими словами, здесь располагались ячейки, для которых требовалось одновременно удовлетворить два пристеночных условия - на стойке и на гондоле.
Вначале была построена геометрия гондолы со стойкой. Для этого по ординатам вводился профиль гондолы, после чего методом вращения были получены соответствующие криволинейные поверхности. Все построения велись в размерных величинах - в миллиметрах. Геометрия стойки также задавалась по точкам.
После этого была построена сетка на поверхности гондолы, причем на ней заранее была отмечена граница статической и динамической частей (гондола и ступица с обтекателем) а также место расположение будущего активного диска. Для уменьшения скошенности ячеек вся поверхность гондолы была разбита на 50 зон, в которых генерировались структурированные прямоугольные элементы. Исключением являлись только носовая и кормовая оконечность гондолы, где располагались треугольные элементы. Далее проекционным способом были построены 50 объемов первой «оболочки». В первой «оболочке» размер ячеек уменьшался от периферии к поверхности гондолы и стойки по линейному закону с коэффициентом 1.15. Причем в верхней части оболочки величина ячеек фиксировалась. Таким образом, в случае модификации сетки для, к примеру, полного масштаба, достаточно было просто изменить число ячеек на гранях объемов только первой оболочки. В этом случае менялся размер ячеек у тела, но оставался неизменным размер периферических ячеек, а значит, стыковка элементов первой и второй оболочек всегда оставалась корректной.
Построение сетки во второй зоне. Как уже было сказано выше, вторая зона заканчивалась на верхнем срезе стойки См. рис.2
Построение объемов второй оболочки также велось проекционным способом на основе объемов первой оболочки. В данной зоне присутствует только один элемент, для которого необходимо удовлетворить требования пристеночных функций - стойка. Здесь также была заранее вложена аналогичная возможность локальной перестройки сетки только вокруг стойки.
Небольшие трудности возникли на верхней границе второй оболочки. Ввиду большого радиуса оболочки достаточно трудно было измельчить ячейки у стойки, сохраняя при этом неизменным число ячеек на радиальных гранях. Для решения этой проблемы пришлось увеличить коэффициент сгущения с 1.15 до 1.2. Построение сетки в третьей зоне.
Построение объемов третьей оболочки также велось проекционным способом на основе предыдущих объемов. В данной зоне из объектов присутствует только продолжение поверхности стойки, так называемый holder. Учитывая, что получение вязкостных сил на нем не предусматривалось в ходе решения задачи, измельчения сетки вокруг него не проводилась. В дальнейшем при определении граничных условий на этом объекте было поставлено условие «стенка со скольжением» или, что тоже самое, «условие не протекания».
Похожие диссертации на Разработка вязко-невязкого метода расчета параметров гидродинамического взаимодействия элементов винто-рулевого комплекса
