Введение к работе
Актуальность проблемы. При разработке новых перспективных энергетических установок необходим надежный метод расчета внутренних течений, способный учитывать такие сложные явления как сжимаемость, переход через скорость звука, потери в скачках уплотнения и разрежения, воздействие продольного положительного и отрицательного градиентов давления, отрыв от ограничивающих поверхностей, конвективный и лучистый теплообмен, неравновесная конденсация (кристаллизация) рабочего тела, взаимодействие основного потока с присоединенной массой, вдуваемой через стенки канала для их охлаждения или отсасываемой для стабилизации течения в пограничном слое, изменение кривизны поверхности и др. сложные явления, позволяющий уже на пер- v воначальном этапе проектирования получить с помощью численных экспериментов достоверные оптимальные характеристики потока, оценить эффектов- ность работы энергоустановки и надежность ее эксплуатации в широком диапазоне режимов работы. Неучет одного из факторов может привести к гипотетическим формам течения, не реализуемым в реальных установках.
Методы расчета, базирующиеся на рассмотрении трехмерного вязкого течения в каналах с учетом нескольких «возмущающих» факторов, слишком громоздки и дороги. В трехмерной постановке по трудоемкости и стоимости они соизмеримы с натурными испытаниями. Однако в настоящий момент они не могут адекватно учесть большого числа усложняющих течение факторов. Кроме того, эти методы также нуждаются в эмпирических или полуэмпирических моделях для математического описания процессов, происходящих в каналах для замыкания систем уравнений. Поэтому для проектирования новых экспериментальных энергетических установок, особенно на первом этапе их разработки, такие методы мало пригодны.
Для учета большого числа «возмущающих» факторов эффективными являются методы локального моделирования, основанные на построении приближенных физических моделей, позволяющие получить практически ценные результаты при минимальных затратах машинного времени. Диссертационная работа посвящена разработке такого метода.
Актуальность темы диссертации определяется необходимостью заменить сложные и дорогостоящие эксперименты при разработке и проектировании новых энергетических установок расчетными исследованиями, позволяющими не только вычислять газодинамические и тепломассообменные характеристики канала, но и подбирать оптимальные диапазоны работы установок и оценивать их экономичность и надежность, а также разработкой и исследованием перспективных энергетических установок специального назначения как стационарного, так и бортового применения.
1 t
Цель работы - создание метода расчета внутренних течений, сопровождающихся спонтанной конденсацией рабочего тела, тепломассообменом и образованием отрывных зон на ограничивающих поверхностях, основанного на локализации областей с особыми режимами течения; разработка эффективных алгоритмов и программ расчета внутренних течений в энергетических установках и решение следующих прикладных задач: создание газодинамической мишени нейтрализатора заряженных частиц и выбор оптимального рабочего вещества мишени; расчет газодинамики и тепломассообмена каналов МГД-v/ генераторов; проектирование эффективной турбинной ступени большой веер-ности, работающей в заданном диапазоне нагрузок!
Научная новизна состоит в следующем:
-
Создан метод расчета внутренних течений, сопровождающихся спонтанной конденсацией рабочего тела, тепломассообменом и образованием возвратно-вихревых зон на ограничивающих поверхностях, основанный на локализации областей с особыми режимами течения и экстраполяцией течения из дозвуковой зоны течения в сверхзвуковую.
-
Предложены зависимости для учета влияния закрутки основного потока на коэффициент сопротивления, вдува инородного газа и отрицательного градиента давления на теплообмен в расчетах асимптотического турбулентного пограничного слоя.
-
Исследована с помощью созданного алгоритма и программ газодинамическая мишень нейтрализатора заряженных частиц и дано обоснование выбора ее оптимального рабочего тела.
-
Создана оригинальная конструкция газодинамической мишени нейтрализатора заряженных частиц.
-
Разработана методика определения утечек из нейтрализатора и других элементов ускорительной системы в вакуумные объемы. Для вычисления газодинамических параметров в объемах, прилегающих к нейтрализатору, на основе метода Пробной частицы Монте-Карло (ПЧМК) создан метод расчета вакуумных объемов с учетом адсорбции и термической аккомодации на ограничивающих поверхностях.
6. Развито приложение метода к расчету линейных и дисковых каналов
\У МГД-генераторов с расчетом от камеры сгорания до выхода из канала с экстра
поляцией из дозвуковой зоны течения в сверхзвуковую.
7. Представлено приложение метода к расчету квазитрехмерного потока
в турбинной ступени большой веерности (D/L < 5), работающей в широком
диапазоне режимов, особенностью которого является возможность определения
режима наступления отрыва на меридиональных обводах и величины отрывных
зон.
8. На основе расчетно-теоретического исследования работы турбинной ступени большой веерности при частичных нагрузках создана теория переменных режимов турбинных ступеней большой веерности.
Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, определяется методическими расчетами, контролем точности расчетов, сравнением численных результатов с аналитическими решениями и с опубликованными расчетными и экспериментальными результатами.
Практическая ценность работы обусловлена использованием пакетов прикладных программ по разработанным методам расчета внутренних течений и внедрением результатов исследований в исследовательские и проектные работы ГОКБ «Горизонт», а также многочисленными исследованиями, произведенными по заказам турбостроительных заводов ЛМЗ, КТЗ и УТМЗ.
Личный вклад автора. Представленные результаты разработаны автором самостоятельно, в том числе: идея и направление работы, постановка задачи исследования, обоснование принятых допущений; разработка методов, алгоритмы и программы расчетов; проведение расчетов и анализ результатов расчетных исследований; основная идея устройства газодинамической мишени, конструкция соплового блока, соединение боковых стенок соплового блока с конденсатором; участие в разработках проектно-конструкторской документации; разработка рекомендаций, следующих из анализа результатов исследований.
Апробация работы Основные положения и результаты работы докладывались: на международных конференциях «Информационные средства и технологии» (1997, 1998, 1999); на НТС ГОКБ «Горизонт» (1977-1995); на научно-технической конференции «Проблемы совершенствования современных паровых турбин» (1972), на НТС ЦКТИ (1975), на НТС ЛМЗ (1976), на научно-технических конференциях МЭИ (1973, 1975), на НТС кафедры 201 МАИ (1999) и др.
Автор защищает:
-
Математическую модель и метод расчета внутренних течений, сопровождающихся спонтанной конденсацией рабочего тела, тепломассообменом и образованием возвратно-вихревых зон на ограничивающих поверхностях, основанный на локализации областей с особыми режимами течения и экстраполяцией течения из дозвуковой зоны течения в сверхзвуковую.
-
Зависимости для учета влияния закрутки основного потока на коэффициент сопротивления, вдува инородного газа и отрицательного градиента давления на коэффициент теплообмена в расчетах асимптотического турбулентного пограничного слоя.
Метод расчета капала
Ядро потока
Дифференциальные уравнения в частных производных
Пограничный слой
±
Обыкновенные
дифференциальные
уравнения
Система алгебраических уравнений
Система алгебраических уравнений
Неравновесная конденсация
Электромагнитное воздействие
Излучение
Переменная масса
Потери в ядре потока
Реальные свойства
Дискретизация
Итерации с релаксацией
Решение системы алгебраических уравнении методом Рупге-Кутты
мгд-
канал
пары Na
Мишень нейтрализатора
Сопло
Ц. СОг
Диффузор
Сжпмаемо(
Теплообм< со степко
Градиент давления
Вдув (отсос
] однородны!
неоднороді
Потери в скачка>
Закрутке потока
Критерій отрыва п.
Шероховато поверхі IOCT
Отрыв па меридиональных обводах
Ступень турбины
с малым
D/L
Кривизн; поверхнос
Рис. I. Схема рассматриваемых течений в канале и приложений метода
1 I
-
Приложение метода к созданию газодинамической мишени нейтрализатора заряженных частиц и выбор оптимального рабочего веществамишени.
-
Приложение метода к расчету линейных и дисковых каналов МГД-генераторов, начиная от камеры сгорания до выхода из канала с экстраполяцией из дозвуковой зоны течения в сверхзвуковую.
-
Математическую модель и метод расчета турбинной ступени большой веерности, работающей в широком диапазоне режимов.
-
Расчетно-теоретическое исследование работы турбинной ступени большой веерности при частичных нагрузках и теорию переменных режимов турбинных ступеней большой веерности.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 14 опубликованных и 22 рукописных работах.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 337 стр., в том числе 248 стр. текста и 138 рис. на 89 стр. Список цитируемой литературы содержит 301 наименование. Схема рассматриваемых течений в канале и приложений метода представлена на рис. 1.
Похожие диссертации на Исследование газодинамики и тепломассообмена внутренних течений в энергетических установках
